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        H68黃銅形變再結(jié)晶溫度及晶粒尺寸變化的研究

        2021-03-08 08:16:44唐志君劉克昌邢若宇
        中國金屬通報 2021年21期
        關(guān)鍵詞:變形研究

        唐志君,王 晨,劉克昌,邢若宇

        (北京科大分析檢驗(yàn)中心有限公司,北京 100083)

        1 研究背景

        金屬材料的形變再結(jié)晶是金屬學(xué)里面的一個重要研究部分。近幾年,一些由于材料失效導(dǎo)致的工程事故也大都與材料的形變再結(jié)晶有很大關(guān)系。此前有不少的研究針對工模具鋼、高速鋼等材料的形變再結(jié)晶作出全面分析研究;而對有色金屬的相關(guān)研究卻乏善可陳。

        有色金屬中,使用較為廣泛的是銅合金,本研究針對銅合金中使用最為廣泛的H68黃銅進(jìn)行研究,擬對其加工變形后在不同回火溫度下獲得的金相組織進(jìn)行對比,推測其性能特點(diǎn)以指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)[1]。

        H68黃銅有較為良好的塑性(明顯優(yōu)于其它黃銅)和較高的強(qiáng)度,在成型性能方面也有較大的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢使H68黃銅成為普通黃銅中應(yīng)用最為廣泛的一個品種。用于復(fù)雜的冷沖件和深沖件,如散熱器外殼、導(dǎo)管、波紋管、彈殼、墊片、雷管等[2]。

        鑒于此,本研究針對H68黃銅在加工成型和再結(jié)晶方面的特征進(jìn)行研究,希望能獲得較為合適的形變方法和再結(jié)晶溫度,供企業(yè)在加工過程中參考選擇。

        2 樣品基本情況及形變方式的選擇

        根據(jù)GB/T 5231-2012的要求,H68黃銅的化學(xué)成分:Cu:67.0-70.0%,F(xiàn)e:0.10%,Pb:0.03%,余量為Zn,雜質(zhì)總和不超過0.3%。一般情況下的H68黃銅供貨態(tài)為硬態(tài),大都是已經(jīng)通過軋制成型的板材。硬態(tài)的H68黃銅有明顯的脆性,無法直接進(jìn)行變形加工。

        供貨態(tài)黃銅大都是硬態(tài),所以在加工過程中可能會開裂甚至崩碎。本研究第一次嘗試對黃銅進(jìn)行變形時,使用電子萬能試驗(yàn)機(jī)壓縮黃銅樣品,速率設(shè)定為5mm/min,結(jié)果樣品出現(xiàn)突發(fā)性的開裂,開裂方向與壓縮方向呈45°,斷口光滑。在進(jìn)行軋制的時候,直接對供貨態(tài)的H68黃銅冷軋也會導(dǎo)致其崩碎。由此可見,硬態(tài)的H68黃銅需要退火方可加工。

        常見的金屬原料形變手段有壓縮、錘擊和軋制。錘擊適用于純鋅等較軟的有色金屬;萬能試驗(yàn)機(jī)的壓縮功能對于工業(yè)純鐵或碳鋼類樣品的變形較適用。對于黃銅而言,錘擊可能形成裂紋;壓縮容易導(dǎo)致表面晶粒與中心晶粒出現(xiàn)形變差異,不利于后續(xù)的再結(jié)晶;故不作為本研究的形變手段[3,4]。

        本研究最終選擇了軋制的方式來模擬H68黃銅在實(shí)際生產(chǎn)中的形變。因?yàn)檐堉瓶梢员WC晶粒細(xì)化且變形更加均勻。為了模擬實(shí)際生產(chǎn)中可能存在的大變形量,本研究的最終變形量定為60%。硬態(tài)黃銅原料無法冷軋,故最終變形方式定為加熱條件下的軋制,軋制變形量定為60%。具體軋制方案為:將10mm厚的H68黃銅板在200℃~250℃加熱爐中保溫一小時后進(jìn)行軋制;每道次壓下率控制在3%~5%,過程中監(jiān)測樣品表面溫度,保證每道次軋制后樣品溫度在200℃以上。最終下壓量達(dá)60%后,空冷至室溫。

        3 形變及再結(jié)晶樣品金相組織

        3.1 形變后的H68黃銅金相組織

        取軋制后樣品截面,觀察組織形貌。樣品組織可見明顯的沿軋制方向伸長的變形晶粒,部分晶粒內(nèi)有褶皺,無明顯孿晶。樣品表面與中心的晶粒形變情況基本一致。

        黃銅樣品金相組織制備方法為:在冷卻水保護(hù)下切取一小塊樣品,將其平行于軋制方向的截面朝下鑲嵌;鑲嵌后依次使用320#、600#、800#、1000#、1500#砂紙磨平表面,之后使用拋光機(jī)加入2.5μm金剛石拋光膏對其表面進(jìn)行拋光至鏡面;拋光后使用氯化鐵鹽酸溶液浸蝕。后續(xù)樣品的金相組織均采用此方法制備。以此獲得的軋制后H68黃銅的金相組織如下:

        圖1 經(jīng)過60%形變量軋制后的H68黃銅, 200x

        3.2 形變后H68黃銅在不同回火溫度下的再結(jié)晶情況

        部分研究表明,300℃以下的溫度不能使大多數(shù)黃銅產(chǎn)生再結(jié)晶,但有部分研究稱270℃會使部分牌號的黃銅出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象。

        根據(jù)以上資料,本研究對形變后的H68黃銅板進(jìn)行取樣,并擬定270℃、350℃、550℃和750℃四個溫度為回火溫度;為保證樣品再結(jié)晶程度易于觀察,保溫時間定為1h。回火完成后的H68黃銅再結(jié)晶樣品的金相組織如下:

        圖2 H68黃銅60%形變270℃(上)、350℃(下)保溫1h后金相組織, 200x

        形變后的H68黃銅經(jīng)270℃保溫1h后,無明顯組織變化??梢?70℃并不能使形變后的H68黃銅產(chǎn)生再結(jié)晶。而350℃保溫1h后,H68黃銅形變樣品出現(xiàn)了明顯的組織變化:大多數(shù)晶粒的變形特征均被消除,組織均勻;再結(jié)晶的晶粒晶界較為圓潤,晶粒尺寸與形變后的晶粒差異不大,無明顯孿晶。

        經(jīng)550℃保溫1h后,形變后的H68黃銅樣品出現(xiàn)了明顯的再結(jié)晶且晶粒已經(jīng)長大(如圖3左)。變形晶粒已完全消除,再結(jié)晶晶粒有明顯孿晶特征。而經(jīng)過750℃保溫1h后,形變的H68黃銅已完成了再結(jié)晶并且有非常明顯的晶粒長大,奧氏體晶界較為飽滿,晶粒內(nèi)有明顯的孿晶組織。

        圖3 H68黃銅60%形變550℃(上)、750℃(下)保溫1h后金相組織, 200x

        3.3 再結(jié)晶后的晶粒度檢測及性能預(yù)測

        為評估不同溫度下再結(jié)晶后的H68黃銅的性能,本研究對上述的樣品進(jìn)行了晶粒度測評。晶粒度評級方法選用GB/T 6394-2017規(guī)定的單圓截點(diǎn)法,每個樣品測量五次后計算95%置信區(qū)間并判斷相對誤差(不超過10%視為結(jié)果有效)。形變樣品及270℃回火樣品晶粒變形較嚴(yán)重,故不做評級。其它三組樣品晶粒度檢測情況如下表。

        表1 形變后的H68黃銅經(jīng)350℃~750℃回火后的晶粒度評級

        由上表可以看出,再結(jié)晶晶粒的尺寸隨著回火溫度的上升而增大。據(jù)此可以推測,隨著溫度升高,形變后的H68黃銅的強(qiáng)度會有所下降,同時由于其奧氏體晶粒的特點(diǎn),晶粒尺寸增大會導(dǎo)致樣品脆性更加明顯,塑性下降。一般認(rèn)為,晶粒細(xì)化的金屬材料,擁有更好的綜合性能。由此可見,在本研究的熱處理工藝設(shè)計中,350℃保溫1h后的形變H68黃銅的綜合性能應(yīng)該是最佳的。

        4 結(jié)論

        根據(jù)以上研究,我們可得到以下結(jié)論:首先,常見的H68黃銅供貨態(tài)大都為硬態(tài),在形變加工前需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚砘蜻x擇加熱后再形變加工的方式,建議加熱溫度為200℃~250℃。

        其次, 270℃不足以使形變后的H68黃銅發(fā)生再結(jié)晶。350℃保溫1h后,形變后的H68黃銅出現(xiàn)了明顯的再結(jié)晶現(xiàn)象,再結(jié)晶后的組織均勻,無明顯的孿晶組織,晶粒尺寸較細(xì)小。

        第三,溫度對于形變后的H68黃銅再結(jié)晶晶粒尺寸有明顯的正相關(guān)關(guān)系。形變后的H68黃銅經(jīng)過350℃、550℃、750℃保溫1h后,其金相組織的平均晶粒度分別為9.94±0.17、5.12±0.20、3.91±0.35。

        以上結(jié)論在實(shí)際生產(chǎn)中可以提出以下建議:供貨態(tài)H68黃銅在加工時一定要適當(dāng)加熱或熱處理后加工,推薦溫度為200℃~250℃。350℃再結(jié)晶后的H68黃銅金相組織均勻,晶粒尺寸較?。煌扑]使用該溫度對加工成型的H68黃銅產(chǎn)品進(jìn)行熱處理,以獲得較好的綜合性能。

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