连续挤压与拉拔对Cu-2Ag-0.04La合金组织及性能的影响

郭 伟,余 琪,2,陈 岩,胡延波,宋鸿武,王松伟,杨国富

(1.江西铜业加工事业部,南昌 330096;2.中南大学机电工程学院,长沙 410083;3.江西铜业技术研究院有限公司,南昌 330096;4.中国科学院金属研究所,师昌绪先进材料创新中心,沈阳 110016)

0 引 言

铜合金具有良好的力学性能和导电性能,广泛用于轨道交通、航空航天、电子元器件等领域[1-2]。其中,Cu-Ag合金具有优越的强度和导电匹配性,且银的添加对铜的塑性影响很小,同时可以提高合金的抗软化温度[3-4],因此Cu-Ag合金被认为是生产超微细铜线材最理想的材料。近年来,为了进一步提升合金强度,且控制合金生产成本,把稀土(RE)元素加入到Cu-Ag合金中的研究已逐渐成为热点。稀土元素在铜合金中具有良好的合金化效果,能明显改善铜合金的原始组织,进而提高其力学性能;同时稀土元素还可以促进第二相的析出,但会导致合金电导率略有降低[5-6]。HU 等[7-8]开发了一种Cu-Ag-La合金,高含量的镧(质量分数0.14%和0.15%)与合金中的富银相结合,形成了尺寸较大(粒径5～8μm)的富银相,力学性能相比Cu-Ag合金得到显著提高。但是,大尺寸高镧含量的富银相在铜合金线材的拉拔过程中易与铜基体间产生不均匀变形,导致线材中产生凹槽缺陷[7]。目前,对低镧含量的Cu-Ag-La合金组织和性能的研究报道较少。

研究[9]表明,采用定向凝固技术制备的柱状晶组织有效地减少了拉丝断裂现象,同时该技术缩短了传统的线材制备时间,降低了生产成本,有望应用于Cu-Ag合金线材的制备。丝状Cu-Ag合金的力学和导电性能取决于其成分和冷加工程度对组织的影响程度[10-12]。ZHU等[13]通过连续定向凝固和拉拔工艺制备了高强高导Cu-4Ag合金丝,当拉拔应变为11.28时,合金丝的抗拉强度为1 048 MPa,导电率为75.2%IACS。此外,强烈的拉拔应变会诱导合金中产生择优的拉拔织构,影响合金的性能[14-16]。连续挤压工艺流程短,不需要外部热源,在细化晶粒和提高产品力学性能方面有显著效果。目前用于连续挤压成形的金属材料多为Cu-Cr[17]、Cu-Mg[18]合金,但是对Cu-Ag合金的研究较少。研究[19-20]发现,低银含量的Cu-Ag合金更能达到强度与导电率的良好匹配,并可以通过添加微量稀土元素镧来改善合金的力学性能。基于此,作者采用下引连铸定向凝固技术制备了直径为14 mm 的Cu-2Ag-0.04La合金棒,再经过连续挤压获得直径为7 mm的合金丝,最后经过6道次拉拔工艺获得直径为2 mm 的合金线,研究了连续挤压和拉拔工艺对定向凝固Cu-2Ag-0.04La合金组织和性能的影响,并探究该合金在变形过程中的组织与性能演变。

1 试样制备与试验方法

试验材料包括纯度99.9%的电解铜、纯度99.999%的电解银和纯度99.99%的稀土镧。按照Cu-2Ag-0.04La合金的名义成分称取试验材料,采用下引连铸真空感应炉进行熔炼,具体流程如下:将铜放入坩埚中,抽真空,升温至1 160℃并保温后,加入纯银及稀土镧;待合金液升温至牵引温度1 180℃后,保温静置15 min,然后开始牵引,牵引速度为5 mm·min-1,得到直径为14 mm 的铸态Cu-2Ag-0.04La合金棒,实测成分(质量分数/%)为0.035La,1.96 Ag,余Cu。将连续挤压模具加热至780℃后嵌入到连续挤压主机中,将铸态合金棒矫直后,由送料装置牵引进入主机挤压轮槽中,经过连续挤压获得直径为7 mm 的合金丝,挤出丝直接进入冷却槽水冷,吹干,由收排线机卷取成盘。采用拉丝机设备对连续挤压态合金丝进行6道次拉拔工序,最后得到直径为2 mm 的合金线,具体的拉拔工艺如表1所示,其中拉拔应变η的计算公式为

表1 Cu-2Ag-0.04La合金的拉拔工艺Table 1 Drawing process of Cu-2Ag-0.04La alloy

式中:A0和A分别为拉拔试样的原始横截面积和最终横截面积。

在铸态、连续挤压态和拉拔态Cu-2Ag-0.04La合金上截取金相试样,经机械磨抛,用由3.5 g FeCl3、25 mL无水乙醇和75 mL去离子水组成的混合溶液腐蚀后,采用Olympus OLS-5000型激光共聚焦显微镜对试样的横截面和纵截面显微组织进行观察。采用Apreo 2s型扫描电子显微镜(SEM)观察微观形貌,并用SEM 附带的能谱仪(EDS)对第二相成分进行分析。采用D8 ADVANCE-A25型X射线衍射仪(XRD)测定不同铸态合金的宏观织构,电流为36 m A,加速电压为36 k V,扫描范围为0°～90°。采用Apreo 2s型场发射扫描电子显微镜进行电子背散射衍射(EBSD)分析,获得微观织构,衍射倾角为70°,加速电压为20 k V。采集完成后,通过Channel 5软件分析晶粒尺寸及择优取向信息。利用AFFRI DM8型维氏硬度计测合金的硬度,载荷为2 N,保载时间为15 s,测6次取平均值。按照GB/T 228-2010,在不同状态合金上截取拉伸试样,采用MTS E45.105型万能试验机进行室温拉伸试验,拉伸速度为2 mm·min-1,测3个试样取平均值。采用TX-300A型智能金属导体电阻率仪测合金的导电率,单位用%IACS表示,测3次取平均值。

2 试验结果与讨论

2.1 对显微组织的影响

由图1可以看出,通过下引连铸定向凝固方法制备得到的铸态Cu-2Ag-0.04La合金组织为与下引方向平行的柱状晶,柱状晶的平均宽度为1.12 mm。由图2可以看出:铸态Cu-2Ag-0.04La合金横截面组织以交错排布的十字状枝晶为主,纵截面组织以规则排列的长条状枝晶为主;横截面初生枝晶长度为76.2μm,枝晶宽度为17.3μm,纵截面初生枝晶宽度为14.5μm,枝晶间距为19.5μm。

图1 铸态Cu-2Ag-0.04La合金的横截面和纵截面宏观组织Fig.1 Cross section(a)and longitudinal section(b)macrostructure of as-cast Cu-2Ag-0.04La alloy

图2 铸态Cu-2Ag-0.04La合金的横截面和纵截面显微组织Fig.2 Cross section(a)and longitudinal section(b)microstructure of as-cast of Cu-2Ag-0.04La alloy

由图3可以看出:连续挤压态Cu-2Ag-0.04La合金由均匀的等轴组织组成,表明在连续挤压过程中组织发生了强烈的动态再结晶,多数晶粒取向为<001>;连续挤压态合金中大部分晶粒尺寸在0～6μm,占比约为66.1%,平均晶粒尺寸约为5.8μm;在拉拔过程中晶粒被拉长,形成纤维状组织,拉拔态合金中尺寸为0～2μm 的晶粒占比由拉拔前的36.4%增加到72.5%,平均晶粒尺寸约为1.9μm。由此可知,冷加工可细化连续挤压态Cu-2Ag-0.04La合金的晶粒。

图3 连续挤压态和拉拔态Cu-2Ag-0.04La合金的EBSD取向成像图与晶粒尺寸分布Fig.3 EBSD orientation imaging map(a-b)and grain size distribution(c-d)of Cu-2Ag-0.04La alloy in continuous extrusion state(a,c)and in drawing state(b,d)

由图4可以看出,铸态、连续挤压态和拉拔态Cu-2Ag-0.04La合金均主要由暗色基体和不均匀分布的白色颗粒(图中箭头所示位置)组成。通过EDS分析结果可知,暗色基体中的铜、银、镧元素质量分数分别为98.8%,1.1%,0.02%,白色颗粒中的铜、银、镧元素质量分数分别为25.3%,74.6%,0.01%,说明白色颗粒为富银相。铸态组织中初生富银相近似为球状,尺寸为1.3～3.2μm;经过连续挤压后,富银相主要以球状为主,部分在连续挤压过程中破碎,平均尺寸为1.3μm;拉拔后纵截面呈纤维状,小部分富银相沿拉拔方向被拉长,大部分富银相在拉拔过程中破碎,尺寸为0.3～0.8μm,基体中出现许多微孔和沟槽。综上:用下引连铸定向凝固法制备的Cu-2Ag-0.04La合金组织为晶界平直的柱状晶,富银相为球状,尺寸较大;经过连续挤压后,铸态组织转变为等轴状再结晶组织,富银相细化;再经多道次拉拔后,等轴晶粒被拉长成纤维状,小部分富银相沿拉拔方向变形,大部分碎化成小尺寸颗粒。大尺寸的初生富银相被连续挤压过程中的剪切应力分解成微尺寸相,且发生变形;在动态再结晶过程中位于晶界上的微尺寸相可在一定程度上抑制晶粒的长大[21],这也是连续挤压后晶粒尺寸较小的原因之一。在拉拔过程中,大部分的微尺寸相在径向压应力下破碎,形成尺寸更小的颗粒;同时在轴向拉应力下部分微尺寸相被截留在晶粒中,沿拉应力方向移动,由于微尺寸相的大小不一,在拉拔过程中与铜基体变形不一致,因此形成了沟槽。

图4 铸态、连续挤压态和拉拔态Cu-2Ag-0.04La合金的横截面和纵截面SEM 形貌Fig.4 Cross section(a,c,e)and longitudinal section(b,d,f)SEM morphology of Cu-2Ag-0.04La alloy in cast state(a-b),in continuous extrusion state(c-d)and in drawing state(e-f)

2.2 对织构的影响

由图5可以看出,铸态Cu-2Ag-0.04La合金以较强的<001>织构为主,连续挤压态合金保留了较强的<001>织构,且<111>织构开始变强,拉拔态合金的<001>织构变弱,以<111>织构为主。

图6为不同状态Cu-2Ag-0.04La合金的取向分布函数(ODF)截面图。由图6可以看出:当φ2=45°时,铸态Cu-2Ag-0.04La合金中存在较强的{001}<100>织构;连续挤压后,{001}<100>织构减弱,开始形成较弱的{111}<112>和{110}<112>织构;拉拔后,{001}<100>织构基本消失,{111}<112>和{110}<112>织构增强。

图6 铸态、连续挤压态和拉拔态Cu-2Ag-0.04La合金的ODF截面图Fig.6 ODF cross section images of Cu-2Ag-0.04La alloy in cast state(a),in continuous extrusion state(b)and in drawing state(c)

2.3 对力学性能和导电性的影响

由图7可知,铸态合金具有较低的硬化能力和良好的塑性。铸态Cu-2Ag-0.04La合金的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为188.6 MPa,76.7 MPa和34.6%,导电率和维氏硬度分别为93.8%IACS和72.6 HV。

图7 铸态Cu-2Ag-0.04La合金在室温下的拉伸工程应力-工程应变曲线Fig.7 Tensile engineering stress-engineering strain curve of as-cast Cu-2Ag-0.04La alloy at room temperature

由图8可以看出:连续挤压态Cu-2Ag-0.04La合金的抗拉强度与屈服强度分别为270.0,118.2 MPa,断后伸长率达到31.2%,相比于铸态合金,抗拉强度与屈服强度分别提高了43.2%和54.1%,断后伸长率则下降了9.8%;拉拔后,抗拉强度与屈服强度迅速升高,且随着拉拔道次的增加,即拉拔应变的增加,强度显著提高,塑性显著降低。6道次拉拔后合金的抗拉强度与屈服强度分别为566.1,523.1 MPa,断后伸长率仅为4.6%。由图9可以看出:连续挤压态Cu-2Ag-0.04La合金的硬度为84.3 HV,与铸态合金相比,提高了16.1%;3道次拉拔后硬度迅速提高了69.9%,表现出加工硬化行为,之后随着拉拔道次的增加,硬度增长趋于缓慢,加工硬化率较低,6道次拉拔后的硬度达到151.6 HV。连续挤压态Cu-2Ag-0.04La合金的导电率为93.2%IACS,1道次拉拔后的导电率下降至91.5%IACS,拉拔6道次后下降到88.9%IACS。

图8 拉拔态Cu-2Ag-0.04La合金的拉伸性能随拉拔道次的变化曲线Fig.8 Tensile properties vs drawing pass curves of Cu-2Ag-0.04La alloy in drawing state

图9 拉拔态Cu-2Ag-0.04La合金的硬度与导电率随拉拔道次的变化曲线Fig.9 Hardness and conductivity vs drawing pass curves of Cu-2Ag-0.04La alloy in drawing state

连续挤压后,Cu-2Ag-0.04La合金晶粒的细化引起抗拉强度的大幅度提升,且塑性变形可以分散在较多的晶粒内进行,因此塑性降低幅度很小。拉拔引起的加工硬化导致拉拔后合金的强度继续提高[19]。连续挤压态合金组织为等轴状组织,但拉拔后为纤维状组织,因此拉拔态合金的断后伸长率明显低于连续挤压态。经连续挤压和拉拔后,Cu-2Ag-0.04La合金的富银相以细小弥散的微粒分布在基体中,阻碍位错运动,使合金强度提高;但富银相与基体之间的变形程度不一致导致二者产生机械分割,造成塑性的降低[20]。铸态Cu-2Ag-0.04La合金具有沿轴向生长的柱状晶结构,柱状晶的取向主要是<100>,这归因于不同取向的晶粒生长速率的差异[22]。随着连续挤压和拉拔过程的进行,<100>织构减弱直至消失,<111>织构增强。<100>取向具有较低的变形储能和加工硬化速率,因此合金具有较低的流变应力和较高的延展性;相反,具有<111>取向的合金变形储能和加工硬化速率均较高,因此合金的强度升高,但延展性降低[23]。随着连续挤压和拉拔变形进行,Cu-2Ag-0.04La合金的基体逐渐纤维化,富银相破碎,合金界面密度增加,晶界对电子的散射起主导作用,同时富银相阻碍电子传输,导致合金导电率下降。

3 结 论

(1)铸态Cu-2Ag-0.04La合金经过连续挤压后,柱状晶碎化并发生再结晶,形成等轴状晶粒,经过多道次拉拔后等轴晶粒被拉长成纤维状。铸态组织的富银相为球状,连续挤压后富银相细化,部分变形;经过多道次拉拔后,部分富银相沿着拉拔方向被拉长,大部分碎化成微尺寸颗粒相。

(2) 铸态Cu-2Ag-0.04La合金柱状晶的取向主要是{001}<100>,连续挤压后{001}<100>织构减弱,并开始形成较弱的{111}<112>和{110}<112>织构,6道次拉拔后,{001}<100>织构基本消失,{111}<112>和{110}<112>织构增强。

(3) 连续挤压态Cu-2Ag-0.04La合金的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、硬度、导电率分别为270.0 MPa,118.2 MPa,31.2%,84.3 HV,93.2%IACS,相比于铸态合金,抗拉强度、屈服强度、硬度分别提高了43.2%,54.1%,16.1%,断后伸长率和导电率分别下降了9.8%,0.6%;经过6道次拉拔后,抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、硬度、导电率分别为566.1 MPa,523.1 MPa,4.6%,151.6 HV,88.9%IACS。