連續擠壓與拉拔對Cu-2Ag-0.04La合金組織及性能的影響

郭 偉,余 琪,2,陳 巖,胡延波,宋鴻武,王松偉,楊國富

(1.江西銅業加工事業部,南昌 330096;2.中南大學機電工程學院,長沙 410083;3.江西銅業技術研究院有限公司,南昌 330096;4.中國科學院金屬研究所,師昌緒先進材料創新中心,沈陽 110016)

0 引 言

銅合金具有良好的力學性能和導電性能,廣泛用于軌道交通、航空航天、電子元器件等領域[1-2]。其中,Cu-Ag合金具有優越的強度和導電匹配性,且銀的添加對銅的塑性影響很小,同時可以提高合金的抗軟化溫度[3-4],因此Cu-Ag合金被認為是生產超微細銅線材最理想的材料。近年來,為了進一步提升合金強度,且控制合金生產成本,把稀土(RE)元素加入到Cu-Ag合金中的研究已逐漸成為熱點。稀土元素在銅合金中具有良好的合金化效果,能明顯改善銅合金的原始組織,進而提高其力學性能;同時稀土元素還可以促進第二相的析出,但會導致合金電導率略有降低[5-6]。HU 等[7-8]開發了一種Cu-Ag-La合金,高含量的鑭(質量分數0.14%和0.15%)與合金中的富銀相結合,形成了尺寸較大(粒徑5～8μm)的富銀相,力學性能相比Cu-Ag合金得到顯著提高。但是,大尺寸高鑭含量的富銀相在銅合金線材的拉拔過程中易與銅基體間產生不均勻變形,導致線材中產生凹槽缺陷[7]。目前,對低鑭含量的Cu-Ag-La合金組織和性能的研究報道較少。

研究[9]表明,采用定向凝固技術制備的柱狀晶組織有效地減少了拉絲斷裂現象,同時該技術縮短了傳統的線材制備時間,降低了生產成本,有望應用于Cu-Ag合金線材的制備。絲狀Cu-Ag合金的力學和導電性能取決于其成分和冷加工程度對組織的影響程度[10-12]。ZHU等[13]通過連續定向凝固和拉拔工藝制備了高強高導Cu-4Ag合金絲,當拉拔應變為11.28時,合金絲的抗拉強度為1 048 MPa,導電率為75.2%IACS。此外,強烈的拉拔應變會誘導合金中產生擇優的拉拔織構,影響合金的性能[14-16]。連續擠壓工藝流程短,不需要外部熱源,在細化晶粒和提高產品力學性能方面有顯著效果。目前用于連續擠壓成形的金屬材料多為Cu-Cr[17]、Cu-Mg[18]合金,但是對Cu-Ag合金的研究較少。研究[19-20]發現,低銀含量的Cu-Ag合金更能達到強度與導電率的良好匹配,并可以通過添加微量稀土元素鑭來改善合金的力學性能。基于此,作者采用下引連鑄定向凝固技術制備了直徑為14 mm 的Cu-2Ag-0.04La合金棒,再經過連續擠壓獲得直徑為7 mm的合金絲,最后經過6道次拉拔工藝獲得直徑為2 mm 的合金線,研究了連續擠壓和拉拔工藝對定向凝固Cu-2Ag-0.04La合金組織和性能的影響,并探究該合金在變形過程中的組織與性能演變。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料包括純度99.9%的電解銅、純度99.999%的電解銀和純度99.99%的稀土鑭。按照Cu-2Ag-0.04La合金的名義成分稱取試驗材料,采用下引連鑄真空感應爐進行熔煉,具體流程如下:將銅放入坩堝中,抽真空,升溫至1 160℃并保溫后,加入純銀及稀土鑭;待合金液升溫至牽引溫度1 180℃后,保溫靜置15 min,然后開始牽引,牽引速度為5 mm·min-1,得到直徑為14 mm 的鑄態Cu-2Ag-0.04La合金棒,實測成分(質量分數/%)為0.035La,1.96 Ag,余Cu。將連續擠壓模具加熱至780℃后嵌入到連續擠壓主機中,將鑄態合金棒矯直后,由送料裝置牽引進入主機擠壓輪槽中,經過連續擠壓獲得直徑為7 mm 的合金絲,擠出絲直接進入冷卻槽水冷,吹干,由收排線機卷取成盤。采用拉絲機設備對連續擠壓態合金絲進行6道次拉拔工序,最后得到直徑為2 mm 的合金線,具體的拉拔工藝如表1所示,其中拉拔應變η的計算公式為

表1 Cu-2Ag-0.04La合金的拉拔工藝Table 1 Drawing process of Cu-2Ag-0.04La alloy

式中:A0和A分別為拉拔試樣的原始橫截面積和最終橫截面積。

在鑄態、連續擠壓態和拉拔態Cu-2Ag-0.04La合金上截取金相試樣,經機械磨拋,用由3.5 g FeCl3、25 mL無水乙醇和75 mL去離子水組成的混合溶液腐蝕后,采用Olympus OLS-5000型激光共聚焦顯微鏡對試樣的橫截面和縱截面顯微組織進行觀察。采用Apreo 2s型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察微觀形貌,并用SEM 附帶的能譜儀(EDS)對第二相成分進行分析。采用D8 ADVANCE-A25型X射線衍射儀(XRD)測定不同鑄態合金的宏觀織構,電流為36 m A,加速電壓為36 k V,掃描范圍為0°～90°。采用Apreo 2s型場發射掃描電子顯微鏡進行電子背散射衍射(EBSD)分析,獲得微觀織構,衍射傾角為70°,加速電壓為20 k V。采集完成后,通過Channel 5軟件分析晶粒尺寸及擇優取向信息。利用AFFRI DM8型維氏硬度計測合金的硬度,載荷為2 N,保載時間為15 s,測6次取平均值。按照GB/T 228-2010,在不同狀態合金上截取拉伸試樣,采用MTS E45.105型萬能試驗機進行室溫拉伸試驗,拉伸速度為2 mm·min-1,測3個試樣取平均值。采用TX-300A型智能金屬導體電阻率儀測合金的導電率,單位用%IACS表示,測3次取平均值。

2 試驗結果與討論

2.1 對顯微組織的影響

由圖1可以看出,通過下引連鑄定向凝固方法制備得到的鑄態Cu-2Ag-0.04La合金組織為與下引方向平行的柱狀晶,柱狀晶的平均寬度為1.12 mm。由圖2可以看出:鑄態Cu-2Ag-0.04La合金橫截面組織以交錯排布的十字狀枝晶為主,縱截面組織以規則排列的長條狀枝晶為主;橫截面初生枝晶長度為76.2μm,枝晶寬度為17.3μm,縱截面初生枝晶寬度為14.5μm,枝晶間距為19.5μm。

圖1 鑄態Cu-2Ag-0.04La合金的橫截面和縱截面宏觀組織Fig.1 Cross section(a)and longitudinal section(b)macrostructure of as-cast Cu-2Ag-0.04La alloy

圖2 鑄態Cu-2Ag-0.04La合金的橫截面和縱截面顯微組織Fig.2 Cross section(a)and longitudinal section(b)microstructure of as-cast of Cu-2Ag-0.04La alloy

由圖3可以看出:連續擠壓態Cu-2Ag-0.04La合金由均勻的等軸組織組成,表明在連續擠壓過程中組織發生了強烈的動態再結晶,多數晶粒取向為<001>;連續擠壓態合金中大部分晶粒尺寸在0～6μm,占比約為66.1%,平均晶粒尺寸約為5.8μm;在拉拔過程中晶粒被拉長,形成纖維狀組織,拉拔態合金中尺寸為0～2μm 的晶粒占比由拉拔前的36.4%增加到72.5%,平均晶粒尺寸約為1.9μm。由此可知,冷加工可細化連續擠壓態Cu-2Ag-0.04La合金的晶粒。

圖3 連續擠壓態和拉拔態Cu-2Ag-0.04La合金的EBSD取向成像圖與晶粒尺寸分布Fig.3 EBSD orientation imaging map(a-b)and grain size distribution(c-d)of Cu-2Ag-0.04La alloy in continuous extrusion state(a,c)and in drawing state(b,d)

由圖4可以看出,鑄態、連續擠壓態和拉拔態Cu-2Ag-0.04La合金均主要由暗色基體和不均勻分布的白色顆粒(圖中箭頭所示位置)組成。通過EDS分析結果可知,暗色基體中的銅、銀、鑭元素質量分數分別為98.8%,1.1%,0.02%,白色顆粒中的銅、銀、鑭元素質量分數分別為25.3%,74.6%,0.01%,說明白色顆粒為富銀相。鑄態組織中初生富銀相近似為球狀,尺寸為1.3～3.2μm;經過連續擠壓后,富銀相主要以球狀為主,部分在連續擠壓過程中破碎,平均尺寸為1.3μm;拉拔后縱截面呈纖維狀,小部分富銀相沿拉拔方向被拉長,大部分富銀相在拉拔過程中破碎,尺寸為0.3～0.8μm,基體中出現許多微孔和溝槽。綜上:用下引連鑄定向凝固法制備的Cu-2Ag-0.04La合金組織為晶界平直的柱狀晶,富銀相為球狀,尺寸較大;經過連續擠壓后,鑄態組織轉變為等軸狀再結晶組織,富銀相細化;再經多道次拉拔后,等軸晶粒被拉長成纖維狀,小部分富銀相沿拉拔方向變形,大部分碎化成小尺寸顆粒。大尺寸的初生富銀相被連續擠壓過程中的剪切應力分解成微尺寸相,且發生變形;在動態再結晶過程中位于晶界上的微尺寸相可在一定程度上抑制晶粒的長大[21],這也是連續擠壓后晶粒尺寸較小的原因之一。在拉拔過程中,大部分的微尺寸相在徑向壓應力下破碎,形成尺寸更小的顆粒;同時在軸向拉應力下部分微尺寸相被截留在晶粒中,沿拉應力方向移動,由于微尺寸相的大小不一,在拉拔過程中與銅基體變形不一致,因此形成了溝槽。

圖4 鑄態、連續擠壓態和拉拔態Cu-2Ag-0.04La合金的橫截面和縱截面SEM 形貌Fig.4 Cross section(a,c,e)and longitudinal section(b,d,f)SEM morphology of Cu-2Ag-0.04La alloy in cast state(a-b),in continuous extrusion state(c-d)and in drawing state(e-f)

2.2 對織構的影響

由圖5可以看出,鑄態Cu-2Ag-0.04La合金以較強的<001>織構為主,連續擠壓態合金保留了較強的<001>織構,且<111>織構開始變強,拉拔態合金的<001>織構變弱,以<111>織構為主。

圖6為不同狀態Cu-2Ag-0.04La合金的取向分布函數(ODF)截面圖。由圖6可以看出:當φ2=45°時,鑄態Cu-2Ag-0.04La合金中存在較強的{001}<100>織構;連續擠壓后,{001}<100>織構減弱,開始形成較弱的{111}<112>和{110}<112>織構;拉拔后,{001}<100>織構基本消失,{111}<112>和{110}<112>織構增強。

圖6 鑄態、連續擠壓態和拉拔態Cu-2Ag-0.04La合金的ODF截面圖Fig.6 ODF cross section images of Cu-2Ag-0.04La alloy in cast state(a),in continuous extrusion state(b)and in drawing state(c)

2.3 對力學性能和導電性的影響

由圖7可知,鑄態合金具有較低的硬化能力和良好的塑性。鑄態Cu-2Ag-0.04La合金的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率分別為188.6 MPa,76.7 MPa和34.6%,導電率和維氏硬度分別為93.8%IACS和72.6 HV。

圖7 鑄態Cu-2Ag-0.04La合金在室溫下的拉伸工程應力-工程應變曲線Fig.7 Tensile engineering stress-engineering strain curve of as-cast Cu-2Ag-0.04La alloy at room temperature

由圖8可以看出:連續擠壓態Cu-2Ag-0.04La合金的抗拉強度與屈服強度分別為270.0,118.2 MPa,斷后伸長率達到31.2%,相比于鑄態合金,抗拉強度與屈服強度分別提高了43.2%和54.1%,斷后伸長率則下降了9.8%;拉拔后,抗拉強度與屈服強度迅速升高,且隨著拉拔道次的增加,即拉拔應變的增加,強度顯著提高,塑性顯著降低。6道次拉拔后合金的抗拉強度與屈服強度分別為566.1,523.1 MPa,斷后伸長率僅為4.6%。由圖9可以看出:連續擠壓態Cu-2Ag-0.04La合金的硬度為84.3 HV,與鑄態合金相比,提高了16.1%;3道次拉拔后硬度迅速提高了69.9%,表現出加工硬化行為,之后隨著拉拔道次的增加,硬度增長趨于緩慢,加工硬化率較低,6道次拉拔后的硬度達到151.6 HV。連續擠壓態Cu-2Ag-0.04La合金的導電率為93.2%IACS,1道次拉拔后的導電率下降至91.5%IACS,拉拔6道次后下降到88.9%IACS。

圖8 拉拔態Cu-2Ag-0.04La合金的拉伸性能隨拉拔道次的變化曲線Fig.8 Tensile properties vs drawing pass curves of Cu-2Ag-0.04La alloy in drawing state

圖9 拉拔態Cu-2Ag-0.04La合金的硬度與導電率隨拉拔道次的變化曲線Fig.9 Hardness and conductivity vs drawing pass curves of Cu-2Ag-0.04La alloy in drawing state

連續擠壓后,Cu-2Ag-0.04La合金晶粒的細化引起抗拉強度的大幅度提升,且塑性變形可以分散在較多的晶粒內進行,因此塑性降低幅度很小。拉拔引起的加工硬化導致拉拔后合金的強度繼續提高[19]。連續擠壓態合金組織為等軸狀組織,但拉拔后為纖維狀組織,因此拉拔態合金的斷后伸長率明顯低于連續擠壓態。經連續擠壓和拉拔后,Cu-2Ag-0.04La合金的富銀相以細小彌散的微粒分布在基體中,阻礙位錯運動,使合金強度提高;但富銀相與基體之間的變形程度不一致導致二者產生機械分割,造成塑性的降低[20]。鑄態Cu-2Ag-0.04La合金具有沿軸向生長的柱狀晶結構,柱狀晶的取向主要是<100>,這歸因于不同取向的晶粒生長速率的差異[22]。隨著連續擠壓和拉拔過程的進行,<100>織構減弱直至消失,<111>織構增強。<100>取向具有較低的變形儲能和加工硬化速率,因此合金具有較低的流變應力和較高的延展性;相反,具有<111>取向的合金變形儲能和加工硬化速率均較高,因此合金的強度升高,但延展性降低[23]。隨著連續擠壓和拉拔變形進行,Cu-2Ag-0.04La合金的基體逐漸纖維化,富銀相破碎,合金界面密度增加,晶界對電子的散射起主導作用,同時富銀相阻礙電子傳輸,導致合金導電率下降。

3 結 論

(1)鑄態Cu-2Ag-0.04La合金經過連續擠壓后,柱狀晶碎化并發生再結晶,形成等軸狀晶粒,經過多道次拉拔后等軸晶粒被拉長成纖維狀。鑄態組織的富銀相為球狀,連續擠壓后富銀相細化,部分變形;經過多道次拉拔后,部分富銀相沿著拉拔方向被拉長,大部分碎化成微尺寸顆粒相。

(2) 鑄態Cu-2Ag-0.04La合金柱狀晶的取向主要是{001}<100>,連續擠壓后{001}<100>織構減弱,并開始形成較弱的{111}<112>和{110}<112>織構,6道次拉拔后,{001}<100>織構基本消失,{111}<112>和{110}<112>織構增強。

(3) 連續擠壓態Cu-2Ag-0.04La合金的抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率、硬度、導電率分別為270.0 MPa,118.2 MPa,31.2%,84.3 HV,93.2%IACS,相比于鑄態合金,抗拉強度、屈服強度、硬度分別提高了43.2%,54.1%,16.1%,斷后伸長率和導電率分別下降了9.8%,0.6%;經過6道次拉拔后,抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率、硬度、導電率分別為566.1 MPa,523.1 MPa,4.6%,151.6 HV,88.9%IACS。