擠壓溫度對高純銅組織演變規(guī)律的影響*

寶 磊， 王 翾， 樂啟熾， 羅俊鋒， 曾 浩

(1. 東北大學 材料電磁過程研究教育部重點實驗室， 沈陽 110819； 2. 有研億金新材料有限公司， 北京 102200； 3. 北京市高純金屬濺射靶材工程研究中心， 北京 102200)

現(xiàn)在已經(jīng)進入電子與信息化時代，銅和銅合金在現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應用日漸增多，計算機、移動通訊設備、網(wǎng)絡工程等消費銅材的數(shù)量急劇增長，尤其是在薄膜材料領(lǐng)域銅和銅合金的應用前景甚為廣闊[1-2].

濺射是制備薄膜材料的主要技術(shù)之一，靶材是濺射過程中的基本耗材，靶材質(zhì)量的好壞對金屬薄膜材料的性能起著至關(guān)重要的作用.近年來，極大規(guī)模集成電路高速發(fā)展，銅靶材的各種優(yōu)良性能恰好可以滿足集成電路的納米級布線要求.現(xiàn)代磁控濺射工藝對高純銅靶材的晶粒尺寸、微觀組織均勻性與高精度成型加工等方面提出了嚴格要求[3].現(xiàn)今國內(nèi)高純銅靶材的制備工藝落后于國外，關(guān)于高純銅靶材的相關(guān)研究并不多見，而且罕見關(guān)于擠壓變形對高純銅組織及性能的研究，而擠壓變形相比于軋制及熱處理等方法可以得到組織更均勻的高純銅制品[4].

為了實現(xiàn)具有更大變形程度的擠壓變形并提高高純銅制品的尺寸精度，使得高純銅制品具有優(yōu)良的力學性能和均勻的組織，本文采用反向擠壓方法考察擠壓溫度對高純銅組織演變規(guī)律的影響.分別對擠壓棒和壓余變形區(qū)進行分析并觀測其顯微組織，分析不同擠壓溫度下高純銅的晶粒尺寸、均勻性變化規(guī)律與壓余變形區(qū)的再結(jié)晶規(guī)律.

1 材料和方法

實驗材料選用直徑為49 mm、高度為80 mm的高純銅圓柱形鑄錠.采用反向擠壓方法進行擠壓實驗，反向擠壓示意圖如圖1所示.

圖1 反向擠壓示意圖Fig.1 Schematic diagram of reverse extrusion

從650～800 ℃每隔50 ℃設置鑄錠的不同擠壓溫度，同時將擠壓筒升溫至相應擠壓溫度.對尺寸一致、內(nèi)部組織相同的鑄錠進行了不同擠壓溫度下的反向擠壓實驗，擠壓速度為1 mm/s，擠壓比為16.67.擠壓完畢后，將擠壓棒在距離壓余變形區(qū)約15 mm處切斷后制取試樣.利用240#～5000#砂紙打磨試樣.然后采用硝酸、蒸餾水按3∶4的體積比配制電解拋光液，并對試樣進行電解拋光.拋光時直流電壓為30 V，電流強度為5 A，拋光時間約為10 s.拋光后采用微觀腐蝕液進行腐蝕，腐蝕時間為10 s，再用清水將試樣洗凈、吹干后進行顯微組織觀察.

2 結(jié)果與分析

2.1 擠壓溫度對擠壓棒組織的影響

對650～800 ℃擠壓溫度下的擠壓過程進行了宏觀模擬，結(jié)果如圖2所示.由圖2可見，變形區(qū)溫度最高且受力最大；變形區(qū)外溫度逐漸降低，且溫度分布趨于均勻；未變形區(qū)溫度分布層次分明且受力均勻.

圖2 不同擠壓溫度下擠壓過程中的溫度分布Fig.2 Temperature distribution during extrusion process at different extrusion temperatures

對不同擠壓溫度下獲得的擠壓棒心部進行微觀組織分析，結(jié)果如圖3所示.觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)，不同擠壓溫度下擠壓棒心部的組織形貌變化呈現(xiàn)以下規(guī)律：擠壓棒心部的晶粒尺寸隨擠壓溫度的升高而逐漸變大.這是因為隨著擠壓溫度的不斷升高，試樣的再結(jié)晶晶粒受熱繼續(xù)長大，使得晶粒尺寸逐漸增大.另外，當擠壓溫度為650 ℃時，擠壓棒心部的微觀組織中出現(xiàn)了退火孿晶.當擠壓溫度繼續(xù)升高至750 ℃時，擠壓棒中出現(xiàn)了異常長大的晶粒，且退火孿晶占比升高.

圖3 不同擠壓溫度下擠壓棒心部的微觀組織Fig.3 Microstructure of extruded rod core at different extrusion temperatures

為了定量分析擠壓溫度對擠壓棒晶粒尺寸的具體影響，需要統(tǒng)計擠壓棒心部位置的晶粒尺寸，本文采用劃線法定量考察試樣的晶粒度，即統(tǒng)計金相圖片一條截線上的平均晶粒尺寸.為了縮小實驗誤差，選取擠壓棒心部金相圖片中的三條截線處的平均晶粒尺寸進行統(tǒng)計，取其平均數(shù)值作為最終晶粒尺寸，具體統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示.

圖4 擠壓棒材心部晶粒度與擠壓溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between grain size at extruded bar core and extrusion temperature

由圖4可知，當擠壓溫度為650～700 ℃時，由于溫度過高變形區(qū)內(nèi)已發(fā)生再結(jié)晶的晶粒發(fā)生了長大現(xiàn)象，導致變形區(qū)內(nèi)的晶粒變得粗大，使得試樣的平均晶粒尺寸隨擠壓溫度的升高而不斷增大.由圖4可見，當擠壓溫度為650 ℃時，擠壓棒材的平均晶粒尺寸為36 μm.當擠壓溫度升高至800 ℃后，受擠壓溫度過高的影響，部分晶粒發(fā)生了異常長大，使得試樣的平均晶粒尺寸繼續(xù)增大，其數(shù)值達到了51 μm.

隨著擠壓溫度的升高，晶粒尺寸整體趨勢上是逐漸變大的，這是由于晶粒在塑性變形和熱加工過程中的動態(tài)回復未能抵消加工中的位錯增殖積累.當達到臨界條件時，大量位錯被再結(jié)晶核心的大角度界面推移而消除，此時以再結(jié)晶為主導的軟化機制占據(jù)主要地位[5-6]，高溫導致試樣的再結(jié)晶晶粒長大.

為了分析擠壓溫度對試樣晶粒內(nèi)部組織形貌的影響，對800 ℃擠壓溫度下的擠壓棒心部進行EBSD分析，結(jié)果如圖5、6所示.

圖5 800 ℃下擠壓棒心部晶體取向分布Fig.5 Distribution of crystal orientation of rod core extruded at 800 ℃

圖6 800 ℃下擠壓棒心部特殊晶界分布Fig.6 Distribution of special grain boundaries of rod core extruded at 800 ℃

由圖5可見，從藍到紅晶粒取向差逐漸增大，800 ℃擠壓溫度下擠壓棒的心部組織基本為粗大的再結(jié)晶晶粒，且組織中仍存在少量未再結(jié)晶區(qū).此外，晶粒形狀多為塊狀或圓形，晶粒內(nèi)部孿晶含量較高，且孿晶多以豎軸為中心向兩側(cè)斜向上近45°方向生長.

圖6中的擠壓棒心部晶界分為黑色普通晶粒晶界、藍色Σ7特殊晶界和紅色Σ3特殊晶界.一般將重位點陣比例Σ≤29的晶界稱為特殊晶界.高溫擠壓后的孿晶生長多位于Σ3特殊晶界位置，晶粒內(nèi)部出現(xiàn)大量以Σ3特殊晶界為孿晶界的<111>60°退火孿晶.觀察圖6可以發(fā)現(xiàn)，擠壓棒心部仍然存在大晶粒區(qū)和小晶粒區(qū)，而在大晶粒中存在大量小角晶界，同時幾乎每個晶粒中都有小角晶界存在，表明存在再結(jié)晶現(xiàn)象[7-8].800 ℃下擠壓棒心部中Σ7特殊晶界含量較少，這是由于高溫擠壓后在純銅內(nèi)部位錯累積形成的低角度變形帶逐漸轉(zhuǎn)變成高角度晶界，晶粒開始長大且晶粒間的取向差發(fā)生改變，因而造成了Σ7特殊晶界的減少[9-10].

2.2 擠壓溫度對擠壓壓余組織的影響

為了進一步研究擠壓溫度對高純銅擠壓變形晶粒尺寸演變的影響，并分析壓余變形區(qū)組織均勻性及晶粒尺寸的變化規(guī)律，現(xiàn)針對擠壓后的壓余微觀組織進行金相觀察，具體觀察位置如圖7所示.

圖7 金相觀察位置示意圖Fig.7 Schematic metallographic observation positions

圖8為不同擠壓溫度下壓余變形區(qū)微觀組織.由圖8可見，不同擠壓溫度下擠壓壓余微觀組織的變化規(guī)律為：隨著擠壓過程的進行，試樣的晶粒尺寸逐漸變小.這是因為銅的剪切變形主要是靠位錯的交滑移來實現(xiàn)的，這些位錯可以形成復雜的胞狀結(jié)構(gòu)，隨著應變的增加與變形的不斷進行，晶?？梢酝ㄟ^這種位錯網(wǎng)絡的變化而得到明顯細化[11].

圖8 不同擠壓溫度下壓余變形區(qū)微觀組織Fig.8 Microstructures of residual deformation zone under different extrusion temperatures

在較低溫度條件下，晶粒尺寸的變化較高溫條件時更為遲緩.當擠壓溫度為650 ℃時，擠壓變形區(qū)表層出現(xiàn)粗晶層，隨著擠壓溫度的升高，變形區(qū)粗晶層厚度呈現(xiàn)增加趨勢.這是因為隨著擠壓溫度的升高，金屬變形抗力降低，金屬流動性提高，進而導致粗晶層厚度隨著擠壓溫度的升高而增大.

圖9為不同擠壓溫度下壓余定徑區(qū)微觀組織.由圖9可見，不同擠壓溫度下試樣的壓余定徑區(qū)形貌無明顯變化，晶粒尺寸一致，微觀形貌均勻.隨著擠壓溫度的升高，晶粒變大趨勢明顯.

圖9 不同擠壓溫度下壓余定徑區(qū)微觀組織Fig.9 Microstructures of residual sizing part under different extrusion temperatures

在不同擠壓溫度下對擠壓過程進行微觀組織分析及數(shù)據(jù)統(tǒng)計.在壓余組織中軸線沿擠壓方向取樣，在(0，0)、(0，3)、(0，6)、(0，9)和(0，11)五點處測量壓余變形區(qū)的晶粒度，且相應變形量分別約為9%、33%、61%、78%和94%.不同擠壓溫度下壓余變形區(qū)的晶粒尺寸變化如圖10所示.

圖10 不同擠壓溫度下壓余變形區(qū)晶粒尺寸變化Fig.10 Grain size variation in residual deformation zone under different extrusion temperatures

對圖10中的數(shù)據(jù)進行具體分析后發(fā)現(xiàn)，當擠壓溫度處于650～700 ℃時，壓余變形區(qū)的平均晶粒尺寸趨向于由60 μm變?yōu)?5 μm；在更高的擠壓溫度(750～800 ℃)下，平均晶粒尺寸趨向于由90 μm變?yōu)?5 μm.結(jié)合以上分析可知，在650～800 ℃的擠壓溫度跨度下，擠壓壓余變形區(qū)的晶粒尺寸隨著擠壓過程的進行而不斷細化.

3 結(jié) 論

通過以上分析可以得到如下結(jié)論：

1) 在650～800 ℃進行擠壓時，擠壓棒心部的平均晶粒尺寸由650 ℃時的36 μm長大為800 ℃時的51 μm.

2) 在800 ℃擠壓溫度下晶粒內(nèi)部再結(jié)晶晶粒較為粗大，晶粒形狀多為塊狀和圓形，孿晶含量較高，擠壓變形后晶粒內(nèi)部出現(xiàn)大量以Σ3特殊晶界為孿晶界的<111>60°退火孿晶.

3) 當擠壓溫度為650～700 ℃時，擠壓壓余變形區(qū)的平均晶粒尺寸約從60 μm趨向減小為45 μm；當擠壓溫度為750～800 ℃時，晶粒尺寸則約由90 μm趨向減小為75 μm.

4) 隨著擠壓溫度的增加，晶粒尺寸隨之增大，而隨著變形量的增加，晶粒尺寸隨之變小.