CN110935826A - 一种细晶弱织构铜合金锥形壳体的成形方法 - Google Patents

一种细晶弱织构铜合金锥形壳体的成形方法 Download PDF

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Abstract

涉及材料加工领域一种新型的铜合金锥形壳体成形方法，适用于紫铜及白铜。主要步骤为：1、切取铜合金铸锭作为初始坯料；2、对铜合金初始坯料进行多向锻造，若坯料满足晶粒度≤10μm、织构强度因子≤6的要求后，将坯料滚圆加工为细晶铜合金棒料；3、在细晶铜合金棒料中截取一定直径和高度的坯料；4、对截取的铜合金坯料进行冷挤压‑热处理梯度耦合加工，通过总共4道次加工使铜合金构件逐级达到晶粒度≤3μm、织构强度因子≤9的指标，成形得到细晶弱织构铜合金锥形壳体。本发明能够通过工艺参数优化有效控制铜合金锥形壳体的晶粒尺寸及织构强度，所制备出的产品晶粒细小、织构强度低、组织均匀、性能稳定，拥有良好的尺寸精度和力学性能。

Description

一种细晶弱织构铜合金锥形壳体的成形方法
技术领域
本发明涉及一种细晶弱织构铜合金锥形壳体的成形方法，属于金属加工技术领域。
背景技术
铜合金具有优良的导电性﹑导热性﹑延展性和耐蚀性，冷热加工能力强，在航空航天、船舶、兵器、电子等领域应用广泛。铜合金锥形壳体是一种重要构件，其成形方法包括热锻、旋压、多道次冷挤压等。
但是，现有成形工艺所制备的铜合金锥形壳体普遍具有强度和塑性不匹配、整体组织性能分布不均匀等问题。其原因包括：（1）热锻成形过程中工件整体温度不易调控，容易造成局部晶粒尺寸粗大及晶粒不均匀，并且工件表面氧化严重，成形构件的组织均匀性及表面质量无法达到预定设计要求；（2）旋压工艺虽具有成本较低的优势，但构件织构方向分布紊乱，难以制备高品质铜合金锥形壳体；（3）常规多道次挤压过程中，冷变形与热处理工序存在功能性单一、匹配性差等缺点，冷挤压与热处理难以有效结合，退火工艺仅注重构件性能调控，即消除加工硬化以确保下一道次冷成形的顺利进行，而构件微观组织调控主要依靠最终再结晶退火处理，无法同时满足细晶化和弱织构化双重要求，难以实现构件强度和塑性匹配。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种细晶弱织构铜合金锥形壳体的成形方法，能够有效解决铜合金锥形壳体构件的强度和塑性不匹配问题，精确调控铜合金锥形壳体内部晶粒尺寸及不均匀变形组织，实现高性能细晶弱织构铜合金锥形壳体的高效制造。
本发明是通过以下措施实现的。
一种细晶弱织构铜合金锥形壳体的成形方法，包括以下步骤：
（1）切取铜合金铸锭作为初始坯料；
（2）对铜合金初始坯料进行多向锻造，若坯料满足晶粒度≤10μm、织构强度因子≤6的要求后，将坯料滚圆加工为细晶铜合金棒料；
（3）根据铜合金锥形壳体的形状和尺寸要求，在细晶铜合金棒料中截取一定直径和高度的坯料；
（4）对截取的铜合金坯料进行冷挤压-热处理梯度耦合加工，通过总共4道次加工使铜合金构件逐级达到晶粒度≤3μm、织构强度因子≤9的指标，成形得到细晶弱织构铜合金锥形壳体构件。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤（1）中，所述铜合金铸锭的直径为Ø150mm~Ø400mm。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤（2）中，所述多向锻造时，铜合金坯料的预热温度为700℃~850℃，锻造设备为液压机，锻造速度为5mm/s~15mm/s，采用胶状石墨-机油混合液为润滑剂。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤（2）中，以X、Y、Z三个方向分别锻造1次为1个道次。单次锻造变形量为50%，则单道次累积变形量150%。若1道次多向锻造后，铜合金坯料的组织状态不满足晶粒度≤10μm、织构强度因子≤6的要求，则进行第2道次多向锻造。待坯料的组织状态满足晶粒度≤10μm、织构强度因子≤6的要求后，滚圆加工为棒料，直径60～400mm。铜合金坯料多向锻造工过程如附图1所示。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤（4）中，所述冷挤压-热处理耦合梯度加工方法是由4次冷挤压与4级退火热处理构成，每次冷挤压后均进行1次退火热处理，1次冷挤压+1级退火热处理为1个道次。冷挤压-热处理耦合梯度加工技术路线如附图2所示。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤（4）中，冷挤压变形量从第1道次到第4道次逐级降低，其中罩顶变形量从30%逐级降低到16%，罩口变形量从25%逐级降低到14%，构件整体不均匀变形程度从17%逐级降低到12%。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤（4）中，所述冷挤压是在挤压模具内进行，冷挤压设备为液压机，挤压速率为5mm/s~10mm/s，采用胶状石墨-机油混合液为润滑剂。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤（4）中，所述铜合金锥形壳体毛坯的退火热处理是在真空热处理炉中进行。第1级退火热处理后，挤压件需满足晶粒度≤7μm、织构强度因子≤7的要求；第2级退火热处理后，挤压件需满足晶粒度≤5μm、织构强度因子≤8的要求；第3级退火热处理后，挤压件需满足晶粒度≤3μm、织构强度因子≤9的要求；第4级热处理为再结晶退火，挤压件需满足晶粒度≤3μm、织构强度因子≤9的要求。
本发明所述的铜合金为紫铜及白铜。
本发明采用多向锻造制备细晶铜合金坯料和冷挤压-热处理梯度耦合加工方法，建立起新的铜合金锥形壳体成形方法，制得的产品晶粒细小、组织均匀、性能稳定，有良好的尺寸精度和力学性能，主要优点有：
（1）本发明在制备铜合金锥形壳体的过程中，多向锻造铜合金初始坯料，使铜合金坯料内部变形均匀、晶粒充分破碎，得到均匀的内部组织，可以促进铜合金锥形壳体成形过程材料的强度和塑性相互匹配；
（2）采用冷挤压-热处理耦合梯度加工方法， 能够实现铜合金锥形壳体成品内部晶粒度和织构强度的逐级梯度优化，调控材料的不均匀变形组织，获得低应力状态的细晶弱织构铜合金锥形壳体件。
本发明为高性能、高质量的铜合金锥形壳体成形加工提供了新途径，加工的铜合金锥形壳体可用于兵器、电气和核工业等高科技领域及普通民用的各行各业，应用前景良好。
附图说明
图1 本发明铜合金坯料多向锻造工艺过程。
图2 本发明冷挤压-热处理梯度耦合加工技术路线图。
图3 实施例1中铜合金锥形壳体构件的剖面图。
图4 实施例2中铜合金锥形壳体构件的剖面图。
图5 实施例3中铜合金锥形壳体构件的剖面图。
具体实施方案
实施例1
下面结合图3说明本实施方式，本实施方式包括以下步骤。
（1）切取直径Ø300mm、高度450 mm的T2紫铜铸锭作为初始坯料。
（2）采用3000t液压机对T2紫铜铸锭进行多向锻造，坯料的预热温度为800℃，锻造速度为10mm/s，采用胶状石墨-机油混合液为润滑剂。以X、Y、Z三个方向分别锻造1次为1个道次。单次锻造变形量为50%，单道次累积变形量150%。对T2紫铜铸锭进行3道次多向锻造，坯料的组织状态达到晶粒度10μm，织构强度因子5.8，随后滚圆加工成直径为300mm的细晶T2紫铜棒料。
（3）锥形壳体件的罩口直径为Ø 610mm、高度为657mm、最大壁厚为15mm，根据铜合金锥形壳体的形状和尺寸要求，在细晶T2紫铜棒料中截取直径为300mm、高度为200mm的T2紫铜坯料。
（4）采用3000t液压机对细晶T2紫铜坯料进行冷挤压成形，挤压速率为5mm/s，采用胶状石墨-机油混合液为润滑剂。第1道次冷挤压中，罩顶变形量为30%，罩口变形量为25%，随后对T2紫铜挤压件进行第1级退火热处理，保温温度为600 ℃，保温时间为60min，冷却方式为惰性气体冷，第1级退火热处理后T2紫铜挤压件的组织状态达到晶粒度6.8μm，织构强度因子6.9；第2道次冷挤压中，罩顶变形量为26%，罩口变形量为22%，随后对T2紫铜挤压件进行第2级退火热处理，保温温度为550 ℃，保温时间为60min，冷却方式为惰性气体冷，第2级退火热处理后T2紫铜挤压件的组织状态达到晶粒度4.8μm，织构强度因子7.9；第3道次冷挤压中，罩顶变形量为21%，罩口变形量为18%，随后对T2紫铜挤压件进行第3级退火热处理，保温温度为500 ℃，保温时间为60min，冷却方式为惰性气体冷，第3级退火热处理后T2紫铜挤压件的组织状态达到晶粒度3μm，织构强度因子8.8；第4道次冷挤压中，罩顶变形量为16%，罩口变形量为14%，随后对T2紫铜挤压件进行第4级退火热处理，保温温度为450 ℃，保温时间为60min，冷却方式为惰性气体冷，第4级退火热处理后T2紫铜挤压件的组织状态达到晶粒度3μm，织构强度因子9。
本实施例制得的T2紫铜锥形壳体平均晶粒尺寸为3μm，构强度因子为9，伸长率为48%，抗拉强度为270MPa，布氏硬度为HB60，圆周壁厚差0.1~0.2mm，表面光洁度小于Ra1.0。
实施例2
下面结合图4说明本实施方式，本实施方式包括以下步骤。
（1）切取直径Ø350mm、高度500 mm的B19白铜铸锭作为初始坯料。
（2）采用3000t液压机对B19白铜铸锭进行多向锻造，坯料的预热温度为850℃，锻造速度为10mm/s，采用胶状石墨-机油混合液为润滑剂。以X、Y、Z三个方向分别锻造1次为1个道次。单次锻造变形量为50%，单道次累积变形量150%。对B19白铜铸锭进行3道次多向锻造，坯料的组织状态达到晶粒度9.5μm，织构强度因子6，随后滚圆加工成直径为320mm的细晶B19白铜棒料。
（3）锥形壳体件的罩口直径为Ø 680mm、高度为587mm、最大壁厚为12mm，根据铜合金锥形壳体的形状和尺寸要求，在细晶B19白铜棒料中截取直径为320mm、高度为160mm的B19白铜坯料。
（4）采用3000t液压机对细晶B19白铜坯料进行冷挤压成形，挤压速率为5mm/s，采用胶状石墨-机油混合液为润滑剂。第1道次冷挤压中，罩顶变形量为30%，罩口变形量为25%，随后对B19白铜挤压件进行第1级退火热处理，保温温度为580 ℃，保温时间为60min，冷却方式为惰性气体冷，第1级退火热处理后B19白铜挤压件的组织状态达到晶粒度6.9μm，织构强度因子7；第2道次冷挤压中，罩顶变形量为26%，罩口变形量为22%，随后对B19白铜挤压件进行第2级退火热处理，保温温度为540 ℃，保温时间为60min，冷却方式为惰性气体冷，第2级退火热处理后B19白铜挤压件的组织状态达到晶粒度4.9μm，织构强度因子8；第3道次冷挤压中，罩顶变形量为21%，罩口变形量为18%，随后对B19白铜挤压件进行第3级退火热处理，保温温度为480 ℃，保温时间为60min，冷却方式为惰性气体冷，第3级退火热处理后B19白铜挤压件的组织状态达到晶粒度2.9μm，织构强度因子8.9；第4道次冷挤压中，罩顶变形量为16%，罩口变形量为14%，随后对B19白铜挤压件进行第4级退火热处理，保温温度为430 ℃，保温时间为60min，冷却方式为惰性气体冷，第4级退火热处理后B19白铜挤压件的组织状态达到晶粒度3μm，织构强度因子9。
本实施例制得的B19白铜锥形壳体平均晶粒尺寸为3μm，构强度因子为9，伸长率为40%，抗拉强度为300MPa，布氏硬度为HB65，圆周壁厚差0.15~0.3mm，表面光洁度小于Ra1.0。
实施例3
下面结合图5说明本实施方式，本实施方式包括以下步骤。
（1）切取直径Ø400mm、高度600 mm的TU1紫铜铸锭作为初始坯料。
（2）采用3000t液压机对TU1紫铜铸锭进行多向锻造，坯料的预热温度为800℃，锻造速度为10mm/s，采用胶状石墨-机油混合液为润滑剂。以X、Y、Z三个方向分别锻造1次为1个道次。单次锻造变形量为50%，单道次累积变形量150%。对TU1紫铜铸锭进行3道次多向锻造，坯料的组织状态达到晶粒度10μm，织构强度因子5.9，随后滚圆加工成直径为400mm的细晶TU1紫铜棒料。
（3）锥形壳体件的罩口直径为Ø 760mm、高度为420mm、最大壁厚为10mm，根据铜合金锥形壳体的形状和尺寸要求，在细晶TU1紫铜棒料中截取直径为400mm、高度为180mm的TU1紫铜坯料。
（4）采用3000t液压机对细晶TU1紫铜坯料进行冷挤压成形，挤压速率为5mm/s，采用胶状石墨-机油混合液为润滑剂。第1道次冷挤压中，罩顶变形量为30%，罩口变形量为25%，随后对TU1紫铜挤压件进行第1级退火热处理，保温温度为600 ℃，保温时间为60min，冷却方式为惰性气体冷，第1级退火热处理后TU1紫铜挤压件的组织状态达到晶粒度7.1μm，织构强度因子6.8；第2道次冷挤压中，罩顶变形量为26%，罩口变形量为22%，随后对TU1紫铜挤压件进行第2级退火热处理，保温温度为550 ℃，保温时间为60min，冷却方式为惰性气体冷，第2级退火热处理后TU1紫铜挤压件的组织状态达到晶粒度5μm，织构强度因子8；第3道次冷挤压中，罩顶变形量为21%，罩口变形量为18%，随后对TU1紫铜挤压件进行第3级退火热处理，保温温度为500 ℃，保温时间为60min，冷却方式为惰性气体冷，第3级退火热处理后TU1紫铜挤压件的组织状态达到晶粒度3.1μm，织构强度因子8.9；第4道次冷挤压中，罩顶变形量为16%，罩口变形量为14%，随后对TU1紫铜挤压件进行第4级退火热处理，保温温度为450 ℃，保温时间为60min，冷却方式为惰性气体冷，第4级退火热处理后TU1紫铜挤压件的组织状态达到晶粒度3μm，织构强度因子9。
本实施例制得的TU1紫铜锥形壳体平均晶粒尺寸为3μm，构强度因子为9，伸长率为45%，抗拉强度为268MPa，布氏硬度为HB62，圆周壁厚差0.1~0.25mm，表面光洁度小于Ra1.0。

Claims (5)

1.一种细晶弱织构铜合金锥形壳体的成形方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）切取铜合金铸锭作为初始坯料；
（2）对铜合金初始坯料进行多向锻造，若坯料满足晶粒度≤10μm、织构强度因子≤6的要求后，将坯料滚圆加工为细晶铜合金棒料；
（3）根据铜合金锥形壳体的形状和尺寸要求，在细晶铜合金棒料中截取一定直径和高度的坯料；
（4）对截取的铜合金坯料进行冷挤压-热处理梯度耦合加工，通过总共4道次加工使铜合金构件逐级达到晶粒度≤3μm、织构强度因子≤9的指标，成形得到细晶弱织构铜合金锥形壳体构件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：若1道次多向锻造后，铜合金坯料的组织状态不满足晶粒度≤10μm、织构强度因子≤6的要求，则进行第2道次多向锻造；待坯料的组织状态满足晶粒度≤10μm、织构强度因子≤6的要求后，滚圆加工为棒料，直径60～400mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：冷挤压变形量从第1道次到第4道次逐级降低，其中罩顶变形量从30%逐级降低到16%，罩口变形量从25%逐级降低到14%，构件整体不均匀变形程度从17%逐级降低到12%。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：第1级退火热处理后，挤压件需满足晶粒度≤7μm、织构强度因子≤7的要求；第2级退火热处理后，挤压件需满足晶粒度≤5μm、织构强度因子≤8的要求；第3级退火热处理后，挤压件需满足晶粒度≤3μm、织构强度因子≤9的要求；第4级热退火热处理后，挤压件需满足晶粒度≤3μm、织构强度因子≤9的要求。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：被加工材料是紫铜及白铜。
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