一种锥形壳体铜件的细晶化制备方法.pdf

一种锥形壳体铜件的细晶化制备方法，包括温挤压塑性变形、第一次热处理、冷挤压塑性变形、第二次热处理步骤；所述温挤压塑性变形包括：将坯料在保护气氛中进行热处理，保温温度400～600℃，保温时间1～2h，再将保温后的坯料放入模具内进行塑性变形，第一道次变形量80%以上。本发明采用一次温挤压和一次冷挤压就实现锥形壳体铜件的成形，而且制得的产品品质佳，其晶粒组织均匀性，表面光洁度，尺寸精度，力学性能等性能优异。

权利要求书
1.  一种锥形壳体铜件的细晶化制备方法，包括温挤压塑性变形、第一次热处理、冷挤压塑性变形、第二次热处理步骤；所述温挤压塑性变形是将坯料在保护气氛中进行热处理，保温温度400～600℃，保温时间1～2h，再将保温后的坯料放入模具内进行塑性变形，第一道次变形量80%以上。

2.  如权利要求1所述的锥形壳体铜件的细晶化制备方法，所述冷挤压塑性变形是在室温下成形，变形量不大于40%。

3.  如权利要求1或2所述的锥形壳体铜件的细晶化制备方法，所述第一次热处理是在保护气氛下270～480℃保温1～2h，再随炉冷却至室温；第二次热处理是放入真空热处理炉中，在250～450℃条件下保温时间0.5～1.5h。

4.  如权利要求1、2或3所述的锥形壳体铜件的细晶化制备方法，所述温挤压塑性变形，坯料表面和模具型腔内表面涂布润滑剂，所述润滑剂为水基玻璃、石油磺酸钡、油基纳米石墨中的一种或几种；所述冷挤压塑性变形，坯料表面和模具型腔内表面涂布润滑剂，所述润滑剂为精冲油、蓖麻油、菜籽油、动物油中一种或几种。

5.  如权利要求4所述的锥形壳体铜件的细晶化制备方法，冷挤压塑性变形的润滑油采用蓖麻油和菜籽油。

6.  如权利要求1所述的锥形壳体铜件的细晶化制备方法，包括以下步骤：
（1）原材料的制备：选取坯料，切取相应的铜棒材长度，将坯料切取为铜棒材，铜棒材直径为φ80～φ170mm；铜材料为纯铜、青铜、黄铜或白铜；
（2）温挤压塑性变形：将步骤（1）所得的坯料放入气氛保护炉中进行热处理，保温温度400～600℃，保温时间1～2h，同时模具工装系统进行保温，保温温度为400～600℃，保温时间2～4h；再将保温加热的坯料放入模具工装系统的挤压模具模腔内，在三向压应力和变形速率作用下，大塑性变形成形出锥形壳体铜件，在成形过程中坯料表面和模具型腔内表面涂布一层润滑剂，锥形壳体件圆周壁厚差小于0.5mm、表面光洁度达到Ra3.2；
（3）均匀化退火热处理：将步骤（2）所得锥形壳体件在270～480℃条件下保温退火处理1～2h，采用保护气氛热处理，再随炉冷却至室温；
（4）冷挤压塑性变形：将步骤（3）所得的锥形壳体件放入挤压模具模腔内，在三向压应力和变形速率作用下，在常温下对锥形壳体件进行冷挤压塑性变形，在成形过程中坯料表面和模具型腔内表面涂布一层润滑剂，使锥形壳体件圆周壁厚差0.05～0.15mm、表面光洁度达到Ra0.8；
（5）再结晶退火热处理：将步骤（4）所得的锥形壳体放入真空热处理炉中，在250～450℃条件下保温时间0.5～1.5h。

7.  如权利要求1-6任一所述的锥形壳体铜件的细晶化制备方法，所述保护气氛，是指N2、氩气、氨气等常用保护气体中的一种或几种的混合气体。

说明书一种锥形壳体铜件的细晶化制备方法
技术领域
本发明属于金属塑性变形技术领域，具体地说是一种应用较广泛的纯铜或铜 合金零件细晶化形变热处理技术领域。
背景技术
铜属于面心立方晶格结构，有较多的滑移面，具有良好导电性、导热性及优 良的冷热加工成形性能，并且化学性质比较稳定，在航空航天、船舶、兵器、电 子等领域应用非常广泛。通过查阅相关的文献资料表明，国内外针对铜或铜合金 构件的形变热处理方法比较单一，常见的是热锻成形、冷挤压成形与均匀化退火 处理工艺相结合，如南京理工大学的王铁福教授对锥形罩晶粒组织与射流的相关 性研究表明，锥形罩的晶粒细小均匀、低应力状态显著提高射流长度与稳定性， 同时探讨了热处理对晶粒度、射流稳定性影响的机理(王铁福.锥形罩材料的晶 粒度对射流性能的影响[J]，高压物理学报，1996年)；中北大学的方敏教授采用 热挤压成形技术，研制出外径为250mm大顶角紫铜锥壳构件，壁厚差小于0.3mm， 内表面光洁度达到Ra1.6，平均晶粒尺寸约为25μm(方敏.温挤压紫铜锥形罩形 成射流及其运动特性研究[D]，太原理工大学，博士学位论文，2009年)；美国沃 特弗利特-阿莫里实验室、国营锻造公司对Cu、W、Mo、贫铀合金等材料锻造与热 处理行为研究表明，采用高能锻造方法，能缩短构件的制备流程，晶粒细化有利 于增强射流稳定性和延长射流破断时间(Simon J，Martin T H.Spin  compensation of shaped charge liners manufacture by the rotary extrusion  process.AD-305555，1958)。
这些技术存在的具体不足和缺点：一是采用热锻成形与退火处理工艺，成形 件晶粒尺寸随温度的升高而迅速长大，且表面氧化严重，使加工后零件的表面质 量及组织均匀性难以满足设计要求；二是采用多道次冷挤压与均匀化退火处理工 艺，成形工序复杂，变形道次多，对设备精度与人员素质要求高；三是采用高能 锻造技术，由于铜、铁、钼合金等材料应变率强化效应非常明显，构件开裂倾向 严重，成形件废品率高。
发明内容
本发明首次提出一种锥形壳体铜件的细晶化制备方法，采用细晶化形变热处 理，使晶粒组织均匀性、性能一致性、应力状态等方面获得明显改善。
本发明是通过以下措施实现的：
一种锥形壳体铜件的细晶化制备方法，包括温挤压塑性变形、第一次热处理、 冷挤压塑性变形、第二次热处理步骤；所述温挤压塑性变形包括：将坯料在保护 气氛中进行热处理，保温温度400～600℃，保温时间1～2h，再将保温后的坯料 放入模具内进行塑性变形，第一道次变形量80％以上。
上述冷挤压塑性变形是在室温下进行塑性变形，变形量不大于40％。
上述第一次热处理是在保护气氛下加热到270～480℃，保温1～2h，再随炉 冷却至室温；第二次热处理是放入真空热处理炉中，在250～450℃条件下保温 时间0.5～1.5h。
上述温挤压塑性变形，坯料表面和模具型腔内表面涂布润滑剂，所述润滑剂 为水基玻璃、石油磺酸钡、油基纳米石墨中的一种或几种。在成形之前将润滑油 涂布在坯料、模具型腔表面，减少坯料与模具接触面间的摩擦力，提高成形过程 中金属的流动性，并减少锥形壳体件表面氧化程度。上述冷挤压塑性变形，坯料 表面和模具型腔内表面涂布润滑剂，所述润滑剂为精冲油、蓖麻油、菜籽油、动 物油中一种或几种。在成形之前涂布在坯料、模具型腔表面，减少坯料与模具接 触面间的摩擦力，提高成形过程中金属的流动性，并改善锥形壳体件的表面质量。 优选采用蓖麻油和菜籽油，弹性变形，膜层薄、提高光洁度，且更易贴膜。
上述锥形壳体铜件的细晶化制备方法，包括以下步骤：
(1)原材料的制备：依据设计的锥形壳体铜件形状结构，计算得出原材料 的体积，并依据塑性加工成形理论与近均匀塑性变形原理，选取合适的坯料尺寸， 切取相应的铜棒材长度，铜棒材的直径为φ80～170mm；铜材料为纯铜、青铜、 黄铜、白铜等；
(2)温挤压塑性变形：将步骤(1)所得的坯料放入气氛保护炉中进行热处 理，保温温度400～600℃，保温时间1～2h，模具工装系统的保温温度为400～ 600℃，保温时间2～4h；再将保温加热的坯料放入模具工装系统的挤压模具模 腔内，在三向压应力和一定的变形速率作用下，大塑性变形成形出锥形壳体铜件， 在成形过程中坯料表面和模具型腔内表面涂布一层润滑剂，锥形壳体件圆周壁厚 差小于0.5mm、表面光洁度达到Ra3.2；提高了成形件表面质量，获得所需形状、 尺寸、表面质量以及具有好的力学性能的构件。
(3)均匀化退火热处理：将步骤(2)所得锥形壳体件在270～480℃条件 下保温退火热处理1～2h，采用气体保护热处理方式，再随炉冷却至室温；获得 均匀的组织结构，并消除部分加工硬化效应，提高材料的塑性成形性。
(4)冷挤压塑性变形：将步骤(3)所得的锥形壳体件放入挤压模具模腔内， 在三向压应力和变形速率作用下，对锥形壳体件进行冷挤压塑性变形，在成形过 程中坯料表面和模具型腔内表面涂布一层润滑剂，使锥形壳体件圆周壁厚差小于 0.2mm、表面光洁度达到Ra0.8；提高了成形件表面质量，并进一步细化晶粒组 织，并为后续热处理提供形变能。
(5)再结晶退火热处理：将步骤(4)所得的锥形壳体放入真空热处理炉中， 在250～450℃条件下保温时间0.5～1.5h。通过再结晶退火热处理进行晶界优 化，以及位错的滑移、攀移，使局部点阵和晶界面取向变动，促使退火过程中动 态再结晶和孪晶的形成，降低加工硬化效应，并得到具有均匀细小退火再结晶组 织结构的锥形壳体件。
上述温挤压塑性变形，是在铜或铜合金的动态再结晶温度附近进行成形(Tm ±20℃)，Tm是铜或铜合金的动态再结晶温度；所述步骤(2)中大塑性变形， 是指温挤压一道次变形量达到80％以上，铜或铜合金在再结晶温度附近变形极限 达99％，通过大塑性变形缩短成形工序，减少加热工序导致的晶粒长大。
上述保护气氛，是指高纯N2、氩气、氨气等常用保护气体中的一种或几种的 混合气体。
有益效果
1.本发明采用一次温挤压和一次冷挤压就实现锥形壳体铜件的成形，而且制 得的产品品质佳，其晶粒组织均匀性，表面光洁度，尺寸精度，力学性能等性能 优异。
2.本发明采用温挤压大塑性变形、冷挤压小塑性变形工艺、再结晶退火处 理相结合的集成方法，在挤压成形过程中的变形应力和应变效应促进材料内部的 堆垛错排和晶粒的细化，再通过退火热处理工艺促使动态再结晶、孪晶的形成， 实现形变热处理细晶化，为高性能细晶铜锥形壳体件的研制提供一种新的制备方 法。本发明克服了常规制备方法获得构件表面质量差、内部晶粒尺寸差异大、应 力分布不均等技术难题，同时还具有生产效率高、工艺简单、易于实现工业化生 产等优点。
(1)材料利用率高。采用温挤压大塑性变形+冷挤压小塑性变形相结合的工 艺方法，锥形壳体件外表面仅留少量的机械切削加工余量，内表面完全不加工， 可以使锥形壳体件材料利用率显著提高。
(2)成形件产品性能好。采用温挤压大塑性变形+冷挤压小塑性变形、再结 晶退火处理工艺相结合的集成方法，实现铜或铜合金锥形壳体件的形变细晶化， 获得低应力状态的锥形壳体件。
(3)零件产品尺寸规格一致性好。采用温挤压大塑性变形+冷挤压小塑性变 形、再结晶退火处理相结合的集成方法，锥形壳体件的内表面光洁度、圆周壁厚 差等通过模具工装系统保证，外界干扰因素小，同时成形模具使用寿命长，因而 零件产品尺寸规格的一致性好。
(4)零件产品质量有效控制。通过对变形量、退火温度与时间等工艺参数 临界控制，获得所需的组织结构，实现零件产品质量的有效控制，提高产品的安 全性、可靠性与使用寿命。
附图说明
图1细晶化形变热处理示意图
图2实施例1紫铜原材料的晶粒组织结构(金相显微镜放大100倍，平均晶粒尺 寸约为130μm)
图3实施例1温挤压大塑性变形后的组织结构(金相显微镜放大100倍，呈纤维 状组织结构)
图4实施例1温挤压大塑性变形后的退火组织结构(金相显微镜放大100倍，平 均晶粒尺寸约为40μm)
图5实施例1冷挤压细晶化形变处理组织结构(金相显微镜放大100倍，平均晶 粒尺寸约为15μm)
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
(1)原材料的制备：锥形壳体件的大端尺寸为φ420mm、高度200mm、内锥 深度192mm、最大壁厚6mm，依据设计的成形件结构特点，选取φ120mm的轧制 T2铜棒为原材料，下料并车削外表面制成直径118mm、长度80mm的坯料；该T2 紫铜棒材的杂质元素含量如表1所示，显微组织结构如图2所示。
表1 T2铜棒材的杂质元素含量

(2)温挤压塑性变形：将步骤(1)所得的坯料放入H2气氛保护炉中进行 热处理(氮气纯度99.9％，湿度小于0.05％)，保温温度525±5℃，保温时间1.5h； 模具工装系统的保温温度为550±5℃，保温时间2h；再将保温加热后的坯料放 入挤压模具模腔内，在三向压应力和一定的变形速率作用下，大塑性变形程度为 86.8％，成形出铜锥形壳体件，在成形过程中坯料表面和模具型腔内表面涂布一 层水基玻璃润滑剂。提高了成形件表面质量，锥形壳体件圆周壁厚差小于0.5mm、 表面光洁度达到Ra3.2，显微组织如图3所示，属于典型的变形组织结构。
(3)均匀化退火热处理：将步骤(2)所得锥形壳体件在390±5℃条件下 保温退火处理2h，再随炉冷却至室温，表面硬度小于HB60，显微组织如图4所 示，属于典型退火态近等轴晶组织。
(4)冷挤压塑性变形：将步骤(3)所得的锥形壳体件放入挤压模具模腔内， 在三向压应力和一定的变形速率作用下，通过冷挤压塑性变形对锥形壳体件进一 步细化晶粒组织，变形程度为38.4％，在成形过程中坯料表面和模具型腔内表面 涂布一层精冲油润滑剂。提高成形件表面质量，使锥形壳体件圆周壁厚差小于 0.1mm、表面光洁度达到Ra0.8。
(5)再结晶退火热处理：将步骤(4)所得的锥形壳体件放入真空热处理炉 中(真空度为1.5×10-3Pa)，在380±5℃条件下保温时间1h，通过再结晶退火 处理进行晶界优化，以及位错的滑移、攀移，使局部点阵和晶界面取向变动，促 使退火过程中动态再结晶和孪晶的形成，降低加工硬化效应，并得到具有均匀细 小退火再结晶组织结构的锥形壳体件，显微组织如图5所示，平均晶粒尺寸为 15μm，表面硬度为HB50～HB60。
结果表明：
本发明集成温挤压大塑性变形+冷挤压小塑性变形、再结晶退火处理制造技 术，在三向压应力和一定的变形速率作用下，通过强烈塑性变形、畸变能与热能 协同作用，实现形变细晶化(形变细晶化热处理示意图如图1所示)，获得的锥 形壳体件平均晶粒尺寸约为15μm，如图5所示；由图2可以看出，T2紫铜原始 材料的平均晶粒尺寸约为130μm，晶界线比较平直，原始坯料的塑性成形性和 延展性不佳；通过细晶化形变热处理促进了铜材料内部的堆垛错排，而堆垛错排 又可以增加动态再结晶退火过程中产生孪晶晶核数量，同时冷挤压应变达到了细 化晶粒的效果，控制了动态再结晶退火前晶粒的大小和退火后孪晶的大小，在退 火过程中位错滑移、攀移，使局部点阵和晶界面取向变动，促进了退火过程中孪 晶的形成和再结晶的形核率；通过本发明制备的铜锥形壳体件，圆周壁厚差 0.05～0.15mm，表面光洁度小于Ra0.8，表面硬度小于HB55。制备得到的铜锥形 壳体件最大晶粒尺寸/平均晶粒尺寸≤2，屈强比≥0.55，延伸率≥45％，应力指 数≤2。
实施例2
一种锥形壳体铜件的制备方法，采用以下步骤(其它步骤和参数同实施例 1)：
(1)原材料的制备：选取坯料，切取相应的铜棒材长度，将坯料切取为铜 棒材，铜棒材直径为φ80mm；铜材料为纯铜、青铜、黄铜或白铜；
(2)温挤压塑性变形：将步骤(1)所得的坯料放入气氛保护炉中进行热处 理，保温温度400℃，保温时间2h，同时模具工装系统进行保温，保温温度为 400℃，保温时间4h；再将保温加热的坯料放入模具工装系统的挤压模具模腔内， 在三向压应力和变形速率作用下，大塑性变形成形出锥形壳体铜件，在成形过程 中坯料表面和模具型腔内表面涂布一层润滑剂；所述润滑剂为石油磺酸钡；
(3)均匀化退火热处理：将步骤(2)所得锥形壳体件在270℃条件下保温 退火处理2h，采用保护气氛热处理，再随炉冷却至室温；
(4)冷挤压塑性变形：将步骤(3)所得的锥形壳体件放入挤压模具模腔内， 在三向压应力和变形速率作用下，在常温下对锥形壳体件进行冷挤压塑性变形， 在成形过程中坯料表面和模具型腔内表面涂布一层润滑剂，使锥形壳体件圆周壁 厚差0.05～0.15mm、表面光洁度达到Ra0.8；所述润滑剂为蓖麻油和菜籽油；
(5)再结晶退火热处理：将步骤(4)所得的锥形壳体放入真空热处理炉中， 在250℃条件下保温时间1.5h。
本实施例制得的铜件圆周壁厚差0.05～0.15mm，表面光洁度小于Ra0.8，表 面硬度小于HB60。平均晶粒尺寸约为130μm、最大晶粒尺寸/平均晶粒尺寸≤2， 屈强比≥0.55，延伸率≥45％，应力指数≤2。
实施例3
一种锥形壳体铜件的制备方法，采用以下步骤(其它步骤和参数同实施例 1)：
(1)原材料的制备：选取坯料，切取相应的铜棒材长度，将坯料切取为铜 棒材，铜棒材直径为φ170mm；铜材料为纯铜、青铜、黄铜或白铜；
(2)温挤压塑性变形：将步骤(1)所得的坯料放入气氛保护炉中进行热处 理，保温温度600℃，保温时间1h，同时模具工装系统进行保温，保温温度为 600℃，保温时间2h；再将保温加热的坯料放入模具工装系统的挤压模具模腔内， 在三向压应力和变形速率作用下，大塑性变形成形出锥形壳体铜件，在成形过程 中坯料表面和模具型腔内表面涂布一层润滑剂；所述润滑剂为油基石墨；
(3)均匀化退火热处理：将步骤(2)所得锥形壳体件在480℃条件下保温 退火处理1h，采用保护气氛热处理，再随炉冷却至室温；
(4)冷挤压塑性变形：将步骤(3)所得的锥形壳体件放入挤压模具模腔内， 在三向压应力和变形速率作用下，在常温下对锥形壳体件进行冷挤压塑性变形， 在成形过程中坯料表面和模具型腔内表面涂布一层润滑剂，使锥形壳体件圆周壁 厚差小于0.1mm、表面光洁度达到Ra0.8；所述润滑剂为蓖麻油、菜籽油和动物 油；
(5)再结晶退火热处理：将步骤(4)所得的锥形壳体放入真空热处理炉中， 在450℃条件下保温时间0.5h。
本实施例制得的铜件圆周壁厚差0.05～0.15mm，表面光洁度小于Ra0.8，表 面硬度小于HB60。平均晶粒尺寸约为130μm、最大晶粒尺寸/平均晶粒尺寸≤2， 屈强比≥0.55，延伸率≥45％，应力指数≤2。