不同熱處理工藝對T2銅顯微組織和力學性能的影響分析

王思琦，陳元園，馮慶，韓坤炎，沈楚

1.西安泰金新能科技股份有限公司 陜西西安 710201

2.西北有色金屬研究院 陜西西安 710201

1 序言

銅具有優良的綜合性能，已經被廣泛應用于電器、電子、交通和機械等設備，其中T2銅是陰極重熔銅，含微量氧和雜質，具有高的導電、導熱性，良好的耐蝕性和加工性能，可以熔焊和釬焊。主要用作導電、導熱和耐腐蝕元器件，如電線、電纜、導電螺釘、殼體和各種導管等[1-3]。同時T2銅還經常被用于鋼-銅復合板，即以鋼為基體金屬、銅作為復合材料冷軋而成，可進行單面或雙面復合軋制。但是，T2銅在使用過程中容易出現帶狀組織等缺陷，這是因為退火工藝不合格使得晶粒粗大且伸長率差。不同的熱處理參數對T2銅的顯微組織和力學性能影響很大，因此本文采用3種退火工藝對T2銅顯微組織和力學性能進行改善，發現當550℃/30min/空冷時，T2銅的晶粒細小且伸長率能達到58%，是最佳的熱處理工藝。

2 試驗與檢測

2.1 試驗材料

試驗所用材料為工業軋制純銅（T2），軋制厚度為6mm，其化學成分見表1。為研究退火溫度對顯微組織、導電性和力學性能的影響，先用線切割在冷軋板上切出30mm×30mm×6mm的方塊板料。本文設計了3種退火處理方案，熱處理工藝分別為：①550℃/30min/空冷。②600℃/30min/空冷。③650℃/30 min/空冷。

表1 T2銅的化學成分（質量分數） （%）

2.2 金相組織觀察

試樣經過240目、600目、1200目及2000目砂紙打磨處理和機械拋光后，金相腐蝕液為HNO3溶液腐蝕樣品（時間為10s），利用OLYMPUS PMG3倒置式金相顯微鏡觀察微觀組織形貌，利用Nano Measurer 1.2軟件對晶粒尺寸進行統計。

2.3 硬度檢測

采用上海敏新檢測儀儀器有限公司生產的M H V-50顯微維氏硬度計對樣品進行硬度檢測。檢測前，對檢測面（30mm×30mm）進行240目、600目、1200目及2000目砂紙打磨和拋光處理，選取每個試樣中心作為參考坐標原點，在此進行3mm×3mm陣列的取點檢測，顯微硬度檢測參數為：載荷0.1kf（0.98N），保壓時間10s。

2.4 電導率測試

對試樣經過240目、600目、1200目及2000目砂紙打磨處理和機械拋光后，利用Sigma Scope Smp350渦流金屬電導儀對銅進行電導率測試，測量5次取平均值作為該位置電導率。

2.5 拉伸試驗

拉伸試驗按GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》規定執行，試樣結構尺寸如圖1所示。試樣的承載方向平行于棒材的擠壓方向。拉伸試驗設備采用美特斯工業系統（中國）有限公司生產的E45.305微機控制電子萬能試驗機，試驗溫度為室溫，拉伸速率為2mm/min。

圖1 拉伸試樣結構尺寸

2.6 電鏡測試

利用日本電子株式會社生產的JSM-IT200SEM掃描電鏡對拉伸樣斷口進行拍照。

3 結果與分析

3.1 熱處理溫度對T2銅顯微組織和硬度的影響

圖2a～c所示分別為經過550℃/30min/空冷、600℃/30min/空冷、650℃/30min/空冷后T2銅的顯微組織。從圖2a～c可看出，退火后的顯微組織中存在等軸晶和孿晶，這是因為由于銅為面心立方晶系，加工退火后易產生孿晶，故其組織為等軸晶，伴有相當數量的孿晶，并存在明顯的位向差。

圖2 不同熱處理后T2銅的顯微組織

圖3、圖4 所示分別為不同退火熱處理后銅的晶粒尺寸和顯微硬度。從圖3、圖4可看出，經過550℃/30m i n/空冷、600℃/30m i n/空冷、650℃/30min/空冷熱處理后，銅的晶粒尺寸分別為18μm、42μm、82μm，硬度分別為78HV、72HV、68HV。隨著熱處理溫度升高，銅晶粒增大，但是硬度則降低，這是因為晶粒尺寸越大，細晶強化效果越差[3-5]。

圖3 不同熱處理后T2銅的晶粒尺寸

圖4 不同熱處理后T2銅的顯微硬度

3.2 熱處理溫度對T2銅導電率影響

圖5所示為在550℃/30min/空冷、600℃/30min/空冷、650℃/30min/空冷后銅的電導率。從圖5可看出，隨著溫度升高，銅的電導率有所增加，這是因為晶粒粗化使得電子沿晶界遷移能力變強[6-9]，電導率升高。

圖5 不同熱處理后T2銅電導率

3.3 拉伸試驗

拉伸試驗后，不同熱處理試樣形貌如圖6所示，不同熱處理后T2銅拉伸試樣斷口形貌如圖7所示，拉伸試驗結果見表2。

圖6 不同熱處理后T2銅的拉伸試樣

圖7 不同熱處理后T2銅試樣的斷口形貌

表2 拉伸試驗結果

從圖7和表2可看出，經過550℃/30min/空冷、600℃/30min/空冷、650℃/30min/空冷熱處理后，T2銅的抗拉強度和屈服強度基本一致。隨著熱處理溫度升高，斷后伸長率和斷后收縮率逐漸降低，這是因為550℃/30min/空冷熱處理后銅的晶粒變小[8-10]，所以韌性升高。

4 結束語

通過對不同溫度熱處理的T2銅進行顯微組織和性能檢測，得出以下結論。

1）經過550℃/30min/空冷、600℃/30min/空冷、650℃/30min/空冷后，銅的晶粒尺寸分別為18μm、42μm、82μm，硬度分別為78HV、72HV、68HV。

2）經過550℃/30m i n/空冷、600℃/30m i n/空冷、650℃/30min/空冷后，銅的電導率分別為96.21%IACS、99.93%IACS、100.22%IACS。

3）經過550℃/30min/空冷、600℃/30min/空冷、650℃/30min/空冷后，T2銅的抗拉強度和屈服強度基本一致，斷后伸長率和斷后收縮率逐漸降低。