CN106011712B - 一种减轻铜银合金铸锭各向异性的方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减轻铜银合金铸锭各向异性的方法与应用，将半连续铸造制备的铜银合金铸锭放入退火炉中；向炉内吹扫氮气气氛至纯度大于99％，以6～12℃/min的升温速度，使铜银合金随炉升温至450～950℃，保温1～5h，随炉冷却至铸锭温度低于50℃，出炉。半连续铸造铜银合金铸锭经450～950℃，保温1～5h退火后，合金晶粒内部枝晶偏析、晶畴等亚结构消失，晶粒长大，晶界趋于平直，宏观变形及力学性能所表现出的各向异性减弱。

Description

一种减轻铜银合金铸锭各向异性的方法与应用

技术领域

本发明属于金属材料热处理领域，具体的，涉及一种减轻铜银合金铸锭各向异性的方法与应用。

背景技术

半连续铸造工艺具有成本低、连续性好、成品率高、区域偏析小等优点，因此在铜银合金制备中被广泛的采用。但是半连续铸造制备的铸锭组织常常沿径向生长出粗大辐射状柱状晶，由于铜银合金是FCC结构金属，且立方晶体沿[001]方向生长快，[011]方向次之，[111]方向最慢。因此，在铸锭中沿径向(RD)和垂直径向(PD)晶粒常常具有不同的晶格取向及晶界分布，其组织、性能也会随着柱状晶粒的取向及晶界分布的变化而改变，常常在变形时表现出显著的各向异性。而在已有工艺中，大多通过热挤压、热锻和热轧等热变形或冷轧、冷锻等冷变形手段改变组织结构的同时改变已存在的各向异性，但是这些方法容易导致铸锭的变形。当铸件变形时，总会使得铸锭某一方向的尺寸被极大地缩小，对于某些尺寸较大或需要采用铸锭直接加工构件将不再适用。此外，对于一些不需要进行变形加工的构件，采用铸锭制备即可，如果采用变形的手段消除各向异性能耗也更高。但是如果不经处理，即不经变形直接采用铸件制备的构件中，此类构件中组织缺陷及各向异性等仍未发生变化，极大地损害了构件应有的性能。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种减轻铜银合金铸锭各向异性的方法与应用。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

退火方法在消除半连续铸造方法制备的铜银合金铸锭内部的各向异性中的应用。

一种减轻铜银合金铸锭各向异性的退火方法，包括如下步骤：将半连续铸造制备的铜银合金铸锭经过退火处理，铜银合金中银的含量为0.01-2％。

优选的，退火的温度为450～950℃，保温时间为1～5h。构件各向异性的消除主要靠晶粒取向变化，晶粒尺寸，晶粒、晶界形貌发生变化趋于各向同性来减弱各向异性，需要一定的激活能，即退火温度，及原子及晶界的迁移需要一定的时间，即保温时间。

进一步优选的，退火的温度为650～900℃，保温时间为2～4h。

更进一步优选的，退火的温度为850℃，保温时间3h。

优选的，退火的升温速度为6～12℃/min。升温速度太慢耗费时间，能耗高，升温速度太快可能回超过设备极限，升温时功率太大，也不利于均匀加热。

优选的，退火处理过程中氮气的纯度大于99％。

优选的，退火处理后的铜银合金铸锭冷却至铸锭温度低于50℃。

上述退火方法处理得到的铜银合金铸锭。

所述退火方法在消除半连续铸造方法制备的铜银合金铸锭内部的各向异性中的应用。

本发明采用退火方法消除铜银合金中各向异性的原理为：

本发明中退火过程中原子热运动被激活，晶粒转动，枝晶偏析、畴界等被消除，位错迁移过程中受到的阻碍作用减小，同时，退火后晶界附近的小晶粒被吞噬，由铸造过程中不同取向晶粒生长速度不同而产生的晶粒取向差别减弱，原柱状晶因退火后晶粒趋于等轴，晶界趋于平直化，在不同取向性能差异减小，各向异性减弱。

此方法适用于半连续铸造铜银合金减轻各项异性的退火工艺，是因为铜银合金中银的含量为0.01-2％时银以溶质的形式存在于铜基体中，产生的偏析也较弱，各向异性主要由晶粒取向，晶粒尺寸及形貌，晶界形态及密度差异引起的各向异性，此方法可以在不改变铸锭形貌的同时减弱合金的各项异性，同时改善铸锭组织形貌，改善铸锭的加工性能等。

本发明的有益效果为：

半连续铸造铜银合金铸锭经450～950℃，保温1～5h退火后，合金晶粒内部枝晶偏析、晶畴等亚结构消失，晶粒长大，晶界趋于平直，宏观变形及力学性能所表现出的各向异性减弱。

本发明只需要对铜银合金进行退火处理，无需进行热挤压、热锻或热轧等变形手段改变组织结构已存在的各向异性，不会导致合金铸锭的变形。

本发明在气体保护气氛下，对铜银合金铸锭进行退火处理，使退火后的铸锭在表面不发生氧化、内部无过烧的情况下，改善铸锭的微观组织，减轻铸锭的变形过程中表现出的各向异性，改善铸锭冷加工性能。

附图说明

图1为铜银合金PD和RD取向金相组织：PD：(a)原始铸态；(c)450℃×3h；(e)850℃×3h；(g)950℃×3h；RD：(b)原始铸态；(d)450℃×3h；(f)850℃×3h；(h)950℃×3h。

图2铜银合金圆柱试样压缩后宏观形貌。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

一种减弱铜银合金铸锭各向异性的退火工艺。

本实施例中所针对对象采用半连续铸造的方式制备铜银合金铸锭，为含银量0.1wt％的铜银合金铸锭，铸锭尺寸为φ220mm。

具体的退火工艺如下：

(1)将待处理的铜银合金铸锭放入气氛炉中。

(2)用高纯氮气向气氛炉中吹扫氮气至氮气气氛浓度大于99％，以8℃/min的升温速度，使铜银合金随炉升温至450℃，保温3h。

(3)在保持炉内压力为正压，氮气气氛浓度大于99％的条件下，随炉冷却至铸锭冷却至温度低于50℃，出炉。

实施例2

一种减弱铜银合金铸锭各向异性的退火工艺。

本实施例中所针对对象采用半连续铸造的方式制备铜银合金铸锭，为含银量0.2wt％的铜银合金铸锭，铸锭尺寸为φ220mm。

具体的退火工艺如下：

(1)将待处理的铜银合金铸锭放入气氛炉中。

(2)用高纯氮气向气氛炉中吹扫氮气至氮气气氛浓度大于99％，以8℃/min的升温速度，使铜银合金随炉升温至850℃，保温3h。

(3)在保持炉内压力正压，氮气气氛浓度大于99％的条件下，随炉冷却至铸锭冷却至温度低于50℃，出炉。

实施例3

一种减弱铜银合金铸锭各向异性的退火工艺。

本实施例中所针对对象采用半连续铸造的方式制备铜银合金铸锭，为含银量0.5wt％的铜银合金铸锭，铸锭尺寸为φ220mm。

具体的退火工艺如下：

(1)将待处理的铜银合金铸锭放入气氛炉中。

(2)用高纯氮气向气氛炉中吹扫氮气至氮气气氛浓度大于99％，以8℃/min的升温速度，使铜银合金随炉升温至950℃，保温3h。

(3)在保持炉内压力正压，氮气气氛浓度大于99％的条件下，随炉冷却至铸锭冷却至温度低于50℃，出炉。

分别对退火前后本实施例铜银合金铸锭沿RD和PD方向微观组织形貌和性能进行对比，微观组织形貌对比结果见图1；圆柱试样压缩后宏观形貌结果见图2；压缩后长轴与短轴比值结果见表1；力学性能对比结果见表2。硬度测量按照标准GB/T4340.1-2009，拉伸试验即拉伸强度、伸长率的测定按照国标GB/T228.1-2010。显微硬度测量在HV-1000型数显显微硬度计上进行，载荷为0.2kg，加载时间为10s，每个试样测试次数不少于7次；拉伸试验在WDW-200E电子万能试验机上进行，每个试样测量次数不少于3次。

具体分析如下：

(1)退火对铜银合金组织的影响

将原始铸态及不同温度退火后的铜银合金铸锭沿PD和RD方向取样、研磨、抛光和腐蚀后进行金相组织观察，金相组织如图1所示。从(a)和(b)中可以看出，沿PD和RD方向组织存在显著的差异。PD(图1(a))方向，晶粒粗大等轴，晶粒内部存在被亚晶界分割而形成的晶畴，RD(图1(b))方向，晶粒呈柱状与RD成一定角度(40～50°)排列，晶界多为平直晶界。由于在立方晶体中，晶体沿[001]方向生长最快，[011]方向次之，[111]方向最慢，在单向热传递约束下，晶体极易沿热流方向生长成粗大柱状晶，且柱状晶轴向为[001]取向。同时半连续铸造时，铸锭下方冷速快，上方冷速慢，热流方向与铸锭轴向成40～50°，因此柱状晶生长轴向与铸锭轴向成40～50°，晶粒沿轴向取向为[001]方向。从图1(c)、(e)和(g)中可以看出，退火后晶粒内部亚晶界、晶畴消失。这是由于退火过程中，原子热运动被激活，枝晶偏析、晶畴被消除，晶粒转动，晶粒取向发生变化。从图1(d)、(f)和(h)中可以看出，较高温度退火后，晶粒存在长大的现象。这是由于在较高温度下，晶界迁移被激活，高能晶界转变为低能晶界并发生迁移，不稳定晶粒被吞噬，部分晶粒长大。

(2)退火对宏观变形各向异性的影响

图2为不同温度退火后进行压缩，压缩后试样形貌。退火铜银合金压缩后椭圆形试样长轴与短轴的比值见表1。可以看出，随压下量的增加，长轴与短轴比值先增大后减小，在变形量为60％(铸态为70％)时达到最大值。由圆柱弹塑性力学知，圆柱镦粗过程中，材料受到轴向作用力，因此其受力状态沿径向轴向呈轴对称分布。对均匀材料而言，压缩后圆柱试样仍成圆形。但对本文中圆柱试样，压缩后呈以RD方向为短轴、PD方向为长轴的椭圆形，表现出显著的宏观各向异性。由于在FCC晶体中，<111>硬取向具有更高的流变应力和抗拉强度，<011>取向次之，<001>软取向最低。但是晶粒取向只能表观金属开始发生变形时的强度，因此在相同的应力条件下，PD金属更容易发生变形，宏观表现为压缩后PD方向为椭圆长轴。当变形量较大时，锻件与锻锤接触面积增加，上下表面受到的摩擦力增加。PD为长轴，受摩擦应力更大，更难继续发生变形。因此当变形较小时，长轴-短轴比值随压下量增大而增加并趋于椭圆；当变形量较大时，长轴-短轴随压下量增大而减小并趋于等轴。

表1退火铜银合金压缩后试样长轴与短轴比值

由表1可知，随退火温度增加，长轴-短轴比值最大值减小，宏观各向异性减弱。这是由于退火后，晶粒内部枝晶偏析、晶畴被消除。界面对位错的阻碍作用减弱。PD方向垂直柱状晶，相对于与柱状晶成40～50°的RD方向，晶界内部偏析、晶畴对位错的阻碍作用较弱，退火后性能变化较小；而RD方向晶界内部偏析、晶畴对位错的阻碍作用较强，退火后抗拉强度降低较为明显。随退火温度升高，热激活作用越强，对组织内部界面的消除越多，PD与RD方向更趋于一致，长轴-短轴比值的最大值减小，各向异性减弱越明显。

(3)退火对力学性能的影响

表2为退火温度对铜银合金PD和RD方向显微硬度、抗拉强度和伸长率的影响。从表2中可以看出，合金退火后，显微硬度呈下降的趋势。这是由于退火后，晶粒内部的枝晶偏析、晶畴等亚结构消失，对位错迁移的阻碍作用减弱，硬度下降。同时，由于RD方向的晶粒取向为<111>硬取向，而PD方向更接近与<011>方向。因此RD方向的硬度更高。

表2不同退火温度对铜银合金显微硬度、抗拉强度和伸长率的影响

从表2中可以看出，退火后，铜银合金的抗拉强度降低，伸长率升高。且随退火温度的增加，抗拉强度逐渐降低，伸长率升高。沿RD方向，抗拉强度较高。在未退火/450℃×3h/850℃×3h/950℃×3h退火处理后，RD与PD方向的抗拉强度的差值分别为29.74/11.193.05/4.16MPa，呈下降趋势。

铜银合金中极少量Ag(0.01～2wt％)全部以溶质形态固溶在Cu基体中，为层错能较低的单相组织，因此变形机制主要为位错移动机制。位错和晶界的交互行为强烈地影响合金最初的变形行为。RD方向虽与柱状晶成40～50°，比PD方向具有更低的晶界密度，且晶粒尺寸极不均匀，具有更多的界面，在变形时对位错的阻碍作用较强，因此RD方向具有较高抗拉强度。

由于退火过程中原子热运动被激活，枝晶偏析、畴界等被消除，位错迁移过程中受到的阻碍作用减小。同时，退火后晶界附近的小晶粒被吞噬，晶界密度降低并趋于平直化。但是由于PD方向晶粒多为等轴状，晶界平直化对性能影响较小，因此退火后位错移动所受的阻碍减弱的较少，抗拉强度降低较少。因此铜银合金沿PD与RD方向存在的各向异性随退火温度升高而减弱。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种减轻铜银合金铸锭各向异性的方法，其特征在于：其步骤如下：将半连续铸造制备的铜银合金铸锭经过退火处理，退火的温度为450~950℃，保温时间为1~5 h，无需进行变形手段改变组织结构已存在的各向异性，不会导致铜银合金铸锭的变形，铜银合金铸锭中银的含量为0.01-2%。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：退火的温度为650~900℃，保温时间为2~4h。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：退火的温度为850℃，保温时间3 h。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：退火的升温速度为6~12℃ /min。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：退火处理过程中氮气的纯度大于99%。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：退火处理后的铜银合金铸锭冷却至低于50℃。

7.权利要求1-6任一所述的方法处理得到的铜银合金铸锭。

8.权利要求1-6任一所述的方法在消除半连续铸造方法制备的铜银合金铸锭内部的各向异性中的应用。