對比研究了軋制和鐓制2種工藝生產(chǎn)得到直徑25mm磷銅球的顯微組織、硬度以及生產(chǎn)結(jié)束時的表面溫度。結(jié)果表明：與軋制工藝相比，鐓制工藝得到磷銅球表面更光滑，晶粒明顯細(xì)化，晶界清晰，元素分布均勻，晶粒主要為等軸晶，柱狀晶數(shù)量較少；采用鐓制工藝生產(chǎn)結(jié)束時遠(yuǎn)離與接近出口槽處磷銅球的表面最高溫度均低于軋制工藝；鐓制工藝生產(chǎn)磷銅球的心部硬度明顯比軋制工藝制備的磷銅球高，且表面的硬度波動較小。相比軋制工藝，鐓制工藝生產(chǎn)的磷銅球具有質(zhì)量好、環(huán)保、耗能低等技術(shù)優(yōu)勢。

1.試樣制備與試驗方法

      試驗材料為某公司在軋制與鐓制2種不同工藝下生產(chǎn)的直徑25mm的磷銅球，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 20302—2006和CPCA 4305—2005。磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.040%~0.065%，防止對電鍍液以及環(huán)境造成污染，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于0.002%，以在脫氧完全的條件下確保鍍銅液的純凈。軋制工藝采用磷銅球軋球機(jī)，工藝參數(shù)為軋球機(jī)功率35kW，轉(zhuǎn)速1500r·min-1，最大軋制力98kN，力矩9800N·m，軋制溫度1050~1200℃，軋輥直徑250mm，切斷缸徑150mm，壓力8MPa。鐓制工藝采用高速鐓球機(jī)，工藝參數(shù)為棒料最大直徑12mm，銅球最大直徑26mm，電動機(jī)功率15kW，轉(zhuǎn)速725r·min-1，鐓鍛滑塊行程146mm，鐓制直徑350mm，壓力6MPa。

     用精度為0.02mm的游標(biāo)卡尺測量磷銅球的尺寸。在軋制和鐓制工藝生產(chǎn)的磷銅球上沿軋制方向截取金相試樣，經(jīng)研磨、拋光，用由鹽酸、氯化高鐵、水組成的溶液腐蝕后，采用光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。在磷

銅球生產(chǎn)成形后，分別在接近出口槽與遠(yuǎn)離出口槽的位置利用非制冷焦平面熱像儀對磷銅球表面溫度進(jìn)行紅外掃描測量。用洛氏硬度計測磷銅球的表面硬度和心部(靠近中心點的一圈)硬度，其中在表面等距離測4個點，心部等距離測3個點。

2.試驗結(jié)果與討論

2.1 宏觀形貌

     測得2種工藝生產(chǎn)磷銅球的直徑為25mm。由圖1可以看出：軋制工藝生產(chǎn)的磷銅球表面比較粗糙，這與軋制過程中的滾壓時間短有關(guān)；鐓制工藝生產(chǎn)的磷銅球表面較光滑，但是存在明顯的鐓制邊界，即在半球附近存在明顯的環(huán)帶，且存在兩極。

2.2 顯微組織

     由圖2可見，軋制工藝生產(chǎn)的磷銅球組織由α相與β相組成，晶界不明顯，存在少量纖維狀組織，晶粒尺寸不均勻且比較粗大，柱狀晶較多，β相呈帶狀分布，晶粒因受到擠壓而沿不同方向有拉長的趨勢，并出現(xiàn)滑移帶，這是由于磷銅棒在螺旋槽滾動下

在直徑方向被壓縮，長度方向被拉長，在軋制力作用下晶粒產(chǎn)生了不規(guī)則變形，并在應(yīng)力最大處形成了滑移帶。黑色組織為含磷量較高的α相，α相分布不均勻，說明磷分布不均勻。

     由圖3可知：鐓制工藝生產(chǎn)的磷銅球晶界清晰，晶粒主要為等軸晶，相比于軋制工藝組織中柱狀晶較少，晶粒密集分布，晶界清晰；黑色含磷量較高的α相分布均勻，說明磷元素分布均勻；β相與α相相間分布，這說明在鐓制過程中材料的流向呈規(guī)律性變化，即先向兩半球模具方向流動，再向兩極(球體的末端)流動。可見鐓制工藝生產(chǎn)的磷銅球的成形質(zhì)量較好。

2.3 生產(chǎn)結(jié)束時的表面溫度

      由圖4可以看出，采用鐓制工藝生產(chǎn)結(jié)束時遠(yuǎn)離與接近出口槽處磷銅球的表面最高溫度較低，約為41℃，接近室溫，而在軋制工藝下遠(yuǎn)離與接近出口槽處表面最高溫度高于60℃，這與2種工藝的冷卻方式有關(guān)。軋制工藝的冷卻方式為渦流式乳化液冷卻，鐓制工藝的冷卻方式為液壓方式下的水霧化

冷卻，水霧化冷卻方式增大了冷卻接觸面積，冷卻速率更快。磷銅球較低的表面溫度可有效避免表面發(fā)生氧化，可知鐓制工藝更適合磷銅球的生產(chǎn)。

2.4 硬度

     由圖5可以看出：在相同工藝下，磷銅球表面硬度比心部硬度高，說明在變形過程中心部的加工硬化程度較低；在軋制工藝下表面的硬度波動較大，說明軋制過程中磷銅球中成分的不均勻程度較高。鐓制工藝生產(chǎn)磷銅球的心部硬度明顯比軋制工藝生產(chǎn)的磷銅球高，這與鐓制工藝使磷銅球組織細(xì)化且元素分布較均勻有關(guān)。在鐓制過程中磷銅球內(nèi)部組織因壓實致密而得到強(qiáng)化，因此整體硬度較高。

2.5 鐓制和軋制工藝的對比

      若磷銅球中加入磷的含量過低，則在電鍍過程中其表面產(chǎn)生的磷銅膜太薄，電鍍后的產(chǎn)品表面粗糙，若磷含量過高，則會導(dǎo)致磷銅膜太厚，減弱電鍍效果。所生產(chǎn)的磷銅球嚴(yán)格按照元素成分進(jìn)行配制，可生產(chǎn)出具有較好的物理性能、力學(xué)性能及工藝性能的磷銅球。在軋制過程中不能及時冷卻，則會造成磷銅球表面過熱而氧化變色，影響尺寸精度，且表面較粗糙，后續(xù)需要對磷銅球清洗；同時對于軋制過程中產(chǎn)生的乳化液、加工油等雜質(zhì)，需要用雙氧水和硫酸來處理，增大了工作量，且對環(huán)境有污染。鐓制工藝可以很好地控制加工過程中的溫度，采用該工藝制備的磷銅球表面更加光滑。對于同一種原材料，與軋制工藝相比，鐓制工藝生產(chǎn)的磷銅球組織更細(xì)小，成分分布更均勻，硬度更高，這與不同工藝下，原材料受到的力作用方向、大小及作用效果有關(guān)。在軋制工藝下，磷銅棒受到來自螺旋槽的滾子軸揉搓滾壓及軋制輥的二向壓應(yīng)力/一向拉應(yīng)力；而在鐓制工藝下，磷銅棒受到滑動板上的動模機(jī)構(gòu)處的半圓形腔及靜模機(jī)構(gòu)的半圓形腔的合模以及切斷推送機(jī)構(gòu)一起構(gòu)成的三向壓應(yīng)力。軋制工藝生產(chǎn)磷銅球表面半球附近存在明顯的環(huán)帶，且存在兩極。球坯成形是過程性的，在球坯材料接近模具底部時，變形抗力的徑向分力變小，導(dǎo)致材料很難自由向兩端流動，但是整體變形抗力仍然在不斷增大，使得材料只能向模具接觸的方向流動，以致形成環(huán)帶；磷銅球在形成環(huán)帶后，模具合模處的變形抗力繼續(xù)變大且超出兩端處的變形抗力，在軸向分力的作用下，兩端中心處的材料受擠壓向兩極流動。與軋制工藝相比，鐓制工藝在強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力作用下，制備得到磷銅球組織中晶界更明顯，晶粒細(xì)化，晶粒分布更緊密，晶粒主要為等軸晶，柱狀晶數(shù)量明顯減少，鐓制力對晶粒拉長的程度較小。

3.結(jié)論

     (1) 與軋制工藝相比，鐓制工藝生產(chǎn)的磷銅球表面更光滑，晶粒明顯細(xì)化，晶界清晰，元素分布均勻，晶粒分布緊密，晶粒主要為等軸晶，柱狀晶數(shù)量明顯減少。

     (2) 采用鐓制工藝成形后，接近與遠(yuǎn)離出口槽處磷銅球的表面最高溫度均低于軋制工藝；鐓制工藝生產(chǎn)磷銅球的心部硬度明顯比軋制工藝生產(chǎn)的磷銅球高，且表面的硬度波動較小。相比軋制工藝，采用鐓制工藝生產(chǎn)的磷銅球具有質(zhì)量好、環(huán)保、耗能低等技術(shù)優(yōu)勢。

引用本文：

楊勇，王佳欣，王斌，等.軋制與鐓制工藝生產(chǎn)磷銅球的顯微組織和硬度對比[J].機(jī)械工程材料，2022，46（8）：53-57，67.