2.3　铸锭热处理

2.3.1　概述

铜合金的热处理目的与其他合金一样，通过改善铜合金的组织状态可达到所需要的使用性能和工艺性能。由于铜合金无同素异构转变，因此，它与钢铁的热处理不同。铜合金的最常用的热处理工艺可分为退火（均匀化退火、去应力退火和再结晶退火）、固溶处理（淬火）及时效（回火）或固溶处理后进行形变和时效。

2.3.2　铸锭二次加热

大多数铸造铜合金都不能热处理强化，而是在铸造状态下使用。但也有少数铸造铜合金在热处理后使用，如铍青铜、铬青铜、硅青铜和部分高铜合金是热处理强化合金。此外，ω_Al为9.4%的铝青铜，经过适当的热处理后能在一定程度上改善其力学性能，特别是耐蚀性能。

铸造铜合金热处理按其应用可分为以下几种。

①去应力退火。目的在于消除铸造和补焊后产生的内应力。

②强化热处理。包括固溶处理和时效处理。目的在于提高合金的物理性能、力学性能和耐蚀性。

③消除铸造缺陷的热处理。铸造锡青铜当加热至400～500℃时，α枝晶间的δ相扩散溶入α相中，引起合金的体积膨胀，从而堵塞锡青铜的显微缩孔，改善其耐压性。

铜合金铸锭在热处理时需要注意以下操作要点。

①加热速度。铜合金具有良好的导热性，但为了防止铸件表面晶粒粗化和厚截面铸件内部产生过大的热应力，加热和冷却速度都要控制适当，并使之均匀加热和冷却。

②温度控制。某些铜合金的固溶处理温度很接近其固相线温度，容易产生过热和过烧，应当精确控制热处理温度。淬火转移速度对可热处理强化的铜合金的性能有较大的影响，因此要求固溶处理后迅速淬火。

③防止变形。青铜等时效处理时，伴随着产生较大的体积应变，容易产生翘曲和变形。为减少变形，时效处理可分为两个阶段进行，即先在200～250℃保温一段时间后再升到规定的时效温度，也可以采取较高的时效温度，即轻度过时效。

④防止裂纹。沉淀强化铜合金存在热处理开裂倾向，其原因是在严重过时效情况下部分强化相在晶界上析出并长大，产生了相变应力而导致沿晶开裂。主要防止办法是在不影响合金力学性能的条件下，将合金化元素的成分范围向中下线控制，时效处理时严格控制时效温度和时间。

热处理缺陷及消除方法如表2-3所示。

2.3.3　均匀化处理

铜合金均匀化退火的目的是为了消除或减少铸锭、铸件枝晶偏析等成分不均匀性。当合金在非平衡结晶时，均产生晶内偏析，以Cu-Ni合金为例来说明合金产生晶内偏析的过程。

金属从液态转变为固态的过程称为结晶，而结晶的过程是先形成晶核，然后晶核进一步长大，直至液相全部消失为止。晶核长大方式，在一般情况下是以枝晶形式生长，即在晶核开始成长的初期，晶粒外形大多数是比较规则，但随着晶粒的生长，枝晶棱角形成，棱角处的散热条件优于其他部位，因而得到优先生长，如树枝一样长出枝干，再长出分枝，最后把晶间填满，这种成长方式叫枝晶成长。

Cu-Ni合金的结晶过程是以枝晶方式成长。最先生成的枝干含高熔点的元素Ni较多，而后生成的枝干含高熔点的Ni逐渐减少，含铜较高。因此，在一个晶粒内就出现成分不均匀现象，称晶内偏析或称枝晶偏析，其显微组织如图2-30所示。由图可见，固溶体呈树枝状，先结晶的枝干富Ni，不易浸蚀呈白亮色，而后结晶的枝晶富铜，易受浸蚀而呈暗黑色。图2-31中的铸造Cu-Ni合金经均匀化退火后的组织特点，是枝晶偏析消除而形成均匀单相固溶体。

当在极其缓慢冷却条件下平衡结晶时，可通过Ni原子和Cu原子的扩散使成分均匀。铸锭或铸件中晶内偏析程度，主要取决于铸造时的冷却速度和原子的扩散能力。在其他条件相同时，冷却速度愈快，晶内偏析程度也愈严重。偏析元素在固溶体中的扩散能力愈小，合金状态图固相线与液相线之间间隔愈大，则形成枝晶偏析的倾向性愈大。

工业生产中，铜及铜合金一般采用半连续和连续铸造生产。由于这种工艺凝固过程冷却速度很快，故铜合金中Sn、Ni等元素都会出现偏析。存在成分偏析的铸锭，若直接进行压力加工，很容易发生开裂。另外，由于铸锭冷却快，内部还存在着相当严重的内应力，这也会加剧铸锭在加工过程中的开裂倾向。因此，除纯铜锭外，合金铸锭一般都要进行均匀化退火，以消除晶内偏析及内应力，提高铸锭的塑性。另外，均匀化退火，对改善加工后的半成品组织和性能、提高塑性与耐蚀性也有益处。

均匀化退火，是将铸锭或铸件加热到低于固相线的温度约100～200℃，长时间保温，并进行缓慢冷却的工艺。均匀化退火的过程是一个原子扩散的过程。因此，均匀化退火也称扩散退火。

影响均匀化退火质量的因素主要是加热温度和保温时间。加热温度愈高，原子扩散愈快，故保温时间可以缩短，生产效率得到提高。但加热温度过高，易出现晶粒粗大或过烧（即合金沿晶界熔化），以致使机械性能降低而造成废品；保温时间决定于加热温度及合金的原始组织及批量大小等。合金化程度愈高，合金组织愈粗大，耐热性愈好，所需保温时间就愈长。铜合金铸锭的均匀化时间，一般为1h，合金形变后均匀化时间可大大缩短。

对于组织复杂的合金以及合金化程度高而塑性差和形状复杂的铸件，加热速度不能过快，以防止热应力及组织应力使铸件在加热过程中的开裂。据此，铝青铜、锰青铜、硅青铜等偏析程度小的合金，一般采用反复冷轧并进行中间退火，就可以消除枝晶偏析，通常不需要进行均匀化退火；而对于锡青铜、锡磷青铜由于偏析程度大，则必须进行均匀化退火。