简介概要

深冷处理对紫铜性能和显微组织的影响

来源期刊：稀有金属2013年第2期

论文作者：王思贤顾开选王俊杰张红郭嘉

文章页码：230 - 236

关键词：紫铜;深冷处理;力学性能;微观组织;导电性;

摘要：研究深冷处理对铸铜电机转子材料紫铜的影响,利用拉伸试验、X射线衍射（XRD）、光学显微镜（OM）以及扫描电子显微镜（SEM）等分析手段,对比分析深冷处理前后紫铜的力学性能、金相显微组织、拉伸断口显微组织和导电性能。结果表明:经过深冷处理后,紫铜的抗拉强度（σb）从142 MPa上升到182 MPa,断后伸长率从8%上升到17%,断面收缩率从12%上升到26%,紫铜的强度和塑性都有明显提高;拉伸试样的韧性断口的韧窝尺寸明显增大,韧窝变深;XRD主要衍射峰出现宽化,金相分析显示晶粒显著细化,晶界明显增多,晶界面积增大;导电率有3%的提高,从5.42×10-7S·m-1提高到5.58×10-7S·m-1。

稀有金属 2013,37(02),230-236

深冷处理对紫铜性能和显微组织的影响

王思贤顾开选王俊杰张红郭嘉

中国科学院低温工程学重点实验室理化技术研究所

中国科学院大学

摘要：

研究深冷处理对铸铜电机转子材料紫铜的影响,利用拉伸试验、X射线衍射(XRD)、光学显微镜(OM)以及扫描电子显微镜(SEM)等分析手段,对比分析深冷处理前后紫铜的力学性能、金相显微组织、拉伸断口显微组织和导电性能。结果表明:经过深冷处理后,紫铜的抗拉强度(σb)从142 MPa上升到182 MPa,断后伸长率从8%上升到17%,断面收缩率从12%上升到26%,紫铜的强度和塑性都有明显提高;拉伸试样的韧性断口的韧窝尺寸明显增大,韧窝变深;XRD主要衍射峰出现宽化,金相分析显示晶粒显著细化,晶界明显增多,晶界面积增大;导电率有3%的提高,从5.42×10-7S·m-1提高到5.58×10-7S·m-1。

关键词：

紫铜;深冷处理;力学性能;微观组织;导电性;

中图分类号： TG156.91

作者简介：王思贤(1989-),男,湖北十堰人,硕士研究生;研究方向:材料深冷处理研究;王俊杰(E-mail:wangjunjie@vip.sina.com);

收稿日期：2012-12-20

基金：中国科学院新兴战略产业联盟项目(2011)资助;

Effect of Cryogenic Treatment on Microstructure and Properties of Pure Copper

Abstract：

The effects of cryogenic treatment on microstructure and properties of pure copper widely used in motor rotor were studied using tension test,X-ray diffraction(XRD),optical microscopy(OM) and scanning electron microscope(SEM).The results showed that the tensile strength of pure copper improved from 142 to 182 MPa after cryogenic treatment,rupture elongation arose from 8% to 17% and contraction ratio of section changed from 12% to 26% simultaneously,the cryogenic treatment enhanced the strength and plasticity of pure copper.The size of fracture dimple became larger and deeper.The diffraction peaks widened and the analysis of metallographic phase showed a result of grain refinement remarkably.There was significant increase of grain boundary and boundary area.The electric conductivity of pure copper had a little improvement of 3% with cryogenic treatment,from 5.42×10-7 S·m-1 to 5.58×10-7 S·m-1.

Keyword：

pure copper;cryogenic treatment;mechanical properties;microstructure;electric conductivity;

Received： 2012-12-20

深冷处理, 是指把经过普通热处理后的材料进一步冷却到-100～-196 ℃的处理方式, 是常规热处理的扩充。随着液氮低温技术的发展和实验手段的完善, 对深冷处理的研究逐步深入, 不仅用于传统钢铁材料的处理, 以提高材料的力学性能和使用寿命 ^[1,2,3] ; 同时也有对于有色金属的研究。对铝合金、铜合金、镁合金以及钛合金进行深冷处理, 可以提高材料的尺寸稳定性, 减少变形, 改善材料的均匀性 ^[4] 。

目前对于黑色金属进行深冷处理的机制已经研究得比较清楚, 但是对于有色金属材料, 尤其是铜及铜合金, 在深冷处理方面提高性能上还是缺乏相关机制的研究; 同时在深冷处理的工艺问题上对于不同材料也需要不同的方案。王俊杰等 ^[5] 对2A11铝合金进行深冷处理, 发现深冷处理可以改善2A11铝合金的尺寸稳定性, 并且经过多次深冷处理可以进一步提高合金的尺寸稳定性。滕杰等 ^[6] 对轧制薄板紫铜采用直接浸泡在液氮(-196 ℃)中进行深冷处理, 观察到深冷处理24 h后, 紫铜的显微硬度提高了15.4%, 抗拉强度提高了11.2%; 引起了衍射峰的强弱变化, 同时衍射峰发生了宽化, 提出可能是晶粒细化引起的。黄云战等 ^[7] 对铅黄铜HPb59-1进行深冷处理, 表明在塑性不下降的同时, 铅黄铜的强度和硬度都有所提高, 提出β相的析出和弥散分布是提高铅黄铜合金强韧性和硬度的原因。陈文革等 ^[8] 对W-Cu合金在-196 ℃保温48 h进行深冷处理, 发现深冷处理后铜颗粒以短棒状形态在钨基体上弥散析出, 提出析出的细小弥散颗粒阻碍晶粒粗化和位错移动, 同时体积收缩弥合空位和微孔等缺陷, 提高了W-Cu合金的硬度。 Corey等 ^[9] 研究深冷处理对于GRCop-84粉末材料电阻率的影响, 发现深冷处理提高了GRCop-84的电阻率, 但深冷处理若放在回火之后, 电阻率下降。 Tarr和Rhee ^[10] 发现, 经过深冷处理, 对于Cu-0.85Cr热导率会有2%～4%的提高。紫铜的导电性、导热性优良, 广泛用作各种导线、电缆、电气开关、电器材、换热器等; 在高效电动机领域中, 紫铜被大量应用在电机转子上, 铸铜转子具有效率高、材料成本低、重量轻等优点, 力学性能、导电性、导热性都影响到电机效率 ^[11,12] 。针对进一步改善铸铜转子效率的目的, 本课题组与国际铜业协会(中国)合作, 在之前工作的基础上, 采用一种相对成熟的深冷工艺处理压铸成型的紫铜, 利用室温拉伸试验、导电性实验、 XRD以及SEM分析显微组织和力学性能, 探索深冷处理对铸态紫铜在力学性能、导电性等性能的影响。

1 实验

本实验所用材料为紫铜T2(质量分数为99.9%的纯铜)。铸铜电机转子采用压铸成型, 其中铜压铸的浇筑温度为1100 ℃, 在高压作用下将液态纯铜以较高速度成形凝固, 实验所用材料为从铜电机转子上切割出的4根长条状试样。将试样分为两组, 一组作为原始态对比, 一组深冷处理, 其中深冷处理在本课题组自行研制的SLX程序控制深冷箱 ^[13] 中进行。深冷工艺如下: 如图1所示, 将试样从室温(20 ℃)以1 ℃·min^-1的速率降温到液氮温度(-196 ℃), 在液氮温度保温24 h, 结束保温后将试样取出, 在空气中自然回温到室温, 再在真空箱中以120 ℃保温2 h, 随炉降温到室温。

将未深冷处理和经过深冷处理的两组试样分别加工成拉伸试样, 拉伸试验在钢铁研究总院进行常温拉伸测定; 再将两组材料分别制成尺寸为16.0 mm×3.0 mm×1.5 mm的电导率试样, 采用LSR-3 SEEBECK电导率测试仪测试试样的电导率; 使用D8 focus X射线衍射仪进行X射线衍射实验; 加工成拉伸试样的余料经过打磨、抛光、腐蚀, 得到两组试样的金相显微组织对比; 同时将拉伸试验的试样断口在S-4300扫描电子显微镜下进行扫描, 得到断口的形貌。

2 结果与讨论

2.1深冷处理对紫铜拉伸性能的影响

T2紫铜原始态和经过深冷处理后的拉伸性能如表1所示。可以看出, 原始态紫铜的平均数据,抗拉强度(σ_b)为142 MPa, 断后伸长率为8%, 断面收缩率为12%; 经过深冷处理后, 深冷态的平均数据, 抗拉强度上升到182 MPa, 断后伸长率为17%, 断面收缩率为26%。总的来说, 经过深冷处理后, T2紫铜的室温抗拉强度有明显提升, 同时, 伸长率和收缩率都有显著提高。

图1 深冷工艺流程

Fig.1 Cryogenic treatment process

表1紫铜深冷前后的力学性能

Table 1Mechanical properties of pure copper before and after deep cryogenic treatment

Sample numbers	Tensile strength σ_b/MPa	Yield strength R_p0.2/MPa	Elongation A/%	Reduction Z%
Non-treated 1	144	70	8.5	12
Non-treated 2	140	77	6.5	13
Cryo-treated 1	175	87	16.0	29
Cryo-treated 2	188	79	18.5	23

有文献指出, 越细的晶粒, 晶界总面积越大, 需要协调的具有不同位向的晶粒也就越多, 其塑性变形的抗力便愈大, 表现出材料的强度提高; 同时愈细的晶粒, 在外力作用下, 有利于滑移和能参与滑移的晶粒数目也越多, 一定的变形量会由更多晶粒分散承担, 产生较均匀的形变而不会造成局部应力过度集中, 引起裂纹过早产生与发展, 从而显著提高紫铜的塑性 ^[14] , 当然这种塑性的提高需要克服冷却过程中产生的位错。

空位作为一种点缺陷, 空位平衡浓度受温度影响, 紫铜从室温环境下降到液氮环境的过程中, 空位平衡浓度急剧下降, 产生大量过饱和空位; 在降温过程中, 晶格收缩产生的内应力挤压大量过饱和空位扩散到晶体表面、晶界或者与位错相遇而消失, 从而降低了点缺陷浓度, 陈秀娟等 ^[15] 采用正电子湮没试验方法验证了Cu-15Ni-8Sn合金在经过深冷处理之后空位浓度的下降。降温过程后的回温过程, 主要目的在消除在低温环境下产生的内应力, 保证在室温环境下材料的塑性和使用性能。本研究采用控制缓慢的降温速率和升温速率, 在降温和回温过程中, 试样的各部分温度均匀一致。在冷却过程中, 会存在一部分过饱和空位来不及移动到表面或者消除, 在随后的过程中, 这部分过饱和空位会在晶面上沉积萌生位错环, 产生了位错, 提高了位错密度, 这也有利于强度的提高 ^[16] ; 但是这种位错密度的提高会一定程度降低紫铜的塑性, 深冷处理之后得到的紫铜塑性提高是综合晶粒细化和位错密度提高的结果。

为了进一步分析深冷处理对紫铜拉伸强度的影响, 将将拉伸试验得到的两组断口进行微观组织对比分析, 如图2所示。图2(a)为深冷前原始试样, 图2(b)为深冷后试样, 试样在单轴拉伸的条件下, 拉伸应力在横截面上分布是均匀的, 在整个断裂区存在着大量的等轴韧窝, 韧窝形态、大小、分布相对均匀, 且韧窝很深, 这表明基体有良好的塑性变形能力, 属于典型的韧性断裂, 这也符合紫铜的塑性优良特性。

图2 深冷处理前后紫铜拉伸试样断口

Fig.2 Tensile fracture of pure copper before and after deep cryogenic treatment

(a) Tensile fracture of non-treated pure copper; (b) Tensile fracture of cryo-treated pure copper

紫铜在连续增加载荷下的断裂机制是显微空穴聚积长大, 随着载荷升高, 在紫铜内部的夹杂物、晶界、亚晶界或其他塑性变形不连续的地方会发生位错堆积, 造成应力集中, 在局部塑性变形区域导致微孔形成。随着应变增加, 微孔不断连积、聚积、长大, 材料发生缩颈和断裂, 在断裂表面上出现大量等轴韧窝。对比深冷处理与未深冷处理的拉伸试样断口, 即图2(a)和(b)进行对比, 可以看出经过深冷处理的试样韧窝尺寸明显变大, 同时, 经过深冷处理的试样韧窝也较深, 表明断裂前经受了较大的塑性变形, 说明深冷处理后材料塑性有了较大提高。这点与拉伸试验中, 断后伸长率和断面收缩率的提高保持一致。

紫铜力学性能的提高, 对于紫铜加工成形和某些场合的使用具有十分重要的意义, 在铜电机转子中, 紫铜与钢材结合的转子上, 综合力学性能的提高, 对于铜和钢材的结合面有正面影响。本研究是针对压铸成型得到的紫铜进行的试验, 得到的结果对于其他加工成型的铜材也具有一定的参考价值, 还需要深入研究。

2.2深冷处理前后紫铜显微组织变化

观察深冷处理前后, 紫铜的X射线衍射图谱, 如图3所示, 对比分析深冷处理对材料显微组织的影响。从图3可以看出, 经过深冷处理, 紫铜的衍射峰谱没有出现新峰, 但是主要晶面的衍射峰强弱发生变化。

经过具体计算可以得到其中未处理时, (111), (200)和(220)面的峰高分别为16358, 6150, 1107, 经过处理以后, 分别变为22277, 10369, 1185。计算紫铜主要晶面衍射峰半高宽, 经过深冷处理(111)晶面的半高宽从0.215变为0.246, (200)晶面从0.303变化为0.337, (220)晶面从0.307变化为0.358。可见, 经过深冷处理后衍射峰的半高宽发生了明显宽化, 这是由于深冷处理后晶粒发生了细化, 紫铜组织结构更加均匀, 说明深冷处理可明显改善紫铜组织的均匀性。

图3 深冷处理前后紫铜XRD图谱

Fig.3 X-ray diffraction patterns of pure copper before andafter deep cryogenic treatment

进一步研究深冷处理对紫铜微观组织的影响, 选择未深冷处理和深冷处理后的试样, 观察放大100倍和400倍的微观组织。对比深冷前后紫铜的微观组织, 其中图4(a)为未深冷处理的放大100倍的微观组织, 图4(b)为深冷处理后的放大100倍微观组织, 对比可以看出经过深冷处理后, 紫铜的晶粒有变小的趋势, 晶粒大小不均匀分布, 图中黑色点状为Cu₂O。这验证了前面关于细晶强化的所述; 同时, 在紫铜晶粒收缩的过程中, 不同位向的晶粒之间收缩程度不同, 变形受到周围晶粒约束, 晶体的连续性会导致微变形产生; 在收缩过程中产生的位错也会导致形成亚晶粒。图4(c)为未深冷处理的放大400倍的微观组织, 图4(d)为深冷处理后的放大400倍微观组织, 同样也可以观察到晶粒缩小的趋势。

为了进一步验证上面所述, 定量分析晶粒在深冷处理前后尺寸变化。对于铜及铜合金的平均晶粒度测定。本研究采用Image-Pro Plus图像处理分析软件, 选取不同尺寸晶粒, 可以直接实现测定深冷处理前后晶粒面积, 从而判断深冷处理对于晶粒尺寸影响。选取多个视场下的大量晶粒(本研究中未深冷处理的试样选取了208个不同尺寸的晶粒, 深冷处理的试样选取了265个不同尺寸的晶粒), 统计深冷处理前后晶粒面积变化, 数据如表2所示。从表2中可以看出, 经过深冷处理, 晶粒平均面积从2091.67下降到1599.97 μm², 而通过计算晶粒面积的等直径圆得到的平均直径也可以反映晶粒尺寸变化, 经过深冷处理, 晶粒平均直径从48.47下降到42.33 μm。可以看出, 经过深冷处理工艺, 紫铜晶粒的确发生了细化, 晶粒平均面积和晶粒平均直径的确下降了。

图4 深冷处理前后紫铜微观组织

Fig.4 Microstructure of pure copper before and after deep cryogenic treatment

(a), (c) Microstructure of non-treated pure copper; (b), (d) Microstructure of cryo-treated pure copper

表2紫铜深冷前后的晶粒尺寸

Table 2Grain size of pure copper before and after deep cryogenic treatment

Items	Average area of grain/μm²	Average diameter of grain/μm
Non-treated	2091.67	48.47
Cryo-treated	1599.97	42.33

2.3深冷处理对紫铜导电性的影响

在铜电机转子中, 定、转子的耗损在电动机损耗中占有相当大的比例, 紫铜优良的导电性可以保证转子绕组耗损很小, 相比其他材料, 电机总耗损显著下降。有必要研究深冷处理对于紫铜导电性的影响, 如图5所示, 3组试样经过深冷处理, 电导率都有一定程度提高, 3组平均电导率从5.42×10^-7 S·m^-1提高到5.58×10^-7 S·m^-1, 可见深冷处理能够在一定程度上提高紫铜的电导率。

对于铜合金, 经过固溶时效, 固溶于基体的溶质元素和晶粒尺寸的大小是影响导电率的主要因素 ^[17] ; 而紫铜经过深冷处理, 使金属离子间距减少, 点阵动畸变减少, 提高了紫铜的电导率; 同时, 晶粒收缩, 空位浓度急剧下降, 点阵电场变得更加均匀, 电磁波散射对电导率的影响被减弱, 电导率也得到提高。

图5 深冷处理前后紫铜的电导率

Fig.5 Conductivity of pure copper before and after deep cryogenic treatment

3 结论

1. 对于铸态紫铜, 经过深冷处理, 抗拉强度(σ_b)从142 MPa上升到182 MPa, 同时断后延伸率和断面收缩率也有明显提升, 说明深冷处理明显改善铸态紫铜的强度和塑性。这是由于在深冷处理过程中, 紫铜晶粒得到细化, 空位浓度降低, 同时形成亚晶粒。观察拉伸试验后的断口, 与原始态拉伸断口形貌相比, 经过深冷处理后的断裂仍为韧性断裂, 韧窝尺寸明显变大, 韧窝加深, 塑性得到提高。

2. 经过深冷处理, 紫铜的微观组织同原始态相比表现为, 等轴晶粒出现细化趋势, 晶界明显增多, 晶界面积增大, 在收缩过程中会有亚晶粒形成。

3. 对于紫铜的导电性, 深冷处理产生压应力、空位浓度的下降会使紫铜的电导率上升。