(一)銅和加工銅合金的退火
1.再結(jié)晶退火
加工硬化可以提高銅和銅合金的強(qiáng)度和硬度，但也降低了材料的塑性和韌性。冷加工(冷軋、冷沖或冷拔)后的型材(線材、棒材、板材)再作進(jìn)一步冷變形時(shí)將成為困難。所以，材料冷軋或冷拔的過程中，一道與一道之間須進(jìn)行再結(jié)晶退火，恢復(fù)其塑性，以便于冷加工，此類再結(jié)晶退火為中間(再結(jié)晶)退火。
為了改善材料的組織，且使材料均勻化，以滿足使用條件的要求，成品最終要進(jìn)行一次再結(jié)晶退火，即為最終再結(jié)晶退火。
通常中間退火時(shí)，采取快速升溫，裝爐量大，溫度取上限.從而提高再結(jié)晶溫度，細(xì)化晶粒，縮短加熱時(shí)間，減少氧化，提高生產(chǎn)率；最終退火，緩慢升溫，控制裝爐量，溫度取下限，特別是薄壁零件，以保證產(chǎn)品性能均勻。溫度控制在±5℃之內(nèi)，退火保溫時(shí)黃銅為1.5～3h，錫青銅、鋁青銅、鈹青銅為1～3h。純銅的再結(jié)晶退火工藝見表9.2-1，加工銅合金再結(jié)晶退火工藝見表9.2-2，對(duì)于能熱處理強(qiáng)化的銅合金，中間退火后必須緩冷，其他銅合金冷卻速度對(duì)性能影響不大。中間退火的溫度與預(yù)先的冷變形程度、金屬的成分、加熱速度、原始晶粒尺寸等有關(guān)。加熱溫度且在再結(jié)晶溫度以上，溫度太低再結(jié)晶不完全，但太高又會(huì)使晶粒粗大，使下一道冷加工時(shí)，材料表面出現(xiàn)“桔皮”狀，這是十分有害的，尤其在單相材料中。在成形加工量小時(shí)，宜采用晶粒細(xì)小的坯料，當(dāng)成形加工量大時(shí)，宜采用晶粒粗大的坯料。銅合金再結(jié)晶后的力學(xué)性能不僅與其成分有關(guān)，還與退火溫度及退火前的冷加工量有關(guān)，表9.2-3顯示了黃銅帶材的制造過程與力學(xué)性能的關(guān)系。
2.去應(yīng)力退火
其作用是去除鑄件、焊接件及冷成形件的內(nèi)應(yīng)力，以防止零件變形與開裂，也能提高抗蝕性(因零件存在拉應(yīng)力時(shí)，在腐蝕介質(zhì)中，極易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕)。去應(yīng)力退火也能提高冷成形黃銅、鋅白銅、磷青銅的彈性和強(qiáng)度。一般合金去應(yīng)力退火保溫時(shí)間為1～3h，鈹青銅為15～20min，去應(yīng)力退火溫度見表9.2-2。
3.一般銅合金彈性材料的強(qiáng)化和熱處理
有些銅合金通過冷塑性變形加低溫退火來提高其彈性極限，制作彈性元件。冷塑性變形度愈大，低溫退火后的彈性極限提高愈多。一般銅合金彈性材料獲得最好的彈性極限及其應(yīng)力松弛的低溫退火規(guī)范見表9.2-4。
表9.2-1純銅再結(jié)晶的退火溫度及保溫時(shí)間
產(chǎn)品 | 代 號(hào) | 退火溫度/℃ | 保溫時(shí)間 | 直徑或厚度 |
管材 | T2、T3、T4、 | 450～520 | 40～50 | ≤1.0 |
棒材 | T2、TU1、TUP | 550～620 | 60～67 | — |
帶材 | T2 | 290～340 | — | ≤0.09 |
線材 | T2、T3、T4 | 410～430 | — | 0.3～0.8 |
表9.2-2加工銅合金去應(yīng)力退火溫度及再結(jié)晶退火工藝
牌 號(hào) | 去應(yīng)力退火 | 下列厚度再結(jié)晶退火溫度/℃ | |||
>5mm | 1～5 mm | 0.5～1 mm | <0.5mm | ||
H96 | 200 | 560～600 | 540～580 | 500～540 | 450～550 |
H90 | 200 | 650～720 | 620～680 | 560～620 | 450～560 |
H85 | 160～220 | — | — | — | — |
H80 | 260 | 650～700 | 580～650 | 540～600 | 500～560 |
H70 | 260～270 | 600～650 | 580～620 | 540～580 | 520～550 |
H68 | 260～270 | 580～650 | 540～600 | 500～560 | 440～500 |
H62 | 270～300 | 650～700 | 600～660 | 520～600 | 460～530 |
H59 | 200～300 | 650～700 | 600～660 | 520～600 | 460～530 |
HSn90-1 | 200～350 | 650～720 | 620～680 | 560～620 | 450～560 |
HSn62-1 | 350～370 | 600～650 | 550～630 | 520～580 | 500～550 |
HSn60-1 | 350～370 | 600～650 | 550～630 | 520～580 | 500～550 |
HPb63-3 | 200～350 | 600～650 | 540～620 | 520～600 | 480～540 |
HPb59-1 | 285 | 600～650 | 580～630 | 550～600 | 480～550 |
HA160-1-1 | 300～350 | — | — | — | — |
HA159-3-2 | 350～400 | 600～650 | 550～620 | 540～580 | 450～500 |
HMn58-2 | 250～350 | 600～660 | 580～640 | 550～600 | 500～550 |
HMn57-3-1 | 200～350 | — | — | — | — |
HFe59-1-1 | 200～350 | 600～650 | 520～620 | 450～550 | 420～480 |
HNi65-5 | 300～400 | 620～680 | 610～660 | 590～630 | 570～610 |
QSn4-3 | 200～250 | 600～650 | 580～630 | 500～600 | 460～500 |
QSn4-4-2.5 | 200～250 | 580～650 | 550～620 | 520～680 | 450～520 |
QSn4-4-4 | 200～250 | 590～610 | 540～580 | 510～560 | 440～490 |
QSn6.5-0. 1 | 180～250 | 600～660 | 580～620 | 520～580 | 470～530 |
QSn6.5-0.4 | 200～250 | 600～660 | 580～620 | 520～580 | 470～530 |
QSn7-0.2 | 200～250 | 620～680 | 600～650 | 530～620 | 500～580 |
QSn4-0.3 | 200～250 | 600～650 | 570～610 | 500～560 | 450～500 |
QA15 | 200～250 | 700～750 | 650～720 | 620～680 | 550～620 |
QA17 | 275～300 | 700～750 | 650～720 | 620～680 | 550～620 |
QA19-2 | 275～300 | 680～740 | 650～700 | 600～650 | 550～620 |
QA19-4 | 275～300 | 680～740 | 650～700 | 600～650 | 550～620 |
QA110-3-1.5 | 275～300 | 650～750 | 630～700 | 600～680 | 550～620 |
QA110-4-4 | 275～300 | 650～750 | 620～700 | 600～650 | 550～610 |
QA111-6-6 | 275～300 | 700～750 | 650～720 | 620～670 | 550～620 |
QCd1.0 | 280～320 | 680～750 | 570～590 | 560～580 | 540～560 |
QBe2 | 150～200 | — | 670～720 | 650～700 | 640～680 |
QBe1.7 | 150～200 | 680～750 | 670～720 | 670～720 | 640～680 |
QBe1.9 | 150～200 | 680～750 | 670～720 | 670～720 | 640～680 |
QSi1-3 | 280 | 650～700 | 600～650 | 500～600 | 480～520 |
QSi3-1 | 290 | 650～700 | 600～650 | 500～600 | 480～520 |
QMn1.5 | — | 650～700 | 600～650 | 500～600 | 480～520 |
QMn5 | — | 650～700 | 600～650 | 500～600 | 480～520 |
QMg0.8 | 280～320 | 600～660 | 570～590 | 560～580 | 540～560 |
QCr0.5 | — | 80～620 | 570～600 | 530～580 | 500～550 |
B19 | 250 | 750～780 | 700～750 | 620～700 | 530～620 |
B25 | — | 750～780 | 700～750 | 620～700 | 530～620 |
BZn15-20 | 250 | 700～750 | 680～730 | 600～700 | 520～600 |
BA16-1. 5 | — | 700～750 | 700～730 | 580～700 | 550～600 |
BA113-3 | — | 700～750 | 700～730 | 580～700 | 550～600 |
BMn40-1. 5 | — | 800～850 | 750～800 | 600～750 | 550～600 |
BMn3-12 | 250～375 | 700～750 | 680～730 | 600～700 | 520～600 |
表9.2-3黃銅帶材的制造過程與力學(xué)性能的關(guān)系
性 能 | 抗拉強(qiáng)度 | 延伸率 | 晶粒尺寸 | 制耳高度 | 極限拉 | |||
H70 | 15% | 400 | 360 | 57 | 0.04 | 0.2 | 0.45 | |
550 | 320 | 73 | 0.05 | 0. 3 | 0.40 | |||
700 | 300 | 76 | 0.07 | 0.5 | 0.45 | |||
75% | 400 | 400 | 49 | 0.02 | 0.5 | 0.49 | ||
550 | 330 | 70 | 0.04 | 0.5 | 0.44 | |||
700 | 300 | 65 | 0.08 | 1.2 | 0.45 | |||
H65 | 15% | 400 | 340 | 62 | 0.06 | 1.0 | 0.45 | |
550 | 320 | 74 | 0.06 | 0.3 | 0.42 | |||
700 | 280 | 70 | 0.08 | 0.3 | 0.44 | |||
75% | 400 | 470 | 53 | 0.03 | 0.5 | 0. 44 | ||
550 | 320 | 69 | 0.04 | 0. 5 | 0.45 | |||
700 | 290 | 72 | 0.09 | 2.0 | 0. 45 | |||
H60 | 15% | 400 | 400 | 45 | 0.03 | 1. 5 | 0. 50 | |
550 | 370 | 52 | 0.03 | 1.2 | 0. 46 | |||
700 | 360 | 52 | 0.05 | 2.0 | 0.46 | |||
75% | 400 | 450 | 40 | 0.02 | 1.5 | 0.46 | ||
550 | 380 | 52 | 0.03 | 1. 2 | 0.46 | |||
700 | 380 | 53 | 0.04 | 1.2 | 0.47 | |||
注：1.15%加工：0.94mm，退火→15%冷軋→0.8mm，退火。
2.75%加工：3.2mm，退火→75%冷軋→0.8mm，退火。
3.制耳高度用外徑25mm的坯料深沖成外徑45mm樣品的制耳的峰谷之差表示，在軋制方向成45°角的方向上生出4個(gè)耳子峰，d1＝20.6mm。
4.冷加工后退火保溫為1h。
表9.2-4一般銅合金彈性材料最佳退火規(guī)范及性能
合金代號(hào) | 最佳退火規(guī)范 | 彈性極限/MPa | 硬度 | 電阻率ρ/ | ||
σ0.002 | σ0.005 | σ0.01 | ||||
QSn4-3 | 150℃，30 min | 454 | 521 | 581 | 218 | 0.080 2 |
QSn6.5-0.1 | 150℃，30 min | 479 | 539 | 584 | — | — |
QSi3-1 | 275℃，1h | 484 | 554 | 619 | 210 | 0.262 |
QA17 | 275℃，30 min | 617 | 711 | 774 | 270 | 0.115 |
H68 | 200℃，1h | 443 | 509 | 569 | 190 | 0.086 |
H80 | 200℃，1h | 382 | 466 | 527 | 170 | 0.0567 |
H85 | 200℃，30 min | 342 | 397 | 445 | 155 | 0.048 6 |
BZn15-20 | 300℃，4 h | 537 | 602 | 550 | 230 | 0.256 |
(二)加工銅合金的強(qiáng)化熱處理
1.加工硬化
有些銅合金無法通過熱處理進(jìn)行強(qiáng)化，如黃銅、錫青銅、含鋁量小于9%的鋁青銅、錳青銅、鉻青銅、白銅及錳白銅等，它們只能加工硬化。
2.淬火加回火強(qiáng)化銅合金
有一類銅合金通過淬火與回火得到強(qiáng)化，原理與鋼的強(qiáng)化相似，其典型合金是含鋁量大于9%的鋁青銅，此合金高溫加熱出現(xiàn)β相，淬火后β相轉(zhuǎn)變成亞穩(wěn)組織β′馬氏體，將其加熱回火時(shí)會(huì)分解成細(xì)小的(α+γ2)共析組織，使強(qiáng)度、硬度又有升高，鋁青銅的淬火回火工藝見表9.2-5。
3.固溶加時(shí)效強(qiáng)化銅合金
有一類銅合金通過固溶與時(shí)效得到強(qiáng)化，原理與鋁合金的強(qiáng)化相似，其典型合金是鈹青銅。鈹在銅中的最大溶解度為2.7%，隨溫度下降而顯著減少，且又有明顯的沉淀硬化效果，能獲得良好的綜合機(jī)械性能，如強(qiáng)度、硬度、塑性、導(dǎo)電性、彈性極限、彈性模量，并減少合金的彈性滯后。時(shí)效前也可冷變形，時(shí)效后且能獲得更高的強(qiáng)度和硬度。
鈹青銅的固溶時(shí)效工藝見表9.2-6，對(duì)一般棒材、條材和截面厚度較大的零件，加熱保溫時(shí)間按每25.4mm/h計(jì)算，對(duì)于薄件加熱保溫時(shí)間見表9.2-7；嚴(yán)格控制固溶溫度，既要保證合金元素的溶解，又不能使晶粒急劇長(zhǎng)大，鈹青銅固溶處理后晶粒尺寸要求見表9.2-8；固溶加熱后，應(yīng)立即淬入低于25℃的水中，轉(zhuǎn)移時(shí)間不得超過3～5s。
鈹青銅的時(shí)效分高溫時(shí)效與低溫時(shí)效，低溫時(shí)效易于控制，并能獲得最大的強(qiáng)度和硬度；但高溫時(shí)效能更好地去除內(nèi)應(yīng)力，獲得更高的疲勞強(qiáng)度、抗零點(diǎn)飄移和抗松弛能力。不論高、低溫時(shí)效，含鈹量較多、經(jīng)過冷加工的材料時(shí)效的溫度和時(shí)間均取下限，反之取上限。
固溶加熱應(yīng)在真空爐或保護(hù)氣氛爐中，而決不能在鹽浴爐中進(jìn)行，以免發(fā)生晶界腐蝕與脫鈹。
鈹青銅型材一般以固溶狀態(tài)(軟態(tài))供貨，可直接冷作成形，然后作時(shí)效處理。時(shí)效過程中隨著強(qiáng)化相的析出，以及應(yīng)力的釋放，零件將發(fā)生變形，因此須將零件固定在夾具中作時(shí)效處理。夾具的重量要盡量輕，用力要適當(dāng)。在零件形狀允許的情況下，夾具可將零件重疊裝夾(圖9.2-1)。時(shí)效處理可疊加進(jìn)行，因此可把時(shí)效分成兩次進(jìn)行，第一次不上夾具，第二次用夾具，且在第一次時(shí)效后快速冷卻。
硅青銅、鉻青銅、鋯青銅、鋁白銅同樣有固溶強(qiáng)化能力，工藝見表9.2-9。
表9.2-5鋁青銅的淬火與回火工藝
合金代號(hào) | 淬 火 | 回 火 | 硬度 | |||||
溫度/℃ | 時(shí)間/h | 冷卻 | 溫度/℃ | 時(shí)間/h | 冷卻 | |||
QA19-2 | 790～810 | 1～2 | 水 | 390～410 | 1.5～2 | 空氣 | 200～ 250 | |
QA19-4 | 840～860 | 1～2 | 水 | 340～360 | 1. 5～2 | 空氣 | 160～220 | |
QA110-3-1.5 | 830～840 | 1～2 | 水 | 300～350 | 1.5～2 | 空氣 | 207～289 | |
QA110-4-4 | 910～930 | 1～2 | 水 | 640～660 | 1.5～2 | 空氣 | 250～300 | |
表9.2-6鈹青銅固溶與時(shí)效工藝
合金代號(hào) | 固溶溫度 | 時(shí) 效 | |
溫 度/℃ | 時(shí) 間/h | ||
QBe2 | 780～800 | (320～350)±5 | 1～3 |
QBe1.9 | 780～800 | (315～340)±5 | 1～3 |
QBe1.7 | 780～790 | (300～320)±5 | 1～3 |
表9.2-7鈹青銅薄板、帶材及薄件固溶處理的保溫時(shí)間
材料厚度/mm | 保溫時(shí)間/min | 材料厚度/mm | 保溫時(shí)間/min |
<0. 11 | 2～6 | 0.25～0.76 | 6～10 |
表9.2-8鈹青銅固溶后要求的晶粒尺寸
材料厚度/mm | 最大平均晶粒尺寸/mm |
0.25～0.75 | ≤0.035 |
0.75～2. 29 | ≤0.043 |
2.29～4.78 | ≤0.060 |
表9.2-9硅青銅、鉻青銅、鋯青銅、鋁白銅固溶時(shí)效處理工藝
合金代號(hào) | 固 溶 | 時(shí) 效 | |||||||||
溫度/℃ | 時(shí)間 | 冷卻介質(zhì) | 溫度/℃ | 時(shí)間/h | |||||||
QSi1-3 | 850～875 | 1～2 h | 水 | 450～475 | 2～4 | ||||||
QCr0.5 | 1 000～1020 | 20～40min | 水 | 425～470 | 2～3 | ||||||
QZr0.2 | 900～920 | 15～30 min | 水 | 420～450 | 2～3 | ||||||
500 | 1 | ||||||||||
QZr0.4 | 920～950 | 15～35 mm | 水 | 420～460 | 2～3 | ||||||
BA113-3 | 900～1000 |
|
| 500～600 |
| ||||||
BA16-1.5 | 900 |
|
| 500～550 | 2 | ||||||
(三)銅及加工銅合金加熱保護(hù)氣氛
銅和加工銅合金的熱處理須在保護(hù)氣氛或真空中進(jìn)行。各種銅與加工銅合金因成分不同，加熱時(shí)的保護(hù)氣氛的成分也不同。紫銅采用中性或微還原性氣氛，也可在微氧化性氣氛中加熱(表9.2-10中的1、7)，均要限制硫、氧、氫的含量；黃銅采用還原性的氣氛(表9.2-10中的2、3、4、5)；高鋅黃銅(含鋅量大于30%)為了防止脫鋅和變色要限制CO2及H2O的含量；硅青銅、鋁青銅的氣氛必須純凈干燥，采用表中的氣氛2、4、5；鈹青銅淬火時(shí)一般采用表中氣氛5；白銅采用表中氣氛1、3、4、5。
表9.2-10銅與銅合金熱處理保護(hù)氣氛的類型和成分
編 | 名 稱 | 類 型 | 主要性質(zhì) | 常用組分(%) | |||||
N2 | H2 | CO | CO2 | O2 | CHa | ||||
1 | 完全 | 低放 | 不可 | 83～ | 0.2～ | 0.5～ | 10～ | — | 0～1 |
2 | 同上 | 低放 | 不可 | 95～ | 0.5 | 0. 5 | 微 | — | 0～1 |
3 | 同上 | 高放 | 可燃， | 71 | 12 | 15 | 0. 1 | — | 2 |
4 | 完全 | 高吸 | 還原 | 28 | 40～ | 19 | 微 | — | 0.4 |
5 | 分解 | 未燃 | 可燃， | 25 | 75 | — | — | — | — |
6 | 氮?dú)?/p> | 純 | 中性 | 96～ | 1 | — | — | — | — |
7 | 二氧 | 不純 | 惰性 | — | — | — | 99. 8 | 0. 2 | — |
8 | 水蒸 | 不純 | 中性 | — | — | — | — | — | — |
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