H68黃銅形變再結晶溫度及晶粒尺寸變化的研究

唐志君，王 晨，劉克昌，邢若宇

（北京科大分析檢驗中心有限公司，北京 100083）

1 研究背景

金屬材料的形變再結晶是金屬學里面的一個重要研究部分。近幾年，一些由于材料失效導致的工程事故也大都與材料的形變再結晶有很大關系。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晶作出全面分析研究；而對有色金屬的相關研究卻乏善可陳。

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行對比，推測其性能特點以指導實際生產[1]。

H68黃銅有較為良好的塑性（明顯優于其它黃銅）和較高的強度，在成型性能方面也有較大的優勢。這些優勢使H68黃銅成為普通黃銅中應用最為廣泛的一個品種。用于復雜的冷沖件和深沖件，如散熱器外殼、導管、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晶方面的特征進行研究，希望能獲得較為合適的形變方法和再結晶溫度，供企業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GB/T 5231-2012的要求，H68黃銅的化學成分：Cu：67.0-70.0%，Fe：0.10%，Pb：0.03%，余量為Zn，雜質總和不超過0.3%。一般情況下的H68黃銅供貨態為硬態，大都是已經通過軋制成型的板材。硬態的H68黃銅有明顯的脆性，無法直接進行變形加工。

供貨態黃銅大都是硬態，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行變形時，使用電子萬能試驗機壓縮黃銅樣品，速率設定為5mm/min，結果樣品出現突發性的開裂，開裂方向與壓縮方向呈45°，斷口光滑。在進行軋制的時候，直接對供貨態的H68黃銅冷軋也會導致其崩碎。由此可見，硬態的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；萬能試驗機的壓縮功能對于工業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；壓縮容易導致表面晶粒與中心晶粒出現形變差異，不利于后續的再結晶；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黃銅在實際生產中的形變。因為軋制可以保證晶粒細化且變形更加均勻。為了模擬實際生產中可能存在的大變形量，本研究的最終變形量定為60%。硬態黃銅原料無法冷軋，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行軋制；每道次壓下率控制在3%～5%，過程中監測樣品表面溫度，保證每道次軋制后樣品溫度在200℃以上。最終下壓量達60%后，空冷至室溫。

3 形變及再結晶樣品金相組織

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，之后使用拋光機加入2.5μm金剛石拋光膏對其表面進行拋光至鏡面；拋光后使用氯化鐵鹽酸溶液浸蝕。后續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晶情況

部分研究表明，300℃以下的溫度不能使大多數黃銅產生再結晶，但有部分研究稱270℃會使部分牌號的黃銅出現再結晶現象。

根據以上資料，本研究對形變后的H68黃銅板進行取樣，并擬定270℃、350℃、550℃和750℃四個溫度為回火溫度；為保證樣品再結晶程度易于觀察，保溫時間定為1h?；鼗鹜瓿珊蟮腍68黃銅再結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黃銅產生再結晶。而350℃保溫1h后，H68黃銅形變樣品出現了明顯的組織變化：大多數晶粒的變形特征均被消除，組織均勻；再結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550℃保溫1h后，形變后的H68黃銅樣品出現了明顯的再結晶且晶粒已經長大（如圖3左）。變形晶粒已完全消除，再結晶晶粒有明顯孿晶特征。而經過750℃保溫1h后，形變的H68黃銅已完成了再結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 再結晶后的晶粒度檢測及性能預測

為評估不同溫度下再結晶后的H68黃銅的性能，本研究對上述的樣品進行了晶粒度測評。晶粒度評級方法選用GB/T 6394-2017規定的單圓截點法，每個樣品測量五次后計算95%置信區間并判斷相對誤差（不超過10%視為結果有效）。形變樣品及270℃回火樣品晶粒變形較嚴重，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350℃～750℃回火后的晶粒度評級

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

4 結論

根據以上研究，我們可得到以下結論：首先，常見的H68黃銅供貨態大都為硬態，在形變加工前需要進行適當的熱處理或選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黃銅發生再結晶。350℃保溫1h后，形變后的H68黃銅出現了明顯的再結晶現象，再結晶后的組織均勻，無明顯的孿晶組織，晶粒尺寸較細小。

第三，溫度對于形變后的H68黃銅再結晶晶粒尺寸有明顯的正相關關系。形變后的H68黃銅經過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。

以上結論在實際生產中可以提出以下建議：供貨態H68黃銅在加工時一定要適當加熱或熱處理后加工，推薦溫度為200℃～250℃。350℃再結晶后的H68黃銅金相組織均勻，晶粒尺寸較小；推薦使用該溫度對加工成型的H68黃銅產品進行熱處理，以獲得較好的綜合性能。