軋制壓下量對連擠連軋銅排組織和性能的影響

運新兵,王聰,田甜,趙穎,裴久揚

(大連交通大學連續(xù)擠壓教育部工程研究中心,遼寧大連116028)

軋制壓下量對連擠連軋銅排組織和性能的影響

運新兵,王聰,田甜,趙穎,裴久揚

(大連交通大學連續(xù)擠壓教育部工程研究中心,遼寧大連116028)

目的 連擠連軋是一種帶材生產新技術,它結合連續(xù)擠壓與熱軋工藝的特點,研究軋制壓下量對連擠連軋銅排組織、性能的影響。方法 利用光學顯微鏡、萬能材料實驗機、布氏硬度儀對銅排連擠連軋的組織、性能進行試驗研究。結果 經連續(xù)擠壓的銅排為等軸再結晶組織,平均晶粒尺寸為60μm左右,抗拉強度為220 MPa,延伸率為66%,沿銅排寬度方向的硬度分布不均勻。連擠連軋后的銅排晶粒沿軋制方向被拉長成扁平狀,隨著軋制壓下量的增加,相鄰晶界間距減小,最終形成纖維組織,沿銅排寬度方向的硬度分布較連續(xù)擠壓排坯均勻。當壓下量由2 mm增加到8 mm時,銅排的抗拉強度由250 MPa增加到400 MPa,延伸率由48%降低到13%,硬度由72HB左右增加到119HB。結論 得到了軋制壓下量對連擠連軋銅排組織和性能的影響規(guī)律。

銅排;連擠連軋;軋制壓下量;組織與性能

銅加工業(yè)是我國國民經濟發(fā)展與國防建設的重要支柱產業(yè)之一,當前銅產品向高精度、高表面光潔度、性能高度一致性方向發(fā)展;工藝向節(jié)能、環(huán)保、短流程化方向發(fā)展[1—4]。隨著電子、信息、汽車工業(yè)的發(fā)展,銅及銅合金板帶尤其是高精度銅板帶的需求日益旺盛。高精度銅板帶的關鍵品種為電子材料、接插件、汽車端子、同軸電纜帶、變壓器帶、引線框架用銅板等[5]。

傳統(tǒng)的銅板帶加工方法存在能耗高、含氧量高、材料利用率低以及板形難控制等困擾學術和工程界的問題[6—7]。連續(xù)擠壓因工藝簡單、產品長度不限、生產率高、性能好、尺寸精度高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢,廣泛應用于有色金屬加工。目前銅及銅合金連續(xù)擠壓電磁線、母線到異型材已經發(fā)展得較為成熟[8—10],并可將連續(xù)擠壓的銅板帶坯冷軋制造銅板帶[11],但板帶冷軋過程中因加工硬化需要退火處理,增加了加工成本和能耗。為此,文中提出了一種新的板帶加工方法——連擠連軋技術。連擠連軋技術結合了連續(xù)擠壓以及熱軋工藝的優(yōu)點。連擠連軋是以上引無氧鑄桿為坯料,在冷態(tài)下,經連續(xù)擠壓輪槽對桿坯的摩擦驅動進入模腔產生劇烈的塑性變形,銅在連續(xù)擠壓過程中溫度急劇升高,最高甚至達到800℃左右,隨后完成連續(xù)擠壓熱塑性變形,擠出模具口處的材料帶有余溫,直接利用此余熱進行軋制,實現(xiàn)連擠連軋工藝,其成形原理如圖1所示。連擠連軋工藝無須加熱即可實現(xiàn)連續(xù)熱擠壓和熱軋,與傳統(tǒng)工藝對比具有較大的優(yōu)勢,是一種節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保的有色金屬加工技術,具有廣泛的應用前景。

圖1 連擠連軋工藝原理Fig.1 Principle of continuous extrusion and rolling

2013年大連交通大學開始對純銅連擠連軋工藝的理論進行研究,通過理論計算確定連擠連軋咬入條件,建立了連擠連軋過程的速度協(xié)調方程,并應用DEFORM-3D軟件對連擠連軋過程進行了有限元模擬[12—13]。劉富東針對連擠連軋工藝過程的 TLJ400連續(xù)擠壓機以及與之匹配的軋機速度匹配問題進行控制以及編程,成功解決了連續(xù)擠壓機與軋機的速度匹配[14]。

文中采用金相顯微分析、拉伸實驗和硬度測量,通過實驗研究軋制壓下量對連擠連軋銅排組織、性能的影響規(guī)律,為連擠連軋成形銅排生產實際提供理論指導。

1 實驗

實驗原材料采用TU2純銅上引鑄造桿料,桿坯直徑為φ20 mm。實驗在TLJ400連續(xù)擠壓機和TRZ250熱軋機組成的實驗臺上進行。連續(xù)擠壓出的銅排直接進入軋機,軋制后水冷至室溫。擠壓出的銅排尺寸為80 mm×10 mm,進行軋制壓下量分別為2,4,6,8 mm的軋制實驗。

用線切割機切割制成金相試樣和拉伸試樣,然后進行磨、拋、腐蝕,腐蝕劑為三氯化鐵鹽酸水溶液,用OLYMPUS-BX41M金相顯微鏡對連擠連軋銅排的顯微組織進行觀察;用AG-IC100kN電子萬能高溫材料實驗機測試抗拉強度和延伸率,用EQUOTIP2布氏硬度儀測試硬度。

2 結果及討論

2.1 原材料的顯微組織

圖2 坯料截面顯微組織Fig.2 Microstructure of feedstock

圖2為原材料的顯微組織照片。桿坯采用上引鑄造成形,由于純銅的導熱能力很強,桿坯在整個斷面的冷卻速度較快,且凝固比較均勻,柱狀晶發(fā)達,中心組織為等軸晶,周圍組織為柱狀晶[15],存在縮松、縮孔缺陷。

2.2 經連續(xù)擠壓的銅排顯微組織和性能

圖3所示為經連續(xù)擠壓后銅排坯的顯微組織。從圖3可以看出,連續(xù)擠壓后銅排坯橫向和縱向的晶粒都比較均勻,是典型的等軸晶,并存在部分退火孿晶組織,平均晶粒尺寸為60μm左右。銅排的抗拉強度為220 MPa左右,延伸率達66%。在連續(xù)擠壓過程中,坯料在擠壓輪的摩擦驅動下在腔體入口前產生激烈的塑性變形,在塑性變形熱和摩擦熱的共同作用下使坯料進入模腔時的溫度升高到700℃以上,擠壓過程中銅發(fā)生完全動態(tài)再結晶,因此銅排組織均勻,塑性高。

圖3 連續(xù)擠壓銅排坯顯微組織Fig.3 Microstructure of copper strip by continuous extrusion

銅排坯沿寬度方向的硬度分布如圖4所示。從圖4可以看出,連續(xù)擠壓后的銅排沿寬度的硬度分布不均勻,中間低,邊緣高,最高硬度值為55HB。這是由于連續(xù)擠壓變形過程中,金屬進入擴展腔后產生擴展變形,中間區(qū)域的金屬流動速度快、溫度高,而向邊緣擴展的金屬流速慢、溫度低。

圖4 連續(xù)擠壓銅排硬度分布Fig.4 Hardness distribution of copper strip by continuous extrusion

圖5 連擠連軋銅排的顯微組織Fig.5 Microstructure of copper strip by continuous extrusion and rolling

2.3 軋制壓下量對銅排顯微組織和性能的影響

圖5為4種軋制壓下量時連擠連軋銅排橫向、縱向顯微組織。從圖4可以看出,壓下量從2 mm增加到6 mm時,銅排微觀組織由沿軋制方向被拉長的扁平狀晶粒組成,相鄰晶界間距隨著壓下量增大而顯著減小。當壓下量為8 mm時,沿軋制方向形成纖維組織。

圖5a為軋制壓下量為2 mm的組織,連續(xù)擠壓銅排坯的等軸晶粒沿厚度方向被壓扁,沿軋制方向被拉長,由于變形量小,晶界仍然清晰。由橫向顯微組織可以看到,在大量的尺寸為60μm左右的等軸晶中分布著大量尺寸細小的晶粒,細晶尺寸僅為20μm;而沿縱向晶粒分布較為均勻,晶粒沿厚度方向有被壓扁的趨勢,平均尺寸為60μm左右。

圖5b為壓下量4 mm時的顯微組織。從圖5b可以看出,晶粒沿厚度方向明顯被壓扁,沿軋制方向被拉長,晶粒長度達到120μm。橫向晶粒尺寸不均勻,大晶粒中分布著少量30μm左右的小尺寸晶粒。圖5c為壓下量6 mm時的顯微組織,此時晶粒呈扁條狀,再結晶組織被破壞,50μm左右的晶粒中分布著少量尺寸為20μm左右的小晶粒,晶內出現(xiàn)大量滑移帶。

圖5d為壓下量8 mm時的顯微組織,軋制后銅排厚度僅為2 mm,在低速軋制時溫度降低明顯,此時的加工率達到80%。從圖5可以看出,銅排橫向中大量晶粒破碎,尺寸僅20μm左右,而縱向晶粒取向更加集中,軋制流線明顯,為典型的纖維組織。

圖6、圖7分別為連擠連軋后銅排的抗拉強度和延伸率與軋制壓下量的關系。從圖6和7可以看出,銅排的抗拉強度隨著軋制壓下量的增加而升高。當壓下量從2 mm增加到6 mm時,抗拉強度由250 MPa增加到300 MPa;而當壓下量由6 mm增加到8 mm時,抗拉強度增加了100 MPa,達到400 MPa。

圖6 銅排抗拉強度與壓下量的關系Fig.6 Relationship of tensile strength of copper strip with rolling reduction

圖7 銅排延伸率與壓下量的關系Fig.7 Relationship of elongation of copper strip with rolling reduction

延伸率隨著軋制壓下量增加而降低。壓下量為2 mm時,延伸率為48%,當壓下量增加到8 mm時,延伸率明顯降低,僅為13%。

沿4個不同壓下量的銅排寬度方向均布的12個點測量硬度,結果如圖8所示。從圖8可以看出,連擠連軋后銅排的硬度有所提高,并且沿寬度的分布要均勻些。與連續(xù)擠壓的銅排相比,中心位置與邊緣位置硬度數值更接近。壓下量為8mm的銅排硬度明顯高于其他3個壓下量的銅排,其平均硬度達119HB,而其他3個軋制壓下量的平均硬度都在72HB左右。

圖8 不同壓下量銅排的硬度分布Fig.8 Hardness distribution of copper strip by continuous extrusion and rolling with different rolling reductions

軋制后的銅排力學性能呈現(xiàn)上述特征,是由于壓下量為2 mm到6 mm時,對于層錯能較低的銅,在一定的溫度和變形程度下部分晶粒發(fā)生了動態(tài)再結晶,隨著變形程度增加,強度、硬度增加,塑性降低。而當壓下量為8 mm時,銅排溫度低,單道次加工率達到了80%,變形劇烈,顯微組織中具有較高的位錯密度,位錯邊界形成束狀而不是均勻分布于晶粒中[16],因此此時銅排的抗拉強度、硬度顯著升高,塑性明顯降低。

3 結論

1)經連續(xù)擠壓的銅排坯為等軸的再結晶組織,平均晶粒尺寸為60μm左右,抗拉強度220 MPa,延伸率為66%,沿寬度的硬度分布不均勻,中間低,邊緣高。

2)隨著連擠連軋壓下量的增加,銅排的晶粒逐漸被壓扁,當壓下量為8 mm時,晶粒破碎,沿縱向形成明顯的纖維組織,橫截面晶粒尺寸僅20μm左右。

3)當壓下量由2 mm增加到8 mm時,銅排的抗拉強度由250 MPa增加到400 MPa,延伸率由48%降低到13%,硬度由72HB左右增加到119HB,并且硬度沿銅排寬度分布較連續(xù)擠壓排坯更加均勻。

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Effects of Rolling Reduction on Microstructure and Properties of Copper Strips during Continuous Extrusion and Rolling

YUN Xin-bing,WANG Cong,TIAN Tian,ZHAO Ying,PEI Jiu-yang
(Engineering Research Centre of Continuous Extrusion,Ministry of Education, Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

The aim of this study was to investigate effects of rolling reduction onmicrostructure and properties of copper strips during continuous extrusion and rollingwhich was a new strip production technology combining the features of continuous extrusion and hot rolling.The microstructure and properties of copper strip during continuous extrusion and rolling were investigated by using opticalmicroscopy,universal testingmachine and Brinell hardnessmeasurement.The results indicated that recrystallized grainswere obtained by continuous extrusion,the average grain size,the tensile strength,and elongation were about60μm,220 MPa and 66%respectively,and the hardness distribution along the width of the copper strip was not uniform.The grains were elongated during continuous extrusion and rolling.With the rolling reduction increased,the adjacentgrain boundaries spacing gradually decreased and themicrostructures of copper strip gradually formed fibrous tissues,and hardness distribution became more uniform along the width direction of copper strip.The tensile strength increased from 250 MPa to 400 MPa,the elongation decreased from 48%to 13%and the hardness increased from 72HB to 119HB when the rolling reduction increased from 2 mm to 8mm.The influence pattern of rolling reduction onmi-crostructure and properties of copper strips during continuous extrusion and rolling was obtained.

copper strip;continuous extrusion and rolling;rolling reduction;microstructure and properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2015.04.001

TG376.51

:A

:1674-6457(2015)04-0001-05

2015-05-16

國家自然科學基金(51175055);高等學校博士學科點專項科研基金博導類資助(20132124110003)

運新兵(1969—),男,天津寧河人,教授,博士生導師,主要研究方向為塑性成形CAE、連續(xù)擠壓理論與技術、模具CAD/CAM。