H68黄铜形变再结晶温度及晶粒尺寸变化的研究

唐志君，王 晨，刘克昌，邢若宇

（北京科大分析检验中心有限公司，北京 100083）

1 研究背景

金属材料的形变再结晶是金属学里面的一个重要研究部分。近几年，一些由于材料失效导致的工程事故也大都与材料的形变再结晶有很大关系。此前有不少的研究针对工模具钢、高速钢等材料的形变再结晶作出全面分析研究；而对有色金属的相关研究却乏善可陈。

有色金属中，使用较为广泛的是铜合金，本研究针对铜合金中使用最为广泛的H68黄铜进行研究，拟对其加工变形后在不同回火温度下获得的金相组织进行对比，推测其性能特点以指导实际生产[1]。

H68黄铜有较为良好的塑性（明显优于其它黄铜）和较高的强度，在成型性能方面也有较大的优势。这些优势使H68黄铜成为普通黄铜中应用最为广泛的一个品种。用于复杂的冷冲件和深冲件，如散热器外壳、导管、波纹管、弹壳、垫片、雷管等[2]。

鉴于此，本研究针对H68黄铜在加工成型和再结晶方面的特征进行研究，希望能获得较为合适的形变方法和再结晶温度，供企业在加工过程中参考选择。

2 样品基本情况及形变方式的选择

根据GB/T 5231-2012的要求，H68黄铜的化学成分：Cu：67.0-70.0%，Fe：0.10%，Pb：0.03%，余量为Zn，杂质总和不超过0.3%。一般情况下的H68黄铜供货态为硬态，大都是已经通过轧制成型的板材。硬态的H68黄铜有明显的脆性，无法直接进行变形加工。

供货态黄铜大都是硬态，所以在加工过程中可能会开裂甚至崩碎。本研究第一次尝试对黄铜进行变形时，使用电子万能试验机压缩黄铜样品，速率设定为5mm/min，结果样品出现突发性的开裂，开裂方向与压缩方向呈45°，断口光滑。在进行轧制的时候，直接对供货态的H68黄铜冷轧也会导致其崩碎。由此可见，硬态的H68黄铜需要退火方可加工。

常见的金属原料形变手段有压缩、锤击和轧制。锤击适用于纯锌等较软的有色金属；万能试验机的压缩功能对于工业纯铁或碳钢类样品的变形较适用。对于黄铜而言，锤击可能形成裂纹；压缩容易导致表面晶粒与中心晶粒出现形变差异，不利于后续的再结晶；故不作为本研究的形变手段[3，4]。

本研究最终选择了轧制的方式来模拟H68黄铜在实际生产中的形变。因为轧制可以保证晶粒细化且变形更加均匀。为了模拟实际生产中可能存在的大变形量，本研究的最终变形量定为60%。硬态黄铜原料无法冷轧，故最终变形方式定为加热条件下的轧制，轧制变形量定为60%。具体轧制方案为：将10mm厚的H68黄铜板在200℃～250℃加热炉中保温一小时后进行轧制；每道次压下率控制在3%～5%，过程中监测样品表面温度，保证每道次轧制后样品温度在200℃以上。最终下压量达60%后，空冷至室温。

3 形变及再结晶样品金相组织

3.1 形变后的H68黄铜金相组织

取轧制后样品截面，观察组织形貌。样品组织可见明显的沿轧制方向伸长的变形晶粒，部分晶粒内有褶皱，无明显孪晶。样品表面与中心的晶粒形变情况基本一致。

黄铜样品金相组织制备方法为：在冷却水保护下切取一小块样品，将其平行于轧制方向的截面朝下镶嵌；镶嵌后依次使用320#、600#、800#、1000#、1500#砂纸磨平表面，之后使用抛光机加入2.5μm金刚石抛光膏对其表面进行抛光至镜面；抛光后使用氯化铁盐酸溶液浸蚀。后续样品的金相组织均采用此方法制备。以此获得的轧制后H68黄铜的金相组织如下：

图1 经过60%形变量轧制后的H68黄铜， 200x

3.2 形变后H68黄铜在不同回火温度下的再结晶情况

部分研究表明，300℃以下的温度不能使大多数黄铜产生再结晶，但有部分研究称270℃会使部分牌号的黄铜出现再结晶现象。

根据以上资料，本研究对形变后的H68黄铜板进行取样，并拟定270℃、350℃、550℃和750℃四个温度为回火温度；为保证样品再结晶程度易于观察，保温时间定为1h。回火完成后的H68黄铜再结晶样品的金相组织如下：

图2 H68黄铜60%形变270℃（上）、350℃（下）保温1h后金相组织， 200x

形变后的H68黄铜经270℃保温1h后，无明显组织变化。可见270℃并不能使形变后的H68黄铜产生再结晶。而350℃保温1h后，H68黄铜形变样品出现了明显的组织变化：大多数晶粒的变形特征均被消除，组织均匀；再结晶的晶粒晶界较为圆润，晶粒尺寸与形变后的晶粒差异不大，无明显孪晶。

经550℃保温1h后，形变后的H68黄铜样品出现了明显的再结晶且晶粒已经长大（如图3左）。变形晶粒已完全消除，再结晶晶粒有明显孪晶特征。而经过750℃保温1h后，形变的H68黄铜已完成了再结晶并且有非常明显的晶粒长大，奥氏体晶界较为饱满，晶粒内有明显的孪晶组织。

图3 H68黄铜60%形变550℃（上）、750℃（下）保温1h后金相组织， 200x

3.3 再结晶后的晶粒度检测及性能预测

为评估不同温度下再结晶后的H68黄铜的性能，本研究对上述的样品进行了晶粒度测评。晶粒度评级方法选用GB/T 6394-2017规定的单圆截点法，每个样品测量五次后计算95%置信区间并判断相对误差（不超过10%视为结果有效）。形变样品及270℃回火样品晶粒变形较严重，故不做评级。其它三组样品晶粒度检测情况如下表。

表1 形变后的H68黄铜经350℃～750℃回火后的晶粒度评级

由上表可以看出，再结晶晶粒的尺寸随着回火温度的上升而增大。据此可以推测，随着温度升高，形变后的H68黄铜的强度会有所下降，同时由于其奥氏体晶粒的特点，晶粒尺寸增大会导致样品脆性更加明显，塑性下降。一般认为，晶粒细化的金属材料，拥有更好的综合性能。由此可见，在本研究的热处理工艺设计中，350℃保温1h后的形变H68黄铜的综合性能应该是最佳的。

4 结论

根据以上研究，我们可得到以下结论：首先，常见的H68黄铜供货态大都为硬态，在形变加工前需要进行适当的热处理或选择加热后再形变加工的方式，建议加热温度为200℃～250℃。

其次， 270℃不足以使形变后的H68黄铜发生再结晶。350℃保温1h后，形变后的H68黄铜出现了明显的再结晶现象，再结晶后的组织均匀，无明显的孪晶组织，晶粒尺寸较细小。

第三，温度对于形变后的H68黄铜再结晶晶粒尺寸有明显的正相关关系。形变后的H68黄铜经过350℃、550℃、750℃保温1h后，其金相组织的平均晶粒度分别为9.94±0.17、5.12±0.20、3.91±0.35。

以上结论在实际生产中可以提出以下建议：供货态H68黄铜在加工时一定要适当加热或热处理后加工，推荐温度为200℃～250℃。350℃再结晶后的H68黄铜金相组织均匀，晶粒尺寸较小；推荐使用该温度对加工成型的H68黄铜产品进行热处理，以获得较好的综合性能。