汪志剛，葉潔云，齊亮，張迎暉

（江西理工大學材料科學與工程學院，江西 贛州341000）

H62是典型的α+β雙相黃銅，由于具備軟的α相和硬質β相共存的組織特征，而表現較高的強度、塑性和導電性能等一系列的優(yōu)異性能，被廣泛用于汽車、造船和精密機械制造業(yè)等，素有“商業(yè)黃銅”之稱[1].

擁有一定量硬脆性相的H62黃銅，在軋制過程易出現加工硬化現象，導致變形抗力增大，使得黃銅板材難以實現連續(xù)軋制，在制備過程中往往需要進行多道次軋制和頻繁的中間熱處理，以期獲得理想的尺寸和性能[2].基于復合制備工藝條件下的H62黃銅，其α相的組織形態(tài)和β相的析出行為對其力學性能和產品質量都有很大影響，諸多文獻對此有過深入報道[3-5]，但關于冷軋變形量對H62組織性能的影響，報道較少，同時，有關β相在退火過程中析出規(guī)律仍需深入研究.為此，重點研究冷軋壓下率和退火溫度對H62黃銅組織性能的影響，探索最佳制備工藝參數，對于提高H62產品生產效率，降低生產成本有一定的意義.

1 試驗材料及方法

試驗材料為某銅材廠提供的2.0 mm厚的H62黃銅熱軋板，其化學成分（質量分數，%）為62.61%Cu，37.31%Zn，0.012%Pb，0.009%Fe，Ni<0.004%.冷軋試驗在φ140 mm/φ310 mm×300 mm四輥冷軋機上進行，冷軋壓下率設計為36.5%，56.5%，66.5%和76.5%，冷軋后采用同一退火工藝進行熱處理（600℃保溫1 h空冷）.選擇冷軋壓下率為56.5%的冷軋板，在SX5-12箱式電阻爐進行退火試驗，退火溫度設計為400℃，500℃，600℃和700℃，保溫時間均為1 h，空冷到室溫.

按GB/T228-2010在退火板上沿軋向切取標距為25 mm的拉伸試樣，在WD-P4204拉伸試驗機上進行力學性能測試.硬度檢測采用HV-5型維氏硬度儀，每個試樣測量5個點，取平均值.對退火試樣進行金相制樣，并采用三氯化鐵酒精溶液腐蝕試樣截面，利用Leica DM2500M型光學顯微鏡和ZEISS EVO18掃描電鏡觀察組織形貌，并借助于image-proplus軟件統(tǒng)計退火板的平均晶粒尺寸.

2 試驗結果與分析

2.1 對力學性能的影響

圖1（a）、圖 1（b）分別給出 H62 黃銅的抗拉強度和屈服強度隨冷軋壓下率和退火溫度的變化曲線，可以看出，隨壓下率的增加，強度逐漸下降，從66.5%到76.5%，兩強度均出現劇烈下降，76.5%時已不能滿足H62黃銅在軟態(tài)時的性能要求.隨退火溫度的增加，兩強度一開始出現劇烈減小，500℃以后減小程度減緩.圖 1（c）、圖 1（d）反映的是斷后伸長率和維氏硬度隨壓下率和退火溫度的變化情況.隨壓下率和退火溫度的增加，伸長率均出現先增加后降低的趨勢，壓下率為56.5%下和600℃退火時伸長率分別達到最大.圖1（d）還能看出冷軋態(tài)的黃銅的硬度明顯高于退火態(tài)，而伸長率遠低于退火態(tài).維氏硬度隨冷軋壓下率的變化較小，硬度最高與最低的差值在試驗誤差范圍內.400℃退火時硬度值要明顯高于其它溫度.

圖1 不同工藝參數下的力學性能結果

2.2 對組織結構的影響

為了更好的解釋力學性能隨工藝參數的變化情況，圖2給出了光學顯微鏡下不同壓下率的H62黃銅經600℃保溫1 h退火后的組織照片，可以看出4種壓下率下的H62黃銅均已完成的再結晶，在多邊形等軸α相中還能觀察到明顯的退火孿晶，該部分退火孿晶主要是由于低層錯能的Zn的固溶所引起的.軟件統(tǒng)計結果表明4種壓下率的退火板的平均晶粒尺寸分別為 69 μm、78 μm、89 μm 和 131 μm.如圖3所示，隨壓下率增加，退火板的平均晶粒尺寸依次增大，歸因于形變儲能的增加.冷軋變形量的增大，將引起晶粒的變形程度加劇，內部將出現大量的變形帶，從而使得位錯密度升高，形變儲能隨之增加，再結晶的驅動力也增加，再結晶的孕育期會縮短，再結晶溫度降低[6]，因此，在同一退火溫度和時間條件下，壓下率越大，晶粒再結晶更充分且更易長大.晶粒越細小，黃銅的強度勢必會提高，同時還可以通過晶界數量的增多來阻止裂紋的萌生和傳播以改善塑性[7].冷軋壓下率從66.5%到76.5%，平均晶粒尺寸出現急劇增加（圖2），從而導致其強度和伸長率猛烈下降（圖 1（a）、圖 1（c））.在較低壓下率（36.5%）下，盡管平均晶粒尺寸略小于高壓下率，而晶粒的均勻性更差，這會影響到黃銅在拉伸變形過程中的協(xié)調性，從而更容易產生應力集中而惡化伸長率[8].4種壓下率的冷軋板經退火后未觀察到明顯的β相生成.

圖2 不同壓下率下的H62黃銅退火板的組織形貌

圖3 不同冷軋壓下率的退火板的平均晶粒尺寸（600℃保溫1 h退火）

圖4給出了冷軋板和不同溫度退火板的組織形貌.圖4（a）和圖4（b）分別表明冷軋態(tài)的黃銅主要由白色的α相和黑色的β相組成，且兩相均沿軋向被拉長，α相中能觀察到大量的滑移帶，表現為纖維狀組織，顆粒狀黑色β相夾雜在纖維狀組織之間（圖4（b））.高密度位錯的積累以及β相的彌散分布，使冷軋態(tài)硬度要遠高于退火態(tài)，而伸長率低于退火態(tài)（圖1（d））.當冷軋板加熱到400℃時，α相首先發(fā)生再結晶，沿軋向分布的β相較冷軋態(tài)體積分數有所降低.此時，β相的存在以及未再結晶的α相纖維組織使其強度、硬度偏高而伸長率偏低.當溫度升到500℃時 （圖4（d）），α相已基本完成再結晶，但晶粒的均勻性較差，小晶粒夾雜在大晶粒之間.隨著再結晶的進行，600℃時晶粒的均勻性明顯增加（圖4（e）），且在α相中能觀察到退火孿晶.700℃時部分晶粒明顯長大（圖4（f））.軟件統(tǒng)計結果表明，在500℃、600℃和700℃退火時，α相的平均晶粒尺寸分別為 35 μm、79 μm、126 μm.晶粒尺寸隨退火溫度的逐漸增加是其強度逐漸降低的主要原因（圖1（b）），而伸長率的逐漸增加主要歸因于從500℃到600℃時，再結晶更充分，晶粒均勻性增加，使得黃銅變形時延遲縮頸能力增強[9].而從600℃到700℃時，晶粒開始長大，晶界數目的相對減少導致了700℃伸長率的下降.

值得注意的是，圖4結果表明除冷軋態(tài)和400℃退火時，其它溫度退火均未觀察到有β相生成，H62黃銅在高溫（500℃以上）短時（1 h）退火均以α單相為主.通過對400℃退火時的組織進行深入分析，圖5（a）給出了400℃退火時的掃描結果，其中黑色為β相，白色為α相.對該兩相進行能譜表征發(fā)現，β相中的Zn含量比α相高約2%（圖5（c）），此差值比文獻中報道的鑄態(tài)H62黃銅中的兩相鋅含量差值（5%）小[10]，說明β相在退火初期逐漸回溶到α相中.對于鑄態(tài)H62黃銅而言，β相主要是經液相和α相包晶反應得到，室溫下能觀察到反應產物β相以及剩余的α相[11-12].鑄錠經熱軋和冷軋后，在退火過程中，破碎的β相顆粒會均勻逐漸溶解到α相中，Zn在α相中最大溶解度為456℃時的39%，該溫度以下，隨退火溫度的升高，Zn在α相中的溶解度逐漸增大[13]，因此，400℃退火時β相的體積分數要略低于冷軋態(tài)，且此時的β相并不是在冷卻過程中從α相中析出的，而是冷軋過程中少量未溶解的顆粒狀β相在加熱過程中發(fā)生長大和晶界平直化而得到的，平均晶粒直徑約1 μm.當退火溫度為500℃時，β相幾乎全部溶解，在掃描電鏡的背散射（BSE）觀察下也未發(fā)現 β 相（圖 5（b）），說明此時回溶的β相在隨后的空冷過程未析出，且從能譜結果（圖5（d））看出，該溫度下的任意兩點能譜結果相似，固溶的Zn分布較均勻.β相是由Cu和Zn構成的金屬間化合物，能否從α基體中析出，即要滿足β相的析出熱力學條件，又要滿足動力學條件[14].陳秀琴的試驗結果證實在580℃（Zn的固溶量為37%）保溫24 h退火后，H62黃銅中才能觀察到少量的β相[13].通過深冷處理也可以使得退火態(tài)H62黃銅在室溫下觀察到一定量的β相，因為快速冷卻過程中形成了過飽和的α固溶體，在后續(xù)回溫到室溫過程中，升溫時間較短，溫度較低，β相來析出后來不及溶解，因此能觀察到β相的形成[15].

圖4 冷軋態(tài)和退火態(tài)H62黃銅的組織形貌

以上說明，對于含鋅量接近Cu基體中Zn的最大固溶度的H62黃銅而言，β相的析出和回溶不僅與鑄造工藝有關，熱處理工藝同樣影響其析出形態(tài)和分布，并且該過程中析出往往發(fā)生在α相的晶界，如果能優(yōu)化熱處理工藝，控制β相的析出數量、尺寸和分布，充分發(fā)揮β相作為強化相的作用，將有利于H62黃銅的性能優(yōu)化.然而，對于鑄造過程形成的β相，室溫時會發(fā)生有序轉變而形成β'脆性相且分布在α相枝晶之間[16]，應盡量減少其在后續(xù)軋制過程中帶來的不利影響，包括加工硬化和變形抗力的增加，因此，為了順利實現軋制，提高產品質量，H62黃銅的中間退火應考慮到確保在Zn全部固溶的前提下（454℃以上），選擇設計較低的退火溫度，較短的保溫時間，一方面使得鑄態(tài)組織中的β相全部固溶，另一方面減少β相的再次析出.對于最終退火工藝，一定要確保α相完成再結晶且晶粒大小均勻，過高溫度會使得晶粒長大，均勻性減低，同時會促使β相析出量增加而惡化綜合性能.

圖5 不同溫度退火板的掃描組織

3 結 論

1）對于H62黃銅，隨冷軋壓下率和退火溫度的增加，平均晶粒尺寸逐漸增大，使得強度逐漸減小，而伸長率出現先增加后減小.較低壓下率（36.5%）和低溫退火（400℃）均會導致晶粒的均勻性下降，而惡化伸長率.

2）H62黃銅的冷軋態(tài)組織中β相呈顆粒狀分布在α纖維中，400℃時，α相開始發(fā)生再結晶，未溶的β相晶粒開始長大，500℃到700℃退火后，主要為多變形α晶粒，β相幾乎全部溶解在α相中.

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