銅合金的熱處理技術|新聞資訊-沈陽市中聯銅鋁業有限公司

2020-02-11  來自: 沈陽市中聯銅鋁業有限公司 瀏覽次數:188

銅合金的熱處理主要是加熱和不同目的的退火,只有個別牌號的合金,如鈹青銅可進行淬火、回火熱處理。不同目的的退火有:軟化退火、成品退火和坯料退火。

 

軟化退火:即兩次冷軋之間以軟化為目的的再結晶退火,亦稱中間退火。冷軋后的合金產生纖維組織并發生加工硬化,經過把合金加熱到再結晶溫度以上,保溫一 定的時間后緩慢冷卻,使合金再結晶成細化的晶粒組織,獲得好的塑性和低的變形抗力,以便繼續進行冷軋加工。這種退火是銅合金軋制中主要的熱處理。

 

成品退火:即冷軋到成品尺寸后,通過控制退火溫度和保溫時間來得到不同狀態和性能的后一次退火。成品退火有控制狀態和性能的要求,如獲得軟(M)狀態、半硬(Y2)狀制品以及通過控制晶粒組織來得到較好的深沖性能制品等。成品退火除再結晶溫度以上退火,還有再結晶溫度下的低溫退火。

 

坯料退火:是熱軋后的坯料,通過再結晶退火來消除熱軋時不完全熱變形所產生的硬化,以及通過退火使組織均勻為目的的熱處理方法。淬火一回火(時效):即對某些具有能溶解和析出的以及發生共析轉變的固溶體合金,在高于相變點溫度時,經過保溫使強化相充分溶解,形成均勻固溶體后又在急冷中形成過飽和固溶體的淬火狀態,再經過低溫或室溫,使強化相析出或相變來控制合金性能的熱處理方法。

 

2退火

退火工藝制度是根據合金性質、加工硬化程度和產品技術條件的要求決定的。退火的主要工藝參數是退火溫度、保溫時間、加熱速度和冷卻方式。退火工藝制度的確定應滿足如下三方面的要求:

①保證退火材料的加熱均勻,以保證材料的組織和性能均勻;

②保證退火材料不被氧化,表面光亮;

③節約能源,降低消耗,提高成品率。因此,銅材的退火工藝制度和所采用的設備應能具備上述條件。如爐子設計合理,加熱速度快,有保護氣氛,控制精

確,調整容易等。表1列出了部分常用銅合金的退火工藝制度。

 

退火溫度的選擇:除合金性質、硬化程度外,還要考慮退火目的,如對中間退火則退火溫度取上限,并適當縮短退火時間;對成品退火則側重于保證產品品質和性能均勻,退火溫度取下限,并嚴格控制退火溫度的波動;對厚規格的退火溫度應比薄規格的退火溫度要高一些;對裝料量大的要比裝料量小的退火溫度高一些;板材要比帶材的退火溫度高一些。

 

退火的升溫速度:要根據合金性質、裝料量、爐型結構、傳熱方式、金屬溫度、爐內溫度差及產品的要求確定。因為快速升溫可提高生產率、晶粒細、氧化少,半成品的中間退火,大都采用快速升溫;對于成品退火、裝料量少、厚度薄,都采用慢速升溫。

 

保溫時間:爐溫設計時,為提高加熱速度,加熱段的溫度比較高,當加熱到一 定溫度后,要進行保溫,此時爐溫與料溫相近。保溫時間是以保證退火材料均勻熱透為準。

 

冷卻方式:成品退火大都是進行空冷,中間退火有時可采用水冷,這對于有嚴重氧化的合金料,可以在急冷下使氧化皮爆 裂脫落。但有淬火效應的合金不允許進行急冷。

 

1 部分常用銅合金的退火工藝制度

合金 牌號

退火溫度/℃

保溫時間/min

中間退火

成品退火

HPb59-1、HMn58-2、QAl7、QAl5

600~750

500~600

30~40

HPb63-3、QSn6.5-0.1、QSn6.5-0.4

QSn7-0.2、QSn4-3

600~650

530~630

30~40

BFe3-1-1、BZn15-20、Bal6-1.5、BMn40-1.5

700~850

630~700

40~60

QMg0.8

500~540

-

30~40

B19、B30

780~810

500~600

40~60

H80、H68、HSn62-1

500~600

450~500

30~40

H95、H62

600~700

550~650

30~40

BMn3-12

700~750

500~520

40~60

TU1、TU2、TP1、TP2

500~650

380~440

30~40

T2、H90、HSn70-1、HFe59-1-1

500~600

420~500

30~40

QCd1。0、QCr0。5、QZr0。4、QTi0。5

700~850

420~480

30~40

 

3固溶-時效

固溶(淬火)-時效(回火)的工藝參數主要決定于加熱溫度、加熱速度、保溫時間、冷卻速度、加熱介質和水冷時的轉移時間間隔等。淬火溫度的上限要低于共晶溫度,下限要高于固溶度線溫度,保溫時間主要決定于強化相的溶解速度。為了保持好的淬火效果,淬火的轉移時間越短越好,水溫一般不高于25℃。冷卻速度主要考慮兩個因素,一是速度太慢強化粒子會被析出,太快會產生殘余應力或裂紋。回火(時效)時主要保證強化粒子析出均勻和分布狀態等。表2為部分銅合金固溶(淬火)-時效(回火)的工藝制度。

 

2 部分銅合金固溶(淬火)-時效(回火)的工藝制度

合金 牌號

固溶(淬火)

時效(回火)

加熱溫度/℃

保溫時間/min

冷卻介質

加熱溫度/℃

保溫時間/min

QBe2

700~800

15~30

300~350

120~150

QCr0。5

920~1000

15~60

400~450

120~180

QZr0。2

900~920

15~30

420~440

120~150

QTi7。10

850

30~60

400~450

120~180

Bal6-1.5

890~910

120~180

495~505

90~120

 

 

4熱處理爐內氣氛控制

根據熱處理時爐內介質與材料表面作用的特點,把熱處理分為普通(即空氣為介質)熱處理,保護性氣氛熱處理(即通常稱的光亮退火)和真空熱處理。

 

1)火焰加熱爐氣氛

這是一種老式的普通熱處理方式,是采用如煤氣等為燃料的燃燒加熱。

氧化性氣氛,就是燃料在過剩空氣的情況下燃燒,使爐內有較多的氧。

還原性氣氛,燃燒過程中爐內空氣不足,由于燃料的未充分燃燒而CO和CO2較多。

中性氣氛是爐內控制在氧化與還原之間的氣氛。微氧化氣氛,是爐內含有微量的氧,有一 定的氧化作用。

爐內氣氛的控制是根據合金的性質和技術要求來進行的。銅及銅合金一般都不用氧化性氣氛,因為不但破壞表面品質、氧化燒損大,而且合金內的低熔點的成分,如Sn、Pb、Sn、Zn、Cd等容易被蒸發等。因此,大多采用還原性或中性爐內氣氛。對于熱處理時容易吸氫產生“氫脆”、滲硫的合金通常采用微氧化氣氛,如含鎳的合金、純銅等。火焰加熱爐將逐漸被電加熱、保護氣體連續加熱的退火爐所代替。

 

2)保護性氣氛

由于密封技術和保護性氣體制造技術的進步,現在大多是采用保護性氣氛中加熱。保護性氣體成分要求在加熱時與合金不發生反應;對爐子的部件、熱電偶、電阻器件無侵蝕作用;成分穩定,制造簡單、供應方便。

保護性氣氛加熱大多采用電加熱方式。是20世紀90年代后采用電感應加熱的連續退火爐,都是用保護性氣氛、強制循環風式在線退火,簡化了工序,提高了表面品質和生產效率。過去的保護性氣氛是采用氮、二氧化碳,煤氣燃燒后的凈化氣體或水蒸氣等,由于爐子的密封性差,使用的保護氣體濃度低、成本高等原因,沒有取得滿意的效果。現在的保護氣體成分,主要是氮加氫。根據不同的合金采用不同的氮、氫比,加氫保護對黃銅尤為有效。由于氫的導熱系數是氮的1.7倍,可以大大提高熱的傳導速度。加氫后可縮短加熱時間,尤其在強風的作用下,對流傳熱效果更 好,使退火材料加熱均勻,保證了熱處理銅材組織性能的均勻。在強風的作用下,帶走了潤滑劑的揮發物,提高了表面品質。

 

制造保護性氣體的幾種方法:

①氨分解氣體:液氮汽化后進入填充有鎳觸媒劑的裂化器內,在750~850℃的溫度下,裂化生成氨和氫,經凈化除水除殘氨后送入爐內。這種保護性氣體適用于黃銅的退火。按計算lkg氨可生成1。97m3的氫和0.66m3的氮。

②氨分解氣體燃燒凈化:如果需要降低氨的比例,可燒掉部分氫,在燃燒過程中增加氮。

③氨分解氣體加入空分氮(或液氮汽化),經凈化后送入爐內,可根據需要得到不同比例的氫加氮的保護性氣體。

④用量較少時,可用瓶裝氮和瓶裝氫做保護性氣體。

⑤煤氣燃燒后的氣體,一般含96%的氮和小于4%的一氧化碳和氫,需凈化后使用。

⑥純氮,空分法制氮一般純度可達99.9%。焦炭分子篩變壓吸附空分制氮新工藝,采用了無油壓縮機,氮中含氧小于5×10-6,露點為-65℃。這對于含氧量較高的純銅、錫磷青銅的退火是極適宜的。

 

3)真空熱處理

在退火加熱時,將裝料的空間抽成真空,退火材料不與任何介質接觸的一種退火方式。真空退火有兩種形式:外熱式和內熱式。外熱式是加熱元件置于爐膽外面,采用電加熱,外熱式真空爐結構簡單,容易制造,裝出料方便。但升溫慢,熱損失大,爐膽壽命低。內熱式是加熱元件在爐膽內,熱處理材料也放在爐膽內,常采用鎢、鉬、石墨等材料作加熱元件。特點是升溫快、加熱溫度高、爐膽壽命長。但爐的結構復雜,投資大,降溫慢。采用真空退火時,純銅采用(10-1~10-2×133.3Pa,大多銅合金采用(10-2~10-3)×133。3Pa的真空度。真空退火時,料出爐時要在溫度降至100℃以下才能破壞真空,防止退火料氧化。近年來,銅合金的熱處理不推薦采用真空退火,因為真空是熱的不良導體,它只靠熱輻射傳熱,特別是表面光亮的材料,以輻射加熱更是困難。除了熱效率低外,還難于得到性能均勻的熱處理成品。因此,有逐漸被保護氣氛、氣墊式連續退火所代替。

5熱處理爐

熱處理設備主要是熱處理爐。選擇熱處理爐應考慮如下條件:即滿足熱處理工藝的要求,保證品質和性能;選擇合適的熱源,滿足生產的需要;爐子結構簡單、溫度控制準確、耐用、投資少;自動化程度高,生產效率高,勞動條件好,操作方便。

 

1)普通銅及銅合金熱處理爐

銅合金的常用的退火爐:按結構分有箱式爐、井式爐、步進式爐、車底式爐、輥底式爐、鏈式水封爐、單膛爐、雙膛爐、罩式爐等。按生產方式分有:單體分批式退火爐、氣墊式連續退火爐等。按爐內氣氛分有無保護氣氛退火爐、有保護性氣氛退火爐和真空退火爐等,按熱源分有:煤爐、煤氣爐、重油爐、電阻爐和感應爐等。淬火爐有立式、臥式和井式三種。

 

3 各種熱處理爐對比


 

2)常用的銅合金熱處理爐

目前,熱處理爐方面發展的主要趨勢:改進設計,尋找新工藝,提高熱利用效率;采用低溫或高溫快速退火,減少氧化、脫鋅;采用保護性氣體退火和強制循環通風,使之快速加熱、溫度均勻,提高退火產品品質;增強封閉效果,簡化工序提高集成度和連續化水平。

氣墊式爐是現代常用的銅合金單條帶材的退火爐,有在線退火,也有單獨退火。現在 的氣墊式退火爐,往往將酸洗、水洗、烘干、表面涂層、鈍化處理等結合在一起。它和鐘罩式退火爐比,爐溫高、退火時間短,可以實現高溫快速退火,如對厚0.05~1.5mm的帶材,只需幾秒鐘的加熱時間,對于厚帶也只需一分多鐘。加熱速度可調、加熱均勻,退火表面品質好,組織性能均勻。

氣墊式爐退火帶材的極 大厚度和極小厚度之比為10:15,極 大寬度和極小寬度之比為2,同一條帶厚與寬的比小于1/250。目前,可實現厚度0.05~1.5mm,寬度250~1100mm帶材的退火,退火速度為(4~100)m/min,生產能力5t/h,熱效率85%,熱源采用電或燃氣加熱均可。

氣墊式爐由開卷、焊接、脫脂、爐子、酸洗、剪切、卷取及輥、控制輥、活套塔等組成。圖1為帶材連續生產線的退火與酸洗機列示意圖,圖2為各種銅合金氣墊式爐連續退火示意圖。


1 帶材連續生產線的退火與酸洗機列示意圖

 


2 各種銅合金氣墊式爐連續退火示意圖

 

氣墊式退火爐是連續熱處理的新技術。它是將帶材通過爐子時,上下表面被均勻噴射的高溫氣流托起懸浮在熱處理爐中,上下噴氣相距80mm,被托浮的帶材達到無接觸。為了退火連續的進行,設有兩套開卷機和兩套卷取機。為提高帶材表面品質,清除帶材表面的軋制油或乳液,帶材進入退火爐要經過脫脂、水洗和干燥。在退火純銅或青銅帶材時,為帶材的表面不發生氧化,也不進行酸洗,加熱區和冷卻區要充入成分為2%~5%H2,含95%~98%N2的保護氣體。在退火黃銅帶材時,加熱區和冷卻區不充保護性氣體,但需要進行酸洗、水洗和干燥。對某些特殊用途的銅合金,退火后進行涂層和干燥。為了防止帶材跑偏,在加熱區和冷卻區上下兩排的噴嘴處設有光電對中裝置和糾偏輥,帶材卷取后的邊緣不齊率小于±1mm。有的氣墊式退火連續爐還帶張力矯平裝置。采用氣墊式連續爐大大提高了表面品質和制品組織性能的均勻度。表4列出了連續退火爐與氣墊式爐技術參數對比。

 

4 連續退火爐與氣墊式爐技術參數對比


 

 

 

酸洗與表面清理


1酸洗

酸洗工藝

在銅合金熱軋和熱處理的加工過程中,板坯或帶坯的表面容易發生氧化,為了清除表面的氧化皮,需酸洗。通常酸洗程序是:酸洗-冷水洗-熱水洗-烘干。對于目前采用的酸洗機列工作過程也是要經過這個程序。

生產車間的酸洗工藝有如下要求:對材料表面酸洗要干凈,采用有效的酸和酸液的濃度,酸洗時間要短,酸液的利用效率高,要有防污染的措施,以及注意對人身體的防護,考慮廢液及產物的回收再利用。

酸洗時主要采用硫酸或與硝酸混合的水溶液,反應過程是:氧化皮被溶解,或被化學反應所生成的氣體(氫氣的氣泡)將氧化皮機械作用而剝離。銅及銅合金與酸液的化學反應式如下:

CuO+H2SO4→CuSO4+H2O

Cu2O+H2SO4→Cu+CuSO4+H2O

Cu+2HNO3→Cu(NO3)2+H2

銅及其合金的表面氧化,外層是氧化銅CUO,在氧化銅的里面是氧化亞銅Cu2O,氧化亞銅在硫酸中的溶解是很慢的。為了使表面處理的干凈,加速氧化亞銅的溶解,要在硫酸溶液中加入適量的氧化劑重鉻酸鉀K2Cr2O7,或硝酸HNO3。但這樣會惡化勞動條件,會使酸槽的壽命降低。其化學反應式為:

K2Cr2O7+2H2SO4+3Cu2O→CuSO4+Cu5(CrO4)2+2H2O+K2SO4

4HNO3+H2SO4+CuO→CuSO4+Cu(NO3)2+2NO2+3N2O

 

對于表面不易洗凈的純銅、青銅、鋅白銅等合金,以及含Be、Si、Ni的銅合金,與稀酸液作用緩慢,可加入0.5%~1%的重鉻酸鉀。有的為了凈化油污和強化酸洗效果,在酸洗液中再加0.5%~1%的鹽酸或氫氟 酸。

酸洗時間與酸洗液的濃度及溫度有關。一般酸洗液的濃度為5%~20%,溫度為30~60℃,時間為5~30min。具體可根據酸洗的效果調整,如夏天多為室溫,冬天用蒸汽加熱,純銅取上限,黃銅取下限。酸液濃度、溫度愈高,產生酸霧愈厲害,對設備、環境、勞動條件等惡化越嚴重。為了減少煙霧的污染,常在酸洗液中加入一 定量的緩沖劑,且盡量采用低溫酸洗。

酸洗時產生的缺陷有:過酸洗、腐蝕斑點、殘留酸跡、水跡等。過酸洗主要是酸液濃度大、溫度高、時間長造成的,過酸洗不但產生腐蝕斑點,造成表面品質降低,還會過分的損耗酸和金屬。反之,如果酸濃度、溫度過低和時間過短,氧化皮會清洗不徹底。殘留酸跡、水跡主要是清洗不干凈,或干燥不及時、不徹底。為了實現快速酸洗,提高表面品質,出現了采用電解酸洗、超聲波酸洗的新方法。

酸洗液在酸洗過程中,濃度會不斷的減小,當酸液的硫酸含量小于50~100g/L,含銅量大于8~12g/L時,應及時補充新酸液或更換成新酸液。在配制新酸液時,必須先放水后加酸以確保安全。酸槽中嚴禁使用鐵制工具,以防板帶表面產生斑點。更換下來的廢酸液可用氨中和處理,提取硫酸銅、銅粉及制成微量元素化肥,也可用電解法獲得再生銅和再生酸液。配制酸液時用波美計測量酸的比重。

 

2表面清理

表面清理的方法很多,酸洗就是其中的一種常用的化學方法清理。常用的還有機械清理方法,如表面清刷機清刷和手工修理。

 

(1)表面清刷機清刷和手工修理

其目的是清除軋件表面在酸洗后殘存的氧化銅粉和酸跡,以提高表面品質。常用的表面清刷機有:單輥清刷機和雙輥清刷機,如圖1所示。

單輥清刷機每次只能清刷一個表面,每個刷輥有一個支撐輥,起壓緊作用,刷輥的線速度為0.6~6m/s,壓緊輥的進給速度為0.2~0.8m/s,刷輥的線速度比壓緊輥的線速度大3~10倍。刷輥的回轉方向與壓緊輥的進給方向相同或相反。刷輥可采用棕、尼龍絲、鋼絲、錫磷青銅絲等材料制成,刷輥直徑約200~300mm。對于雙輥清刷機可以同時清刷上下兩個表面。濕刷時可以避免氧化銅粉飛揚,但刷絲材料要避免腐蝕及生銹。干刷時應設置收塵器,回收氧化銅粉。

軋件表面局部氧化銅粉、變色、水漬和斑點,可用鋼絲刷或砂紙清擦去除,表面上的麻坑、裂紋、起皮、壓坑及夾灰等缺陷,用刮刀修理。

為了防止表面氧化變色,有時采用抑制劑進行表面處理。用鉻酸鹽可以作為有效的防銹處理劑,但+6價的鉻酸有毒,會污染環境。現在,采用一種有機抑制劑,苯并三氮唑(BTA,C6H5N3),通過BTA的處理,在銅合金表面上形成保護皮膜,即CuBTA皮膜。其厚度和形態因BTA處理液的溫度、pH值及合金的種類而不同,這種方法適用于清潔環境下處理,在腐蝕環境下效果不理想。目前,為除掉銅表面的氧化物及表面污染的基體,仍然采用鉻酸處理。

 

2)壓光

對于要求表面光潔度高的產品,有時采用壓光或拋光的工序。通常采用輥軋機進行壓光,輥徑較大,軋制速度較低,輥面的光潔度非常高,壓光時的壓下量總加工率為3%~10%。通過多道次壓光,可使產品的表面接近輥面的光潔度。壓光時,使用的潤滑油要求很高,黏度很小,如白油、煤油等。

 

3)拋光

表面拋光是采用尼龍輥或亞麻輥的輥式拋光機,結構與雙輥清刷機相似。尼龍輥為二對或三對,拋光時噴注拋光劑及粒度為3.5~5μm的滑石粉,拋光劑是水和Cr2O3的混合物,比例為10:1。

 

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