陳燕飛，朱政強，楊群義

(南昌大學先進制造學院，南昌 330031)

0 引 言

伴隨著電力、電子、通信、汽車以及軌道交通技術的發(fā)展，電線電纜的用量與應用場合不斷增多[1]。銅是電線電纜行業(yè)中重要的原材料，目前銅導線主要通過先采用連鑄連軋工藝生產出電工銅桿，通常直徑為8 mm，再經過拉拔、退火等多道工序而制成[2]。電工銅桿作為銅導線加工的中間坯料，其產品質量直接決定著成品電纜的品質[3]。

近年來，各銅導線生產企業(yè)、研究機構不斷通過技術優(yōu)化來提高電工銅桿的質量以產出高品質低成本的電纜線[4-11]。大部分的研究主要集中于電工銅桿拉拔工藝的參數(shù)分析、提高應變速率及降低生產成本等方面。隨著資源集約化進程的發(fā)展，廢雜銅材能否用于制備高品質電工銅桿，進而實現(xiàn)廢雜銅材的重復利用,大幅降低電纜成本，已成為行業(yè)重點關注的問題[12]。

為此，作者以采用拉法格火法精煉高導電(Fire Refined High Conductivity,FRHC)廢雜銅精煉工藝和連鑄連軋工藝制備的直徑8 mm再生電工銅桿為研究對象，研究了扭轉變形和退火處理對其顯微組織、力學性能與導電性能的影響，期望提供一種在保持再生銅桿一定導電率的情況下提高其塑性的方法，這對于制備高性能再生銅桿具有一定的理論指導意義和實用價值。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為某廠提供的再生連鑄連軋銅桿，直徑8 mm，化學成分如表1所示。該銅桿原料為廢雜回收銅，應用拉法格法廢雜銅精煉工藝在FR150型傾動爐中精煉除雜冶煉后，使用CCR20型連鑄連軋設備生產出成低氧光亮銅桿。

表1 再生銅桿的化學成分Table 1 Chemical composition of recycled copper rod %

圖1 再生銅桿扭轉變形示意圖Fig.1 Diagram of torsional deformation of the recycled copper rod

如圖1所示，將再生銅桿在中奧EZ3型金屬線材扭轉試驗機中進行扭轉變形處理，扭轉變形區(qū)長度50 mm，扭轉轉速15 r·min-1，扭轉角度720°。將扭轉變形區(qū)切成若干個10 mm長的試樣，其中一部分試樣在上海西格瑪SGM-M10/10型熱處理爐中進行退火處理，退火溫度500 ℃，退火時間60 min。切取金相試樣用環(huán)氧樹脂鑲嵌，經400#，1200#，2000#金剛石砂紙打磨，1 μm金剛石拋光劑懸濁液拋光后，使用由100 mL水、5 mL HCl和5 g FeCl3配制的腐蝕劑腐蝕，腐蝕時間10 s。采用尼康LV150NA型光學顯微鏡(OM)、蔡司EVO 18型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣的顯微組織與微觀形貌。采用日本理學Ultima IV型X射線衍射儀(XRD)分析試樣的物相組成和扭轉(塑性)變形處理前后再生銅桿的晶面數(shù)據(jù)，掃描速率為5(°)·min-1。使用廈門天研TX-300A型電導率測試儀在25 ℃下測試導電率，按照GB/T 3048.2-2007進行取樣和測試，結果取5次測試的平均值。使用華銀HV-1000型顯微硬度計進行硬度測試，載荷2 N，保載時間為10 s，每隔300 μm取點測試，截面硬度測試位置靠近外表面，沿切向測試，取點間距為500 μm測5個點取平均值。在三思CMT5504型萬能試驗機上進行拉伸試驗，按照GB/T 228.1-2021從不同處理態(tài)的銅桿中切取并制備拉伸試樣(采用R7試樣，變形區(qū)直徑5 mm)，伸長率通過測算位移計算得到。采用掃描電子顯微鏡觀察試樣拉伸斷口形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 XRD譜

由圖2可知：未處理銅桿側面的Cu(111)衍射峰相比于純銅的標準譜線右移0.858°，根據(jù)布拉格公式可知晶面間距減小。這與再生銅桿的軋制處理工藝相吻合；經扭轉變形處理后，銅桿側面Cu(111)衍射峰相比于純銅譜線左移0.661°，說明晶粒沿剪切方向拉伸，晶面間距增大，晶粒被拉長，且衍射峰變寬，表明晶格發(fā)生畸變或晶粒細化；經扭轉變形+退火處理后，再生銅桿晶粒發(fā)生回復再結晶，峰位重新對正，且峰形尖銳，峰值大幅升高，可知結晶良好。

圖2 不同工藝處理前后再生銅桿不同位置的XRD譜Fig.2 XRD patterns at different positions of recycled copper rod before and after treatment by different processes:(a) side face and (b) cross-section

不同工藝處理前后銅桿截面的Cu(111)衍射峰位置與標準譜線幾乎一致，僅扭轉變形后衍射峰略微右移，表明扭轉變形與扭轉變形+退火處理對截面晶粒的影響較小。扭轉變形處理主要改變再生銅桿側面(即剪切方向)的晶粒尺寸和晶體結構。

2.2 顯微組織

由圖3可見：未處理再生銅桿截面和側面的晶粒形狀大多為棱角分明的多邊形，平均晶粒尺寸約為20 μm，晶粒尺寸不均勻；多邊形晶粒內有少量尺寸較小的矩形組織，表明未處理銅桿中存在退火孿晶，這主要是由連鑄連軋加工引起的。在連鑄工序中，銅液與結晶輪接觸后急劇冷卻凝固，凝固后的坯體隨即在連軋工序中軋制拔長[13]。粗大鑄造組織在軋制過程中破碎；另外，銅桿與軋輪接觸時，銅桿溫度迅速降低，晶界遷移速率急劇降低，從而形成退火孿晶；并且在銅桿彎曲變形后，形成少量的變形孿晶.孿晶晶界將粗大的晶粒分割、細化[14]。但此時銅桿沒有足夠的余溫和時間使晶粒等軸化[15]，因此，連鑄連軋后再生銅桿的顯微組織主要由棱角分明的多邊形晶粒組成。

圖3 不同工藝處理前后再生銅桿截面和側面的顯微組織Fig.3 Microstructures on cross section (a,c,e) and side face (b,d,f) of recycled copper rod by different treatments: (a-b) non-treatment;(c-d) torsional deformation and (e-f) torsional deformation and annealing

與軋制等拉/壓變形不同的是，扭轉變形主要是剪切變形。經過扭轉變形處理的再生銅桿晶粒沿剪切方向拉長，側面為典型拉長的變形組織，但其截面顯微組織并未發(fā)生明顯變化，晶粒依舊為多邊形。扭轉變形導致位錯大量增殖與富集，使晶界形成較大角度的重組，晶粒細化，出現(xiàn)了更多的晶界和亞晶界；在退火處理過程中，再生銅桿組織中的變形能逐步釋放，促進在晶界或亞晶界處發(fā)生再結晶，形成再結晶晶粒，并逐步等軸化形成均勻的等軸晶粒[16]。而扭轉變形階段產生的細小孿晶在退火過程中略微長大；退火處理促進晶粒應力釋放，消除殘余應力，再生銅桿的顯微組織中晶粒的均勻性得到整體提高。因此，退火處理后再生銅桿的顯微組織主要為等軸晶和孿晶。

由圖4可見，在連鑄連軋等大變形階段，孿晶晶界將銅桿原有的大尺寸晶粒分割細化，形成了棱角分明的孿晶晶粒。大的孿晶晶粒在扭轉變形時，進一步孿生形成二次孿晶。這表明連鑄連軋階段，銅桿晶粒的細化主要由孿晶主導。扭轉變形處理后，晶粒發(fā)生畸變，產生大量位錯和少量二次孿晶。再生銅桿所受的剪切變形主要是靠位錯的交滑移來實現(xiàn)，這些位錯形成了復雜的胞狀結構[7]，且扭轉變形階段孿晶中產生的二次孿晶、晶界交叉及孿晶與位錯等的交互作用最終導致尺寸更小晶粒的形成。扭轉變形階段晶粒主要通過位錯胞的增加而得到細化[17]。

圖4 扭轉變形前后再生銅桿的孿晶形貌Fig.4 Twin morphology of recycled copper rod before (a) and after (b) torsional deformation

由圖5可知，扭轉變形的高應變破碎了大晶粒，退火處理時的再結晶能夠顯著提高再生銅桿晶粒的均勻性。扭轉變形+退火處理工藝能夠顯著降低再生銅桿晶粒大小，平均粒徑為10 μm左右。

圖6 不同工藝處理前后再生銅桿的應力-應變曲線Fig.6 Stress-strain curves of recycled copper rod before and after different treatments

2.3 力學性能

由圖6可知，經扭轉變形+退火處理后再生銅桿的抗拉強度與未處理銅桿相差不大，但斷后伸長率大幅提高，從40%提升至55%，提升幅度約為40%，表明扭轉變形+退火處理能夠提高再生銅桿的塑性。塑性的提升與組織調控密不可分，扭轉變形處理時剪切變形應變速率大，能夠使組織產生大量細小的變形孿晶；在退火處理后，這些孿晶依舊保留并略微長大。孿晶界能量較低，在拉伸變形時位錯可在孿晶界上滑移，從而顯著提高再生銅桿的塑性[18]。另外，變形能的釋放促進部分變形組織發(fā)生再結晶，并形成等軸晶，晶粒尺寸的均勻性得到提升。

扭轉變形處理后的銅桿由于位錯累積，表現(xiàn)出明顯的加工硬化效應，抗拉強度提高至273 MPa，但塑性大幅降低，斷后伸長率只有21%，約為未處理再生銅桿的50%。另外，扭轉變形時再生銅桿在外表面處的應變及應變速率顯然高于圓心位置，其截面沿直徑方向的顯微硬度呈“峰型”分布，如圖7所示，高應變速率區(qū)域的顯微硬度明顯高于低應變速率區(qū)域，這主要是由晶粒細化與加工硬化共同作用造成的。一方面，越靠銅桿外表面，扭轉變形速率越大，材料的塑性變形越強烈，加工硬化效應越明顯；另一方面，高應變使再生銅桿形成孿晶，與位錯交織形成細晶、超細晶組織，根據(jù)霍爾-佩奇(Hall-Petch)公式，晶粒尺寸越小，再生銅桿的硬度越高。

圖7 扭轉變形后再生銅桿截面沿直徑方向的顯微硬度分布Fig.7 Microhardness distribution in diameter direction on cross-section of torsional deformed recycled copper rod

試驗測得未處理、扭轉變形、扭轉變形+退火處理后再生銅桿的側面顯微硬度分別為78.4,110.8,63.9 HV;截面(靠近外表面)顯微硬度分別為78.4,101.7,63.6 HV。扭轉變形+退火處理后的再生銅桿出現(xiàn)退火軟化現(xiàn)象，軟化機制以再結晶為主導[19]。另外，未處理及扭轉變形+退火處理后再生銅桿的截面和側面顯微硬度基本一致；但扭轉變形后側面硬度比截面高約8%。扭轉變形使再生銅桿的晶粒沿剪切方向發(fā)生畸變，形成纖維狀的扭轉變形組織，而截面方向基本保持不變。因此，位錯交織、變形孿晶等主要產生于剪切面，使得再生銅桿的側面位置硬度高于截面。

2.4 拉伸斷口形貌

由圖8可知，未處理、扭轉變形+退火處理后的再生銅桿拉伸斷口存在大量韌窩，表明再生銅桿在斷裂前積累了大量應變，且發(fā)生了韌性斷裂。不同尺寸的韌窩是由顯微組織的不均勻性引起的，較深的韌窩為斷裂核心點；隨著拉伸變形增大，微韌窩孔彼此相遇，局部韌窩聚集達到韌性斷裂條件，最終導致材料斷裂[15]。與未處理再生銅桿相比，扭轉變形+退火處理后再生銅桿拉伸斷口內的大韌窩較少，且韌窩尺寸更均勻，表明顯微組織均勻性和塑性變形能力更好。

扭轉變形處理后的再生銅桿拉伸斷口出現(xiàn)了韌窩與河流花樣的混合斷裂形貌。這是由于再生銅桿受剪切作用的影響，晶粒沿剪切方向畸變并在晶界位置出現(xiàn)應力集中；在拉應力作用下，剪切畸變的晶粒發(fā)生輕微回復，并優(yōu)先在晶界位置出現(xiàn)沿晶解理斷裂的微裂紋。另外，再生銅桿組織中晶粒變形的不均勻，使部分晶粒受力大幅增加進而發(fā)生韌性斷裂，這是出現(xiàn)微韌窩的主要原因。在穿晶韌性斷裂與沿晶解理斷裂的共同作用下，斷口出現(xiàn)晶內韌性斷裂的韌窩與解理斷裂河流花樣的混合形貌。

圖8 不同工藝處理前后再生銅桿的拉伸斷口SEM形貌Fig.8 Tensile fracture SEM morphology of recycled copper rod before (a) and after (b-d) different treatments: (b) torsional deformation and annealing; (c) torsional deformation, microdimple and (d) torsional deformation, microcrack

2.5 導電性能

金屬材料導電過程的本質是金屬內部自由電子的運動過程，其導電性能由金屬原子點陣對自由電子運動的阻礙作用決定。未處理、扭轉變形和扭轉變形+退火處理后再生銅桿的導電率測試結果如表2所示。顯然，扭轉變形后再生銅桿組織中的晶?；儑乐兀Я鹊木Ы?、亞晶界數(shù)量增多，位錯密度升高，對電子的運動產生一定的阻礙作用。因此，扭轉變形再生銅桿的導電率相比于未處理銅桿下降了12.67%，扭轉變形+退火處理后再生銅桿的導電率則與未處理導電銅桿相近。

根據(jù)馬西森定則(Matthiessen′s rule)，金屬的電阻率與溫度以及組織中雜質、空位、位錯和晶界等缺陷有關。

表2 不同工藝處理前后再生銅桿的導電性能

退火處理后，再生銅桿變形晶粒發(fā)生了回復與再結晶，晶體內的空位和位錯等缺陷大幅下降，對降低電阻率有一定作用；但由于晶粒顯著細化，晶界的增加成為阻礙電子遷移運動的主要因素，因而其導電率相比未處理銅桿略微降低。上述結果表明扭轉變形+退火處理可在基本不影響再生銅桿導電率的基礎上，改善組織中晶粒的均勻性，并大幅度提高斷后伸長率，使再生銅桿的力學性能和導電性能達到較高的水平。

3 結 論

(1) 再生銅桿在連鑄連軋時晶粒細化主要由孿晶主導，顯微組織主要為含有孿晶的多邊形晶粒；經扭轉變形后，晶粒沿切向拉長，孿晶晶粒進一步發(fā)生二次孿晶和晶界交叉，孿晶與位錯等的交互作用最終促使形成尺寸更小的晶粒；經退火處理后再生銅桿變形所存儲的變形能得到釋放，促使形成尺寸更為均勻的等軸晶組織。

(2) 扭轉變形處理使得再生銅桿的強度大幅提升，斷裂方式由未處理的韌性斷裂轉變?yōu)轫g性與沿晶解理混合斷裂；銅桿由圓心向外表面的顯微硬度呈現(xiàn)出逐步升高的規(guī)律，且扭轉剪切面(側面位置)的硬度略微高于截面。

(3) 扭轉變形+退火處理后再生銅桿的導電率與未處理銅桿相比略微降低，由99.37%IACS下降至98.21%IACS，僅下降了1.17%；但斷后伸長率從40%提升至55%，提升約40%，表明扭轉變形+退火處理能夠在不影響導電率的基礎上改善塑性，能夠作為制備高性能再生電工銅桿的中間處理工藝。