退火工艺对薄壁铜管组织和性能的影响

时间：2024-07-28

危利民，罗欣，余琪

（江西铜业加工事业部，江西南昌 330096）

1 引言

铜管由于具有良好的导电性、导热性、塑性及加工性能而被广泛应用于机械、电子、建筑和制冷行业［1-4］。目前，为提升铜管的换热效率和生产效益，空调制冷企业对铜管提出了更高的要求，表现为缩小直径、减小壁厚等［5-9］。铜管弯曲时易出现暗裂或起皱缺陷［10-13］。铜管在胀管成形和弯曲成形时所产生的缺陷与铜管本身的微观组织和力学性能有关［14-16］，故很多企业对铜管的组织和力学性能提出了较高的要求。同时，很多研究者对铜管的组织和性能进行了研究。Han等［17］指出在生产过程中形变后铜管由于退火温度分布不均匀，容易导致铜管的微观组织和强度及塑性存在差异。张御天等［18］指出空调管在退火时，增长保温时间易导致铜管组织出现混晶微观形态，并且晶粒尺寸较小。Pan等［19］通过实验分析得出提升退火温度会导致铜管提前发生再结晶并缩减整体退火时间；延长晶粒长大时间会导致平均晶粒大小增加；延长退火时间时可使再结晶晶粒体积分数增多，而且晶粒长大到一定程度后逐渐稳定。因此，调控铜管在生产过程中的退火工艺对其显微组织和力学性能具有重要意义。为满足客户对铜管的需求，本文拟从退火工艺对铜管微观组织和力学性能进行分析，对铜管现场生产提供理论指导。

2 实验过程

本文研究对象为国内某铜加工企业所生产的空调铜管，材质为TP2，规格为Ф7mm×0.41mm。依据某企业铜管生产所制定工艺为退火温度530℃和保温时间35min，本研究所采用的退火工艺为加热温度460℃、500℃和540℃，保温时间为30min、35min、40min和45min。采用徕卡DM2500金相显微镜下观察试样微观组织，侵蚀剂配比为5g氯化铁、25mL浓盐酸、100mL水的混合溶液；采用MTS810万能试验机进行准静态拉伸试验，试样按照GB/T228-2002进行加工，标距为50mm，夹头移动速度为0.02 mm/s。采用硬度仪维氏硬度计HV-5测试铜管的硬度，压力为0.5kg，保压时间10s。

3 实验结果及分析

3.1 退火工艺对铜管微观组织影响

图1为盘拉铜管在加热温度为460℃时，保温时间分别为30 ～ 45min条件下退火铜管的显微组织形貌。

图1 加热温度460℃和四种保温时间时铜管的显微组织

由图1可见，当退火温度为460℃、保温时间为30min时铜管微观组织明显可见具有一定数量晶粒尺寸较小的等轴晶粒，但是在局部区域仍可发现少量纤维组织，如图1（a）中A所示，这表明铜管在退火温度为460℃时形变组织没有完全发生再结晶，部分形变组织发生了晶粒的形核和长大；随着保温时间增长到35min和40min，形变纤维显微组织不明显，但是在试样的少量区域仍可发现，如图1（b）（c）（d）中B、C、D处所示。由上述分析可得，当加热温度为460℃、保温时间从30min延长至45min时试样再结晶不充分，只是少量形变组织发生了再结晶。

图2为加热温度为500℃，保温时间为30min、35min、40min和45min条件下盘拉TP2铜管退火试样的显微组织图。

图2 加热温度500℃和四种保温时间时铜管的显微组织

由图2可知，在加热温度500℃、保温时间30 min条件下退火时铜管试样没出现纤维组织，并且经过退火后的试样微观晶粒形貌呈等轴态，具有较大的晶粒尺寸差异性，见图2（a）。产生这种现象的原因可能是铜管在变形过程中各部位的变形程度存在差异性引起的。在变形较剧烈的区域更易发生回复和再结晶，再结晶晶粒也易长大；反之，较小变形区域的晶粒不易长大而表现为细晶粒。当保温时间增加时，尺寸较大的晶粒组织长大速度减慢，尺寸较小的晶粒组织长大速度增加，从而导致退火晶粒尺寸的差异性有所减弱，见图2（b）。随着保温时间的增加，晶粒尺寸差异皆不能完全消除，部分区域晶粒尺寸较更明显的粗晶组织，见图2（c）上E处和图2（d）上F处。由上述可得，退火工艺为加热温度500℃、保温时间35min时空调铜管的微观晶粒组织相对较好。

图3为加热温度为540℃，保温时间为30min、35min、40min和45min条件下盘拉TP2铜管退火试样的显微组织图。

图3 加热温度540℃和四种保温时间时铜管的显微组织

由图3可知，在加热温度为540 ℃退火时，不同保温时间的铜管显微组织所呈现的晶粒尺寸比460℃和500℃所对应的晶粒尺寸更大，并且在不同保温时间内都出现了较为粗大晶粒，其晶粒尺寸大约为50μm，如图3中G、H、I、J所示。

3.2 退火工艺对空调铜管力学性能的影响

图4所示为当退火温度为460℃时，薄壁铜管的延伸率随着保温时间的变化规律曲线。

图4 不同保温时间的延伸率曲线（460℃）

由图4可知，当加热温度为460 ℃时，薄壁铜管的延伸率随着保温时间的延长而变化不大，随保温时间延长存在轻微波动。当保温时间为30min时，延伸率为49%；保温时间为35min时，延伸率为51%；当保温时间增至40min时，延伸率稍有降低为50%；保温时间45min时，延伸率增至52%。但是，在保温时间为30min时，延伸率波动较大，为12%，这可能与该工艺条件下没有完全发生再结晶，存在部分变形组织有关，见图1（a）；在保温时间为35min、40min和45min时，铜管的延伸率波动仍较大，试样微观结构也存在部分变形组织，见图 1（b）、（c）、（d）。

图5所示为空调铜管在退火温度为500℃的条件下，铜管的延伸率随着保温时间的变化曲线。

图5 不同保温时间的延伸率曲线（500℃）

由图5可知，当退火温度为500 ℃时，薄壁铜管的延伸率随着保温时间的延长呈缓慢增加状态。当保温时间为30min时，延伸率最小，为48%；保温时间为30～35min时，延伸率相同，均为49%；保温时间为45min时，延伸率最大，为51%。在保温时间为30min、40min和45min时，延伸率波动较大，分别为8%，7%，9%，这可能与此保温时间条件下再结晶晶粒差异较大有关，见图2（a）、（c）、（d）；当保温时间为30min时，存在部分形变组织，见图2（a）；在保温时间为35min时，铜管的延伸率波动较小，试样微观结构所呈现的再结晶晶粒较均匀细小，见图2（b）。

图6 不同保温时间的延伸率曲线（540℃）

图6所示是空调铜管在退火温度为540℃的条件下，铜管的延伸率随着保温时间的变化规律曲线。

由图6可知，当退火温度为540℃时，薄壁铜管的延伸率随着保温时间的延长波动较为明显，整体呈现先增加后降低的趋势。当保温时间为30min时，延伸率为49%；保温时间40min时，延伸率增至51%；保温时间为45min时，延伸率明显降低，为46%。延伸率波动幅度较大，这可能与不同保温时间条件下再结晶晶粒差异较大有关（见图3）。

图7所示为加热温度为460℃、500℃和540℃，保温时间为30min、35min、40min和45min条件下退火时薄壁铜管抗拉强度的变化曲线。

图7 不同加热温度和保温时间的抗拉强度曲线

由图7可知，铜管在拉伸试验时抗拉强度的大小随着保温时间的增长存在小幅度的波动，但从整体来说抗拉强度变化不明显。460℃和500℃时退火铜管的抗拉强度约为246MPa，当加热温度增至540℃时，抗拉强度有所降低。这可能是由于在低温退火时会保持部分变形组织而导致高抗拉强度，而当温度升高时，抗拉强度降低，同时再结晶温度过高或者保温时间过长，都将使得铜管组织出现晶粒大小差异性增加，因而在540℃时退火铜管的抗拉强度降低而且延长波动较明显。由Hall-Petch公式可知，金属材料的抗拉强度与晶粒大小有关。金属材料平均晶粒尺寸越大，其抗拉强度值越低。因此，提高退火温度可使得铜管试样晶粒充分长大，从而导致了铜管抗拉强度减小。

图8所示为空调铜管在加热温度460～540℃和保温时间30～45min条件下退火工艺对其硬度的影响。

图8 不同加热温度和保温时间的硬度

由图8可知，当退火加热温度为460℃，保温时间为30min时，平均硬度最低，为63HV；保温时间为40min时，平均硬度最高为82HV。由此可知，在460℃条件下，平均硬度波动较大。这说明在460℃条件下，铜管局部区域可能没有充分发生再结晶；当温度为500℃，保温时间为30min时，平均硬度最低，为62HV；保温时间为35min时，平均硬度最高，为69HV；平均硬度波动较小；当温度为540℃，保温时间为30min时，硬度值最低，为59HV；保温时间为40min时，硬度值最高，为64HV，平均硬度值波动较小。因此，在温度为500℃和540℃时，平均硬度波动较小。另外，由图8可知，在温度500℃，保温时间30min、35min和温度540℃、保温时间30min所测的各点硬度波动较小，这说明在此三种工艺条件下铜管退火后硬度较稳定。由上述分析可知，在退火温度为500℃、保温时间35min退火的铜管具有较良好的组织和性能。在铜管生产现场利用此工艺对铜管进行退火，退火后试样的晶粒组织细小均匀，大小约为20μm（图9），抗拉强度为246MPa，延伸率为50%，维氏硬度为71HV，在组织和性能方面均能满足客户要求。

图9 现场退火铜管微观组织