銅合金冷拉拔工藝及其影響

閆 晨，李俊岳，胡 亮，徐印輝

（1.江東合金技術(shù)有限公司，江蘇 南通 226000；2.南京工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211167；3.江蘇省先進結(jié)構(gòu)材料與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室，江蘇 南京 211167）

1 拉拔工藝及其特點

拉拔加工是管、棒、線型的主要生產(chǎn)方法，通過拉力作用于金屬材料的前端，使金屬材料在拉力作用下從具有模孔小于材料斷面面積的模具中被逐漸拉出，從而獲得生產(chǎn)加工所需要的尺寸，這種塑性加工的方法便被稱為拉拔。拉拔分為冷拉拔（以下簡稱“冷拔”）和溫拔[1]，冷拔加工一般都在室溫下進行，本實驗選用的實驗材料銅絲便是采用冷拔的加工方法，但對于某些合金鋼和鎂、鋅這些在室溫下強度較高但塑性較差的金屬材料，則應(yīng)采用溫拔的加工方法。

在金屬材料拉拔加工過程中，拉拔工藝具有以下特點[2-5]：

（1）拉拔制品的加工尺寸精確，并且表面質(zhì)量較高。由于銅絲強度不足，且耐熱性能較差，所以拉拔一般在室溫條件下進行，即采用冷拔。經(jīng)冷拉拔后的銅制品具有較高的尺寸精度，因此使用冷拉拔工藝可以減少銅制品在機械加工時的加工余量，從而節(jié)約材料。

（2）金屬材料拉拔加工的設(shè)備操作十分簡單，實驗所用銅絲冷拔工藝在萬能拉伸機上進行，用石墨機油潤滑和氮氣保護，并且通過更換不同尺寸模孔的模具即可生產(chǎn)出多種規(guī)格的銅線材制品，并且設(shè)備維修方便，所需成本也較低。

（3）拉拔工藝主要適用于生產(chǎn)細長的金屬線材制品，這些制品一般斷面尺寸很小而長，因此采用拉拔工藝制品的生產(chǎn)率較高。

（4）金屬材料在拉拔過程中隨著變形量的增加，其強度會有所提高，這種強度隨變形量增加而增大的現(xiàn)象即為加工硬化。因此銅絲制品在冷拉拔過程中隨著冷拉拔的程度加大，塑性變形量逐漸增加，其強度也隨之增大。因此，拉拔工藝可以解決金屬制品強度不足的問題，從而改善其力學(xué)性能。

2 銅合金冷拔初始工藝流程

銅合金冷拉拔初始工藝過程如下流程圖1所示。先將銅桿通過機械加工成實驗樣品，經(jīng)第一次退火后進行表面預(yù)處理，使實驗樣品表面光潔以便于后續(xù)的冷拉拔實驗加工。

將冷拉拔制品進行擴散退火的熱處理工藝，目的在于消除鑄件凝固過程中各元素引起的成分偏析，并且細化晶粒使組織均勻化。

圖1 初始工藝流程圖

3 銅合金冷拔實驗儀器及主要工藝參數(shù)

（1）萬能拉伸機：拉拔實驗在萬能拉伸機上進行，在拉拔過程中，由于實驗材料表面與拉伸磨具的接觸面之間存在一定的摩擦力，所以拉拔過程中應(yīng)采用石墨機油潤滑，氮氣保護，從而更容易實現(xiàn)拉拔。

（2）中溫井式電阻爐：對于銅桿這類細長工件擴散退火的熱處理一般多選擇在中溫井式電阻爐中進行，因為在井式電阻爐中能夠保持工件原有形狀，減少變形。并且與箱式爐相比，井式電阻爐更適用于表面質(zhì)量要求較高的制品，但是裝爐量較少，生產(chǎn)效率不高。

（3）金屬表面清刷機：樣品經(jīng)第一次退火后進行表面預(yù)處理，用濃度為10%～15%的硫酸溶液浸洗5分鐘左右后清水沖洗，再用丙酮清洗，將樣品表面吹干后用清刷機除去樣品表面的氧化膜層。

（4）拉拔速度及樣品變形量選擇：本實驗所選取的拉拔速度及樣品變形量的確定如表1所示。

表1 不同變形量下的拉拔速度

4 結(jié)果與討論

4.1 銅合金冷拔過程中的組織變化規(guī)律

圖2為銅合金不同工藝冷拔后的組織變化圖，可以明顯觀察到，拉拔過程中晶粒被明顯拉長變形并有部分破碎，呈現(xiàn)出不均勻性。其原因在于經(jīng)退火工藝后的純銅試樣內(nèi)部晶粒的位向是各不相同的，所以各晶粒的受力方向和大小也就不同，位向與拉拔方向一致的晶粒會首先進行滑移發(fā)生變形。因此可以說明晶粒的變形不是同時進行的，這就造成了拉拔過程中出現(xiàn)的晶粒不均勻性。變形量為39%時，晶粒中已經(jīng)可以明顯地觀察到纖維條紋的出現(xiàn)，晶界與其他試樣相比也已經(jīng)模糊不清，甚至部分晶粒已經(jīng)發(fā)生了破碎，沿著冷拔方向逐漸釬維化。

4.2 銅合金冷拔過程中的拉拔力變化規(guī)律

圖3為拉拔力隨變形量的變化曲線，由圖3可以明顯地看出，當(dāng)變形量一定，將拉拔速度由0.3mm/s增加到2.2mm/s時，所需的拉拔力呈現(xiàn)出先增加后略有下降，而后又逐漸增大的趨勢。這是因為在拉拔過程中拉拔速度的增加而提高了樣品表面的溫度，由于溫度效應(yīng)的存在所以導(dǎo)致樣品的位錯密度減小，運動受阻減小，所需的拉拔力也有略有下降。隨后所需拉拔力增加是因為應(yīng)變速率的影響要大于溫度效應(yīng)帶來的影響，導(dǎo)致拉拔力又逐漸增加。在同一拉拔速度下，隨著拉拔變形量的增加，所需的拉拔力也呈不斷增加的趨勢。但是拉拔力不應(yīng)大于材料抗拉強度的90%，否則當(dāng)拉拔應(yīng)力大于材料的抗拉強度時，會導(dǎo)致材料的斷裂[6]。

圖3 拉拔力隨變形量的變化曲線

5 拉拔工藝過程中的注意事項

圖2 銅合金不同工藝冷拔后的組織（a：1#；b：2#；c：3#；d：4#）

在試驗樣品進行冷拉拔工藝過程中，會存在許多影響因素對拉拔制品的質(zhì)量產(chǎn)生影響，因此在實驗過程中應(yīng)注意以下事項[7]：

（1）不同的金屬應(yīng)選用不同的拉拔方法。金屬絲制品最普遍的拉拔方法一般采用冷拔，但也有部分金屬宜采用溫拔或熱拔工藝，例如鎢、鎂、鋅等這些金屬，其金屬絲在進行拉拔加工前需要先進行加熱到指定溫度后才可以進入模孔。

（2）拉拔過程中應(yīng)根據(jù)試驗樣品不同的變形量選用合適的拉拔速度和拉拔應(yīng)力，避免樣品在拉拔過程中出現(xiàn)斷裂的情況。拉拔應(yīng)力與試驗樣品的變形應(yīng)變量成正比關(guān)系，隨著樣品的應(yīng)變量逐漸增大，拉拔應(yīng)力也應(yīng)隨之增大。

（3）在拉拔過程中，由于金屬材料表面與拉拔模具的接觸面間存在著一定的摩擦力，這就需要在拉拔過程中加入合適的潤滑劑來減小拉拔過程中產(chǎn)生的摩擦力。因此在銅絲拉拔過程中，加入潤滑劑可以在銅制品表面形成一層油膜，其作用在于既能加快制品拉拔速度，又能有效地減小制品表面與模具接觸面之間的摩擦力，從減小拉拔過程中的由摩擦引起的損耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

拉拔油作為拉拔工藝中常用的潤滑劑，其選用也十分重要。拉拔油一般分為高、中，低三種粘度。本實驗選用的是石墨機油這種中粘度拉拔油，原因在于其粘度適中，潤滑效果較好，并且油膜成形力強，熱穩(wěn)定性較高，在拉拔過程中能夠有效地保護銅絲制品和拉拔模具，減少摩擦損耗，從而提高最終制品的表面質(zhì)量。

6 冷拉拔加工對銅及銅合金的影響

工業(yè)生產(chǎn)中，銅及銅合金的冷加工硬化現(xiàn)象是非常明顯的。一般情況下，隨著拉拔道次的增加和拉拔變形量的增大，銅及銅合金的硬度和力學(xué)性能指標也會逐漸提高，但是其延伸率和斷面收縮率則會逐漸下降[8,9]。

在冷拉拔加工過程中，銅制品表面組織的晶界會遭到嚴重破壞。并且伴隨著各種強化相的出現(xiàn)[10]，銅制品在大加工率的生產(chǎn)情況下容易出現(xiàn)開裂或斷裂的現(xiàn)象。雖然銅制品已經(jīng)經(jīng)過冷拉拔加工，但在拉伸斷裂時其斷裂性質(zhì)仍然還是韌性斷裂。這表明在冷拉拔過程中銅制品的粉末顆粒之間已經(jīng)形成了相當(dāng)充分的粉末冶金化結(jié)合，從而也說明了冷拉拔加工對于銅制品粉末顆粒間的冶金化結(jié)合是有促進作用的。