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固溶时效工艺对Cu-Ni-Si合金组织和性能的影响

来源期刊：稀有金属2011年第5期

论文作者：肖翔鹏黄国杰程磊袁孚胜吴语

文章页码：673 - 678

关键词：Cu-1.5Ni-0.6Si合金;固溶温度;时效;硬度;电导率;

摘要：用扫描电镜（SEM）、硬度计、涡流电导率测量仪和万能试验机测试分别测量了在850⁹50℃固溶温度及400⁵00℃时效不同时间下对Cu-1.5Ni-0.6Si合金硬度及电导率性能的影响,用金相显微镜观察不同固溶温度下合金的组织。并对合金拉伸形貌断口进行了分析。探讨了合金的强化机理。结果表明:时效前随着固溶温度的升高,材料的硬度及电导率均随之下降,但电导率下降的幅度很小。随着固溶温度的增加,其再结晶程度越来越高,到900℃时组织已是完全再结晶组织,温度继续升高,晶粒会发生长大。时效析出为Cu-1.5Ni-0.6Si合金的主要强化手段。Cu-1.5Ni-0.6Si固溶后经不同温度时效后,时效初期硬度和电导率快速上升。随后硬度到达峰值后缓慢下降,而电导率继续上升。经过900℃×1 h水淬+450℃×2 h空冷处理后,合金得到良好的综合性能;其抗拉强度为780.7 MPa,伸长率为15.1%,电导率为40.2%IACS。

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稀有金属 2011,35(05),673-678

固溶时效工艺对Cu-Ni-Si合金组织和性能的影响

肖翔鹏黄国杰程磊袁孚胜吴语

北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点实验室

中国瑞林工程技术有限公司

江西理工大学材料与化学工程学院

摘要：

用扫描电镜(SEM)、硬度计、涡流电导率测量仪和万能试验机测试分别测量了在850⁹50℃固溶温度及400⁵00℃时效不同时间下对Cu-1.5Ni-0.6Si合金硬度及电导率性能的影响,用金相显微镜观察不同固溶温度下合金的组织。并对合金拉伸形貌断口进行了分析。探讨了合金的强化机理。结果表明:时效前随着固溶温度的升高,材料的硬度及电导率均随之下降,但电导率下降的幅度很小。随着固溶温度的增加,其再结晶程度越来越高,到900℃时组织已是完全再结晶组织,温度继续升高,晶粒会发生长大。时效析出为Cu-1.5Ni-0.6Si合金的主要强化手段。Cu-1.5Ni-0.6Si固溶后经不同温度时效后,时效初期硬度和电导率快速上升。随后硬度到达峰值后缓慢下降,而电导率继续上升。经过900℃×1 h水淬+450℃×2 h空冷处理后,合金得到良好的综合性能;其抗拉强度为780.7 MPa,伸长率为15.1%,电导率为40.2%IACS。

关键词：

Cu-1.5Ni-0.6Si合金;固溶温度;时效;硬度;电导率;

中图分类号： TG156.92

作者简介：肖翔鹏(1985-),男,江西赣州人,博士研究生;研究方向:有色金属材料加工;黄国杰(E-mail:huangguojie@grinm.com);

收稿日期：2010-12-02

基金：国家863计划(2006AA03Z522)资助项目;

Effect of Solution and Aging Technique on Microstructure and Properties of Cu-Ni-Si Alloy

Abstract：

A series of experiments was performed for studying the effects of different temperature levels of solution heat treatment in the range from 850 to 950 ℃ and solution-aging heat treatment in the range between 400⁵00 ℃ on the micro-morphology,physical properties,mechanical properties and strengthening mechanism of the Cu-1.5Ni-0.6Si alloy,by using microscope,SEM,eddy electrical conductivity tester,hardness tester and universal materials testing machine.The alloy organization under different quenching temperature was analyzed with metallographic microscope,and the alloy tensile fracture morphology was also analyzed.The strengthening mechanism of the alloy was studied.The results showed that hardness and electrical conductivity decreased with the increase of the solution temperature while electrical conductivity decreased.With the increase of quenching temperature,the degree of recrystallization was increased,at 900 ℃ organization was fully recrystallized,temperature continues to rise,grain would grow up.Aging precipitation for the Cu-1.5Ni-0.6Si alloy was the main strengthening methods.The initial hardness and electrical conductivity increased rapidly after different solution-aging process.Hardness slow declined after reached the peak,while the electrical conductivity continued to rise.After 900 ℃×1 h solution and 450 ℃×2 h aging,the alloy had good overall performance;its tensile strength was 780.7 MPa,elongation was 20.1%,electrical conductivity was 40.2%IACS.

Keyword：

Cu-1.5Ni-0.6Si alloy;solution temperature;aging;hardness;electrical conductivity;

Received： 2010-12-02

随着科技和经济的快速发展与提高, 对弹性材料的要求也是越来越严格, 现广泛使用的铜基弹性材料是高强度高弹性的铍青铜和低强度低弹性的锡青铜, 各种铍青铜材料广泛应用于电子工业、航空航天、仪器仪表及家用电器等领域, 但是, 该合金生产成本高, 特别是粉尘有毒, 其化合物毒性更大, 因此近年来人们不断寻找铍青铜的代用合金 ^{[1,2,3,4,5,6]} 。

Cu-Ni-Si系列合金具有高强度、高弹性、高疲劳性、耐热性好的特点, 同时兼备了高导电性和抗应力松弛的优点, 主要应用于电器接插件、弹簧、连接器、开关、触头等各类电子元件中, 在很多要求高导电性的场合能够替代高弹性铍铜 ^[7] 。本文针对热轧开坯的Cu-Ni-Si合金带材中的固溶处理与时效处理工艺条件进行研究, 通过试验来确定合金合适的热处理工艺, 以提高合金的强度和电导率。

1 实验

实验采用Cu-1.5Ni-0.6Si合金, 在50 kg中频感应炉中熔炼, 材料的质量分数为: ω_Ni=1.5%, ω_Si=0.6%, 余量为铜。浇铸温度在1100～1200 ℃。浇铸后的合金铸锭经热轧成厚度为4 mm的板材。合金的固溶处理在SX-4-10型箱式电阻炉中进行, 固溶取850, 875, 900, 925 ℃ 4个温度, 保温时间取60 min, 随后水淬。合金时效处理在SX-4-10型箱式电阻炉进行。试样金相组织均采用5 ml FeCl₃+25 ml HCl+100 ml H₂O溶液浸蚀, 用XJZ-6Z型金相显微镜观察组织的变化; 用SIGMASCOPE SMP 10电导率测量仪测量电导率; HB-3000型硬度计测定合金的硬度(HB); 在XL30W型扫描电镜(SEM)观察合金的断口形貌。

2 结果与讨论

2.1 固溶处理

图1为合金不同固溶温度下的显微组织。

由图1可以看出: 铸态合金组织中存在粗大枝晶且枝晶偏析较为严重; 热轧后合金组织为变形组织, 晶粒沿加工方向被拉长; 与图1(b)所示的热轧态合金相比, 经850 ℃固溶后, 基体发生回复再结晶, 有部分晶粒由长条状转变为等轴晶并仍有大量未溶物质存在, 见图1(c); 当固溶温度为900 ℃时, 晶粒完全再结晶, 未溶物质基本溶解在α-Cu基体中, 并出现较多孪晶, 见图1(e)。固溶温度为925 ℃时, 晶粒显著长大, 第二相完全溶解到铜基体中, 见图1(f)。合金呈现上述规律, 这主要是因为本实验中, 所研究的合金凝固时, 容易产生枝晶偏析导致大量第二相粒子及合金元素残留在晶界上, 促使合金热轧后基体中仍残留较多粒子。因为在固溶处理过程中, 随固溶处理温度的升高, 分布于晶界及枝晶间的粗大第二相会溶解在α-Cu基体中; 研究表明: 固溶温度越高, 化合物溶解越充分, 残留相越少。这是因为温度是影响原子扩散速度的最主要因素, 温度越高, 原子越容易迁移, 扩散系数和扩散速度也越大, 达到均匀化所需的时间也就越短。当固溶温度较低时, 合金元素扩散系数较小, 在基体中的扩散速度太慢, 这导致合金元素在短时间内不能完全固溶到α-Cu基体中去, 如图1(c), (d)所示。当固溶温度为900 ℃时, 合金元素的扩散系数急剧增大, 这使合金元素在基体中的扩散速度增大能在较短时间内使溶质原子固溶到基体中, 如图1(e)所示。同时, 由于固溶处理的合金是经过形变的, 这导致在对其固溶处理的同时合金会发生回复再结晶。从图1(b)～(f), 可见合金发生了显著的再结晶, 固溶温度为900 ℃时, 合金发生了完全再结晶。当温度继续上升时, 晶粒会发生明显长大。这是由于晶粒主要是通过晶界的迁移而长大, 其驱动力来自固溶体晶界的界面能, 由于界面的这种迁动是通过原子克服一定位垒跳迁而完成, 可以看作为一种热激活过程 ^[8] , 所以温度对晶界迁移速度有明显的影响。

图1 不同温度下固溶处理后试样组织(固溶时间1 h, 水淬)

Fig.1 Different solution temperature on microstructure of alloy (a) At cast; (b) Hot-rolling; (c) 850 ℃ solution; (d) 875 ℃ solution; (e) 900 ℃ solution; (f) 925 ℃ solution

图2为经过不同固溶温度处理后Cu-Ni-Si合金的性能变化规律。

由图2(a)可知, 随着固溶温度升高, 固溶态合金硬度单调下降, 850～900 ℃之间下降较快, 900～925 ℃下降较缓。由图2(b)可知, 固溶温度对固溶态合金电导率的影响不大, 固溶温度由850 ℃升高到925 ℃, 电导率只是下降了0.4%IACS。

随着固溶温度的升高, 溶质元素在α-Cu内固溶度增加, 由于溶质原子对位错有“钉扎”作用, 形成柯氏气团, 位错运动阻力增大, 合金的硬度升高, 固溶强化的效果增大; 另一方面, 随着温度的升高, 合金的过剩相会逐渐减少, 并且合金的晶粒逐渐长大, 这两方面因素使合金软化。所以合金在不同温度固溶处理后的硬度变化是这一矛盾相互转化的结果。由实验结果可知, 在850～875 ℃温度时, 合金组织因发生回复再结晶而由加工组织转变为等轴晶, 即使合金组织中过剩相含量明显随温度升高而减少, 合金试样的硬度也因组织中位错密度降低而显著下降。温度上升到900 ℃以上时, 过剩相减少到了一定程度, 并且晶粒开始迅速长大, 因此合金试样硬度因晶粒变大而下降, 但其下降效果不如再结晶作用明显 ^[9,10,11] 。因而, 固溶态合金力学性能呈现上述规律。

随着固溶温度的增加, 合金的电导率呈下降趋势, 但是下降幅度很小。其原因是: 由于试验所用热轧板带, 热轧时控制了终轧温度, 其中一部分元素固溶在基体里, 故在固溶时, 未固溶的元素进一步固溶, 一定程度上增加了电子的散射作用, 但对电导率影响不大。

固溶目的是在合金晶粒不长大的前提下尽可能多的使合金的第二相溶入固溶体中, 为后续时效准备。从上述组织和性能来看, 900 ℃是Cu-Ni-Si合金最佳的固溶处理温度。

2.2 时效工艺

合金时效强度取决于位错与脱溶相质点的相互作用。当运动位错遇到脱溶质点时, 在质点周围生成位错环或切过质点的方式通过脱溶质点的阻碍。在时效硬化达到某一峰值后, 时效时间再延长则硬度值下降, 产生过时效。温度越高, 达到过时效阶段就越快 ^[12,13] 。图3为Cu-Ni-Si合金900 ℃固溶处理后, 经过不同温度时效处理后性能的变化。

图2 固溶温度对Cu-Ni-Si合金硬度(a)和电导率(b)的影响

Fig.2 Effect of solution temperature on hardness (a) and electrical conductivity (b) of Cu-Ni-Si alloy

图3 时效温度对硬度(a)和电导率(b)的影响

Fig.3 Effect of aging temperature on the hardness (a) and the electrical conductivity (b) of the Cu-Ni-Si alloy

图3(a)是不同温度不同时间时效对合金硬度的影响。可见, 随着时效时间的延长, 在不同的时效温度下, 合金的硬度均是先增加, 达到峰值后逐渐下降并趋于平稳, 且时效温度越高, 达到峰值所需的时间就越短, 如在400 ℃时效时, 硬度缓慢上升, 即使是较长时间的时效, 也未达到峰值; 而在500 ℃时效时, 时效2 h就达到峰值了, 这是因为在时效初期, 基体过饱和度大, 第二相析出动力大, 析出速度相应较快, 使硬度迅速上升到峰值。时效温度越高, 固溶原子的析出动力大, 析出速度就越快, 硬度达到峰值的时间也就越短。时效初期析出相与基体保持共格关系, 使基体内产生大量点阵畸变区, 随时效时间的延长, 析出相长大与基体共格关系遭到破坏, 点阵畸变程度降低, 硬度下降 ^{[14,15,16,17,18]} 。

图3(b)是不同温度不同时间时效对合金电导率的影响。对于电导率来说, 影响它的主要因素有固溶于基体的溶质元素的数量和晶粒尺寸的大小。固溶的合金元素和晶界等都会使基体产生晶格畸变, 加大电子的散射, 降低材料的电导率。在时效初期, 基体因固溶原子较多, 具有较大的过饱和度, 自由能较高, 所以固溶元素的析出动力也大, 合金元素以较快的速度析出, 晶格畸变程度降低, 使电导率以较快的速度上升; 但随着时效时间的延长, 固溶原子持续从基体中析出, 固溶体中的固溶原子进一步降低, 析出速度减缓, 所以电导率的上升趋向缓慢。时效温度越高, 固溶元素的析出倾向就越大, 合金元素析出较快, 晶格畸变的程度也较快地降低, 所以电导率增加的趋势也就越快, 如在500 ℃时效时电导率很快升高, 时效2 h左右就达到了峰值; 而在400 ℃时效时, 电导率较低且变化平稳, 即使是长时间的时效电导率仍未达到峰值。而在合金发生过时效后, 合金的硬度下降, 而其电导率却继续上升, 这是由于过时效后析出相的颗粒长大及析出相的出现导致合金硬度下降; 但由于沉淀相更充分地脱溶, 而使合金的电导率继续上升。