冷軋變形量和退火工藝對高強高彈C5240組織和性能的影響

余輝輝，曾延琦，孫云龍，胡強，鄒晉，劉琦，王超敏

（1. 江西省科學(xué)院應(yīng)用物理研究所，江西 南昌，330096；2. 江西省銅鎢新材料重點實驗室，江西 南昌，330096；3.江西銅業(yè)技術(shù)研究院有限公司，江西 南昌，330096）

1 引言

C5240錫磷青銅（Sn含量大約9%～11%）具有較高的強度和良好的彈性、優(yōu)良的加工性能，可用于彈性接插件、各種端子、彈簧、引線框架和開關(guān)等電連接器件[1,2]。C5240合金相對于C5191和C5210，其含錫量更高，合金的強度和彈性顯著提高。由于該合金結(jié)晶溫度范圍寬，低熔點的Sn和P擴散速度慢，在合金凝固時易出現(xiàn)嚴重的反偏析[3，4],一般認為，反偏析區(qū)域主要由粗大的（α+Cu31Sn8相）共析體和少量的Cu3P相構(gòu)成[5]。對于C5240這一類錫磷青銅，市場上一般對軋制帶材需要量較多，軋制過程中，帶坯的累積殘余應(yīng)力達到材料的斷裂強度時，作為裂紋源的組織缺陷變大而導(dǎo)致報廢。為了擴大C5240帶材的應(yīng)用，故研究冷軋變形量和退火工藝對C5240合金的組織和性能的影響具有重要意義。

2 實驗方法

實驗材料選用質(zhì)量分數(shù)為99.99%的電解銅板、Cu-14P和純錫錠。使用10公斤真空感應(yīng)爐熔鑄，并采用水冷模具澆鑄。使用Spectro火花直讀光譜儀MAX x LMF16分析合金成分，結(jié)果如表1所示，可見鑄坯內(nèi)部不同部位的化學(xué)成分較為均勻，平均Sn和P含量分別為9.717%和0.160%。采用15200帶材棒材一體型軋機進行冷軋變形。采用光學(xué)顯微鏡(型號為DMI5000M)和配備能譜儀（EDS，X-Max20）的掃描電鏡（SEM，EVO18）進行微觀組織分析。維氏硬度測試在數(shù)字式顯微硬度計HXD-1000上進行，室溫拉伸實驗在CMT5205型電子萬能試驗機上進行，每組樣品測試三個樣品，取平均值。電導(dǎo)率測試在FD-102數(shù)字便攜式渦流導(dǎo)電儀上進行。

表1 C5240鑄坯內(nèi)部不同部位的化學(xué)成分(wt%)

3 結(jié)果與討論

3.1 均勻化退火工藝對組織的影響

對鑄態(tài)C5240橫截面組織進行了金相組織和SEM組織觀察，結(jié)果如圖1所示，可見，鑄態(tài)C5240晶粒呈現(xiàn)等軸晶分布，平均晶粒尺寸為160μm，且有尺寸較大的生長孿晶出現(xiàn)。

圖1 鑄態(tài)C5240橫截面組織

由于C5240鑄坯含有較高的Sn含量，容易產(chǎn)生反偏析，在軋制過程中容易造成開裂，故在后續(xù)冷軋前，需進行一定工藝的均勻化退火，以降低反偏析程度。根據(jù)文獻[6]可知，對于錫磷青銅的反偏析相（主要為Cu31Sn8相），需要在650℃左右才能使其溶解，故對原始鑄態(tài)樣品、在600、650以及700℃保溫9h的均勻化樣品分別進行金相組織觀察，其結(jié)果如圖2所示，可見，未均勻化退火試樣和經(jīng)過600℃退火試樣晶粒尺寸未有明顯改變，隨著溫度提升至650℃和700℃，晶粒越來越粗大，值得注意的是，所有試樣都出現(xiàn)明顯的生長孿晶。又由于700℃保溫9h的均勻化樣品的晶粒尺寸較為粗大，故綜合考慮，選用650℃保溫9h的均勻化工藝。

3.2 軋制及退火工藝對組織的影響

對冷軋82.5%變形量的C5240帶材沿著軋制方向（縱截面）取樣，對試樣進行金相及SEM組織觀察，其結(jié)果如圖3a、圖4a和4c所示，可見，粗大的均勻化退火組織（見圖2c）經(jīng)過了大變形量冷軋后，晶粒沿著軋制方向拉長，出現(xiàn)大量的位錯和空位等缺陷。

為探索再結(jié)晶退火工藝對C5240帶材組織的影響，對比研究了C5240帶材在450℃、500℃和550℃+6h下的組織演變，觀察的面同樣是沿著帶材的縱截面，其結(jié)果如圖3所示。可見，硬態(tài)的C5240帶材呈現(xiàn)典型的軋制變形組織，隨著退火溫度從450℃、500℃到550℃變化，組織順序演變?yōu)橥瓿闪嗽俳Y(jié)晶但未長大、再結(jié)晶完成并有一定的長大以及晶粒明顯粗化，并且在不同溫度下退火都有一定量的生長孿晶出現(xiàn)，綜合考慮，500℃+6h為合適的再結(jié)晶中間退火工藝。圖4d也表明，經(jīng)過500℃+6h退火后，帶材的晶粒較為均勻，平均晶粒尺寸為22μm，也出現(xiàn)了一定量的生長孿晶。

3.3 軋制及退火工藝對性能的影響

對冷軋過程中不同道次的帶材沿著軋制方向取樣，測試了相應(yīng)的硬度和電導(dǎo)率，結(jié)果如圖5所示，可見，隨著變形量的增加，硬度增加，而電導(dǎo)率降低，但是電導(dǎo)率的變化不大，表明，位錯密度對電導(dǎo)率的影響不大。

圖2 （a）鑄坯的原始金相組織，（b）600℃+9h，（c）650℃+9h和（d）700℃+9h均勻化退火后的鑄坯金相組織

圖3 C5240帶材在不同溫度下退火的金相組織：（a）軋制硬態(tài)，（b）450℃+6h，（c）500℃+6h，和（d）550℃+6h

表2 硬態(tài)和退火態(tài)C5240帶材的相關(guān)性能

圖4 C5240帶材在軋制硬態(tài)和500℃+6h退火后的金相組織和SEM組織：（a）硬態(tài)金相組織，（b）退火后金相組織，（c）硬態(tài)SEM組織，和（d）退火態(tài)SEM組織

圖5 C5240帶材在不同軋制變形量條件下的（a）硬度和（b）電導(dǎo)率的變化

圖6 硬態(tài)和退火態(tài)C5240帶材拉伸工程應(yīng)力應(yīng)變

圖6展示了硬態(tài)和退火態(tài)C5240帶材拉伸工程應(yīng)力應(yīng)變曲線，具體的結(jié)果見表2。可見，經(jīng)過82.5%冷軋變形量的C5240帶材的屈服強度和抗拉強度分別達到了756和902MPa。含10%Sn的C5240室溫組成相主要為Cu31Sn8(δ相、性質(zhì)硬脆)+Cu3P以及少量的SnO2[7]。本文中，隨著軋制變形量增加至82.5%，帶材中產(chǎn)生了大量的位錯，見圖3a、圖4a和4c，強度的提高主要來源于大量的位錯和Cu31Sn8(δ相、性質(zhì)硬脆)+Cu3P以及少量的SnO2以及位錯和位錯之間的相互交割作用，增加了位錯滑移的阻力，從而大幅的提高了硬度（圖5a）、屈服強度和抗拉強度，見圖6及表2。同時試樣保持了比較高的斷裂延伸率，導(dǎo)電性也達到了9.97%IACS，綜合性能較好。經(jīng)過500℃+6h退火后，帶材的屈服強度和抗拉強度分別降低至161和448MPa，斷裂延伸率大大提高至69.9%，電導(dǎo)率稍微提高至10.51%IACS，表明相對于電導(dǎo)率，位錯密度對于塑性的影響較大。

4 結(jié)語

本文研究了冷軋變形量和退火工藝對高強高彈C5240組織和性能的影響，主要結(jié)果如下：

（1）采用真空熔鑄+水冷模具澆鑄可獲得等軸晶分布的C5240鑄坯，平均晶粒尺寸為160μm，且有尺寸較大的生長孿晶出現(xiàn)，650℃保溫9h為合適的均勻化退火工藝。

（2）經(jīng)均勻化退火的C5240鑄坯可進行82.5%冷軋變形而不開裂，顯示了較好的室溫變形加工性能。經(jīng)過了82.5%大變形量冷軋后，晶粒沿著軋制方向拉長，出現(xiàn)大量的位錯和空位等缺陷。經(jīng)過500℃+6h退火后，帶材的晶粒較為均勻，也出現(xiàn)了一定量的生長孿晶，500℃+6h為合適的再結(jié)晶退火工藝。

（3）隨變形量增加至82.5%，硬度提高至282Hv，屈服強度和抗拉強度分別達到了756和902MPa，斷裂延伸率5.3%，而電導(dǎo)率略有降低至9.97%IACS，綜合性能較好，表明位錯密度對電導(dǎo)率的影響不大。強度的提高主要來源于大量的位錯和Cu31Sn8+Cu3P以及少量的SnO2相以及位錯和位錯之間的相互交割作用，增加了位錯滑移的阻力。經(jīng)過500℃+6h退火后，帶材的屈服強度和抗拉強度分別降低至161和448MPa，斷裂延伸率大大提高至69.9%，電導(dǎo)率稍微提高至10.51%IACS，表明相對于電導(dǎo)率，位錯密度對于塑性的影響較大。