冷轧和退火对ECAP-C加工M2 Cu组织与性能的影响及作用物理机制

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随着电子信息,交通运输等领域的快速发展,工业上对高强高导铜及其合金的需求日益增加,但目前我国在高强高导铜的加工和生产中仍存在诸多问题,其中就包括大尺寸的铜材无法满足高强度和高导电率的要求,这直接关系到我国基础产业的发展。为了制备出大尺寸的高强高导铜材,本文以ECAP-Conform(ECAPC)处理后的工业纯铜(M2 Cu,俄罗斯铜牌号)作为研究对象,通过塑性变形技术(室温和低温轧制)和随后的退火处理的方法调控其微观组织结构,进而实现在大幅提高材料强度的同时不损害其导电性的目的,制备出能满足高速列车接触网导线性能要求的材料。同时,采用OM、SEM、EBSD、TEM和XRD等手段研究了不同轧制变形量、不同轧制温度、不同退火温度对铜微观组织的影响规律;此外,采用显微硬度计、电导仪和拉伸试验机测量不同状态下铜的力学性能和电学性能。结果表明:(1)通过对不同路径ECAP-C处理的M2 Cu进行不同变形量的室温轧制,发现随着变形量的增加,晶粒沿轧制方向(RD)被逐渐拉长,破碎,形成层片状的晶粒和模糊,不连续的晶界;同时,随着变形量的增加,晶粒尺寸逐渐减小,位错密度逐渐升高。在轧制的作用下,组织沿着(220)面出现明显的择优取向,且变形量越大,择优取向越明显。其中经ECAP-C的A路径处理并以变形量为90%室温轧制的M2 Cu中存在较强的Brass织构{110}<112>。此外,M2 Cu的强度和硬度随着变形量的增加而逐渐提高,延伸率和导电率逐渐降低,但幅度很小。影响其强度和硬度的主要因素是位错,其次是晶界,而二者所诱导的电阻率极低,对导电率的不良影响很小。(2)对不同路径ECAP-C处理+室温轧制的M2 Cu在100~400℃下保温30min,发现随着退火温度的升高,晶粒形貌逐渐向等轴晶发展,晶粒尺寸逐渐增加,晶界从模糊不连续逐渐向清晰连续转变,大角度晶界增多;同时,由轧制所造成的变形织构逐渐消失,位错密度逐渐降低。当退火温度T≤200℃时,再结晶程度较低,晶粒长大不明显;其中,A路径ECAP-C处理并以变形量为90%室温轧制后的M2 Cu在200℃退火后晶粒尺寸为1.23μm,组织中主要含有Copper织构{112}<111>和S织构{123}<634>,仍是典型的轧制织构,且硬度和强度的损失较少。而当退火温度T≥300℃时,再结晶程度较高,晶粒明显长大,硬度和强度急剧降低,延伸率和导电率大幅提升;其中,在400℃退火时组织中出现大量退火孪晶。(3)通过对不同路径ECAP-C处理的M2 Cu进行不同变形量的低温轧制(液氮温度),发现晶粒的形貌、晶界的类型、织构的演变以及各项性能随变形量的变化趋势与室温轧制的情况相似,但低温轧制的晶粒细化的效果更好,组织中累积的位错密度更高,从而造成强度和硬度大幅提升,且延伸率略有提高,但导电率略有降低。其中,经Bc路径ECAP-C处理的M2 Cu并以变形量为90%低温轧制后,组织中主要包括强度相当的Brass、Copper、S以及Goss织构{011}<100>;相比于室温轧制Brass织构强度低,Goss、Copper、S织构强度高。同样影响强度的主要因素是位错,其次是晶界,且二者所诱导的电阻率极低,对导电率的不良影响很小。(4)对不同路径ECAP-C处理+低温轧制的M2 Cu在100~400℃下保温30min,发现组织结构和性能的变化规律与不同路径ECAP-C处理+室温轧制后退火基本一致,但低温轧制的M2 Cu在300℃退火时再结晶程度较高。此外,经Bc路径ECAP-C处理+变形量为90%低温轧制+200℃/30 min退火处理的M2 Cu具有优异的力学性能和导电性能,其硬度为138.3 HV0.1,抗拉强度为506.38 MPa,延伸率为9.8%,导电率为91.9%IACS,基本满足高速列车接触网导线的性能要求(抗拉强度大于450 MPa,电导率大于80%IACS)。
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