Φ5mm TP2内螺纹铜管成品退火工艺研究

余 琪，曾延琦，吴 礼

（1.江西铜业加工事业部，江西 南昌 330096；2. 江西铜业技术研究院有限公司，江西 南昌 330096）

1 引言

TP2内螺纹铜管是空调冷凝器和蒸发器的主要换热元件。随着空调制冷行业对节材、节能要求不断苛刻，更细径化、更薄壁化和更高效化的Ф5mm TP2内螺纹铜管在空调制冷行业中使用率呈逐年增大趋势［1-5］。由于Ф5mm TP2内螺纹铜管外径小、底壁薄，它在空调厂家加工过程中容易产生缺陷，对生产效率和产品质量非常不利，如弯U形管过程中，在铜管加工率较大处，易出现微裂纹，胀管扩口过程中铜管端口易出现收缩不均和裂纹［6-8］。这些缺陷的出现原因，一方面与空调厂家加工成形设备状态、操作等有关，另一方面与管材齿形参数一致性差，组织状态、延伸率和抗拉强度匹配不佳相关［9-10］。

本文以Ф5mm TP2内螺纹铜管成品退火工艺为研究对象，通过金相组织观察分析和力学性能测试等手段，研究成品退火工艺对Ф5mm TP2内螺纹铜管晶粒组织、力学性能的影响规律，探索Ф5mm TP2内螺纹铜管金相组织均匀、延伸率和抗拉强度匹配较佳所对应的成品退火工艺。

2 材料与方法

实验用硬态Φ5mmTP2内螺纹铜管取自LC精密铜管有限公司内螺纹铜管成型-精整工序，且样品来自同一铸坯，以保证实验结果的可比较性和准确性。采用基恩士VHX-1000C 3D金相显微镜观察分析样品的金相组织，采用美特斯Exceed Model E45万能试验机测试样品的延伸率和抗拉强度，采用意大利AFFRI DM2 D硬度计测试样品的维氏硬度。

3 结果与讨论

3.1 退火工艺与铜管晶粒组织

分析了退火温度为分别为470、480、490、500、510和520℃，保温时间分别为31、33、35、37、39和41min退火工艺下铜管晶粒组织的变化规律。对每一个工艺条件下的晶粒大小进行了观测和分析，每个工艺条件下观测了80个晶粒的尺寸，总共测了2880组数据。其统计结果如图1所示。

图1 退火工艺对铜管组织晶粒尺寸的影响

由图可知，在470～510℃范围内六条曲线的变化趋势大体一致，基本随着时间的延长，晶粒尺寸逐渐增大。总体上来说，470℃所对应的组织较为细小、均匀，晶粒尺寸变化幅度比较小，晶体组织较为稳定；480℃、490℃和500℃的晶粒尺寸波动较大；510℃和520℃的晶粒相对较大，但是也比较稳定。由此可知，在中间温度退火，铜管的晶粒度波动较低温和高温时大，这可能是由于在再结晶过程中，位错附近原子的运动在此温度下稳定性较差［11-12］。在温度较高的条件下，原子容易被同时激发而产生运动，而在低温条件下，由于受到原子运动速度的限制，晶粒没有充分长大，故在此两种条件下铜管组织的晶粒较为均匀。

3.2 退火工艺与铜管力学性能

根据前述实验结果及分析可知，在高温条件下（如退火温度520℃）和长时间保温条件下（如保温41min）退火，铜管容易产生较粗大而不均匀的组织，不利于铜管获得较好的力学性能，而且退火成本也相对较高。因此，选取退火温度分别为470、480、490、500和510℃和时间分别为31、33、35、37和39min铜管样品进行了力学性能测试，分析退火工艺对铜管力学性能的影响，为寻求最佳退火工艺提供参考。

金属材料的延伸率能反映材料塑性的好坏，延伸率越高，材料的加工性能越好，故一般情况下希望金属材料的延伸率越高越好。图2是退火工艺对铜管延伸率的影响。由图可知，随着退火温度的升高，铜管的延伸率呈现下降趋势，其中在470℃，延伸率较高，而且比较稳定。在480℃和490℃延伸率波动相对较大，在500℃和510℃相对稳定，其原因与再结晶组织状态有关。

图2 退火工艺对延伸率的影响

图3是退火工艺对铜管抗拉强度的影响。由图可知，在480℃和490℃保温31～39min时，铜管的抗拉强度波动较大，其他温度退火铜管的抗拉强度值相对较为稳定。其变化原因也与退火组织相关。综上可知，退火温度选择470℃，有利于铜管获得较细小、均匀的组织，同时获得较高塑性和较高强度。

图3 退火工艺对抗拉强度的影响

3.3 470℃/Xmin退火铜管组织和力学性能变化规律

（1）470℃/Xmin退火铜管组织变化规律。

为了进一步分析退火铜管组织演变规律，采用退火温度为470℃进行退火实验，时间为3～30min，对应的金相组织如图4所示，可以看出，随着时间的延长，铜管逐渐发生再结晶。在3min～18min内铜管发生了部分再结晶，在21min再结晶基本完成。在此过程中，再结晶的晶粒也逐渐发生长大，其长大规律如图5所示，由图可知，在3～18min范围内，晶粒长大的趋势较明显，当时间在18～30min时，晶粒长大趋势有所平缓。采用三次多项式拟合数据点获得晶粒随退火时间长大规律为d＝0.0008t3-0.062t2+1.7t-1.3。

图4 470℃退火温度下金相组织

图5 再结晶晶粒长大规律

（2）470℃/Xmin退火铜管硬度变化规律。

进一步分析了在470℃条件下，保温3～30min，铜管硬度变化规律，如图6所示，由图可知，保温时间为3～18min范围内，硬度急剧下降，而在保温时间为18～30min之间，随着保温时间的延长，硬度值变化较平缓，维氏硬度值维持为HV85左右。

由以上内螺纹铜管退火实验结果分析，在低温如470℃和短时间如30min条件下Φ5mm TP2内螺纹铜管易获得晶粒细小、均匀的组织，晶粒大小为16～18μm，铜管可呈现高强度和高塑性特性，抗拉强度205MPa，延伸率46%。考虑到Φ5mm TP2内螺纹铜管在胀管扩口时折管主要是其强度、硬度偏低的原因，以及出现微裂纹部分原因是其组织不均匀、晶粒大小不一造成的，建议Φ5mm TP2内螺纹铜管最佳成品退火工艺为保温温度470℃，保温时间 28～33min。

图6 470℃条件下硬度随时间变化曲线

4 结论

（1）Φ5mm TP2内螺纹铜管退火温度470～480℃时，铜管组织细小、均匀，可同时获得较的高塑性和较高的强度；490～500℃时，铜管晶粒尺寸、力学性能波动大；510～520℃时，组织易粗大，难以获得较好的综合力学性能。

（2）Φ5mm TP2内 螺 纹 铜 管 在470℃ 退火，晶粒尺寸随退火时间的规律为d=0.0008t3-0.062t2+1.7t-1.3，保温21min时，铜管再结晶基本完成，保温时间为28～31min时，铜管组织状态和综合力学性能最佳。