佛冶——超薄超细智能手机热管拉拔机工艺及组织性能演变试验

01 试验方法

采用工频感应炉熔炼无氧铜，水平连铸出规格为 Φ92 mm×25 ｍｍ 的无氧铜管，铸坯成分分析结果表明铜纯度（质量分数）为 99.992％，磷含量为 14 ppm，铁含量为 10.8 ppm，氧含量为 4.1 ppm。无氧铜铸坯经三辊行星轧制、联拉、盘拉及在线退火后得到的 Ф8 ｍｍ×0.18 mm 的盘拉管作为本次试验的原始管坯（定义为 0 道次），取拉拔样品管 50 根。试验在图 1a 所示的液压直拉机进行多道次直拉，采用游动芯头拉拔，拉拔速度为40 m·min^-1， 拉拔示意图如图 1b 所示， 通过文献并结合生产经验， 设计了各道次的变形量，如表 1 所示，共 8 道次。

图 1 液压拉拔机（a）和游动芯头拉拔示意图（b）

采用游标卡尺测量铜管外径，用壁厚千分尺测量管壁，各取 3 处不同位置来测量记录数据；采用 OLYMPUS 3D 激光共聚焦显微镜观察平行于拉拔方向（纵向）的铜管内壁微观组织（腐蚀后）；采用 AFFRIDM 2D 型显微硬度计测试铜管的维氏硬度值，载荷为 200g；采用 UTM6104 型万能试验机进行室温拉伸试验；采用 TX-300A 金属导体电阻率仪测试电导率。

02 试验结果与分析

2.1 拉拔试验

在拉拔试验过程中，进行 1~5道次拉拔时均未发生断管现象，可以顺利地完成拉拔试验，但是在第６道次拉拔时出现了频繁的断管问题，综合断管率为 92％，即使未发生断管继续拉拔，在第 7 道次拉拔时也均发生了断管现象，图 2 为第 6 道次拉拔断管实物照片。

图 2 第 6 道次拉拔断管实物图

（a） 拉管工装（b） 拉管模具

表 1 拉拔道次设计方案

经计算，拉拔至第 5 道次后，铜管的累计变形量达 75.85％，此时加工硬化程度较高，塑性加工能力大幅度下降。为了保证加工过程中不出现断管的情况，提升后续加工过程的塑性加工能力，在第 5 道次拉拔后将铜管放入管式炉中进行中间退火，采用氩气和氢气的混合气体保护，在 350℃保温30 min。退火完成后继续进行第 6、第 7 及第 8 道次拉拔直至完成制备 Ф2 ｍｍ×0.08 mm 规格的超薄超细无氧铜管。

图 3 为 Ф2 mm×0.08 mm 成品铜管的实物图和铜管横截面放大图。由于拉拔超薄超细铜管，铜管的尺寸公差控制相对普通铜管更为困难且严格。本次试验设计合理的拉拔道次，并通过抛光模具和微调模具尺寸，确保铜管在外径和壁厚上的公差以满足客户要求，测量铜管的外径和壁厚，结果如表 2 所示，铜管的平均外径为 Ф1.99 mm，公差可以控制在 ±0.02 mm；平均壁厚为 0.079 ｍｍ，公差可以控制在 ±0.01 ｍｍ。

表 2 Ф2 ｍｍ×0.08 ｍｍ 规格铜管样品尺寸测量（ｍｍ）

2.2 拉拔过程中晶粒组织的演变

图 4a 为原始盘拉管在线退火后的金相组织，退火后发生再结晶，形成了平均晶粒尺寸为 7.6 μｍ的等轴再结晶晶粒。图 4b～图 4f 为盘拉拔经过第 1～第 5 道次后的金相组织，第 1 道次拉拔后形成的晶粒组织中平均长纵比为 2.4，随着拉拔道次的增多，变形程度逐渐增大，变形后的晶粒组织中长纵比由 2.4 逐渐增大至 13.8。在第 5 道次拉拔后的晶粒组织基本贯穿整个金相视图的纤维晶，此时变形程度达到 75.8％，晶内已经形成了高密度的位错，继续变形则容易发生断管现象。因而在第 5 道次拉拔后进行低温短时间的退火（350℃ 保温 30 min）以提高后续继续变形时的塑性加工能力。图 4g 为退火后的金相组织，退火完成后形成了等轴的完全再结晶组织，平均晶粒尺寸为 11.3 μｍ。退火完成后进行第6～第 8 道次的拉拔，拉拔后金相组织分别如图 4h～图 4j 所示，在后续拉拔过程中变形程度逐渐增加，加工硬化程度逐渐增加，等轴的晶粒逐渐被拉长，形成的长轴晶粒组织的长纵比由 2.4 增加至 6.5。

图 4 无氧铜管在各拉拔道次的金相组织

（a）原始铜管（b）第 1 道次（c）第 2 道次（d）第 3 道次（e）第 4 道次（f）第 5 道次（g）中间退火（h）第 6 道次（i）第 7 道次（j）第 8 道次

2.3 拉拔过程中力学性能的演变

表 3 为各道次拉拔后的铜管室温拉伸的屈服强度、抗拉强度和伸长率，原始铜管的抗拉强度和伸长率为 244.2 ＭPa 和 24.11％， 经过第 1 道次拉拔后，铜管的抗拉强度迅速上升至 355.5 ＭPa，而伸长率下降至 5.13％。随着拉拔道次量的逐渐增加，抗拉强度逐渐升高，当拉拔至第 5 道次时，抗拉强度和屈服强度分别升高至 416.5 和 415.2 ＭPa，伸长率降低至 1.56％。拉拔过程中强度的逐渐增加是因为随着拉拔道次的增加，不断的变形使得晶内的位错密度逐渐增加，加工硬化程度不断提升。

而另一方面，晶内位错密度的增多导致室温拉伸过程中因位错密度过大而快速发生应力集中，使得铜管的伸长率逐渐降低。此外，同样因为位错增多，加工硬化程度过高导致管材的塑性变形能力减弱，达到临界值后继续拉拔而出现断管现象。中间退火后，晶粒发生回复再结晶，从力学数据也可以发现，强度降低，铜管软化，塑性提高，因此可以保证后续第 6、7、8 道次铜管的拉拔过程的进行，退火后抗拉强度和屈服强度分别降低至 222.6 和 176.2 ＭPa，伸长率快速增加至 26.56％。后续继续进行第 6～第 8道次的拉拔，加工硬度程度不断增加，抗拉强度和屈服强度逐渐升高至 403.8 和 402.9 ＭPa，伸长率下降至 1.78％。图 5 为室温拉伸的抗拉强度和维氏硬度随着拉拔道次变化的折线图，可以发现，各道次铜管的维氏硬度和抗拉强度的变化趋势一致。

图 5 拉拔过程中各道次拉拔后铜管维氏硬度和抗拉强度变化曲线

2.4 拉拔过程中导电率的演变

图 6 为各道次拉拔后的铜管的导电率变化曲线，可以发现， 原始铜管导电率达到 101.25％ IACS，经过第 1 道次拉拔后，导电率下降至 95.90％ IACS。继续拉拔变形，铜管的导电率平缓波动，说明铜管在第 1 道次变形之后的变形对导电率的影响不大。中间退火后，晶粒组织发生回复再结晶，导电率升高至 101.44％ IACS。退火后再进行第 6 道次拉拔，导电率下降至 98.58％ IACS，后续继进行第 7 和第 8 道次拉拔后，铜管的导电率变化不大，第 8 道次拉拔后最终制备的 Ф2 mm×0.08 ｍｍ 铜管的导电率为 98.85 IACS。因此可以认为，铜管的变形程度的增加对导电率的影响较小。根据 Matthiessen 定律，室温下主要是固溶原子对铜合金导电率的损害比较大，位错、晶界对铜合金导电率的影响不是很大，多道次拉拔也可以保证无氧铜管保持较高的导电性能。

03 结论

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