Cu-9.5Ni-2.3Sn-0.25Si合金鑄態組織與時效性能的研究

劉東輝，楊勝利

(江西理工大學材料科學與工程學院，江西 贛州 341000)

隨著科學技術的發展，人們對廣泛應用于彈性材料領域的銅基材料提出了更高的要求：既要提高強度以減小元件尺寸，又要具有高的彈性性能和電導性。Cu-Ni-Sn合金是一種很有發展前途的新型銅基彈性材料，它價格便宜且性能優良，特別是抗高溫應力松弛能力強。Sn含量的提高可以提高時效硬化效果并加速時效硬化過程。趙建國[1-2]等人研究發現，隨著Ni、Sn含量的增加，合金的硬度、抗拉強度均會提高，并且合金成分為Cu-15Ni-8Sn時達到最大。隨后若繼續增加Ni、Sn含量，性能指標反而下降[3-4]，同時由于含Sn量高的Cu-Ni-Sn合金在凝固過程中會形成富Sn的偏聚物，導致熱軋開裂而無法生產板材[5-6]。因此提高低Sn含量合金的性能將有很大的發展空間。對于低Sn含量的Cu-Ni-Sn合金的研究，國外已有很多報導。當Sn含量小于4%時，Cu-Ni-Sn合金在時效過程中將不發生調幅分解[7-10]。Cu-9.5Ni-2.3Sn合金就是固溶強化型合金，但其強度低而無法替代鈹銅。但向Cu中添加Si可以明顯抑制Cu-Ni-Sn合金時效后期不連續沉淀的出現，Si主要是與Ni結合，在晶界上形成非常細小的Ni2Si相顆粒，占據了γ-(Cu,Ni)3Sn相的形核位置，抑制了層片狀α+γ不連續沉淀物的出現。王艷輝[11]等人曾研究過添加0.4%Si的Cu-15Ni-8Sn合金，發現時效過程中由于Ni2Si的出現，使基體合金元素貧化，電導率升高至12%IACS左右，一定程度上彌補了其電導率的不足。另外，在時效過程中除了調幅分解強化外，還會因為Ni2Si相的沉淀析出而產生額外強化以達到沉淀強化的目的。

本文選擇添加0.25%Si的C72500合金進行研究。研究了合金鑄態組織與固溶時效工藝，通過對合金的組織結構、時效工藝的分析和研究，以期獲得較為合適的熱處理工藝，從而對生產實踐起指導作用。

1 試驗材料及方法

C72500合金成分為(質量分數%)：Ni8.5～10.5，Sn1.8～2.8，雜質Mn≤0.2，Pb<0.05雜質Fe和Zn均不得大于0.5，其它雜質微量(≤0.2)。本實驗用電解銅、純鎳(剪成細小薄片)、銅錫中間合金(90wt%Sn)為原材料，采用高純石墨坩堝，在50kg中頻爐中進行熔煉，最后形成100mm×40mm×16mm的坯料。合金鑄錠經850℃×0.5h熱軋(加工率為80%)后進行800℃×2h固溶，進行70%的形變冷軋后再進行時效處理。金相試樣先后經粗磨、細磨、拋光、腐蝕，浸蝕液配比3gFeCl3+2mlHCl(濃)+96mlH2O，浸蝕時間為5-10s，取樣品用砂紙表面磨光滑后，應用SIGMASCOPE SMP10型導電儀對試樣進行電導率的測試，并在維氏硬度計上進行硬度測定，每個試樣測量3次取平均值。采用金相顯微鏡、掃描電鏡對樣品的微觀形貌進行觀察和能譜儀、MinifleX-射線衍射儀進行物相分析。

試驗所得合金成分采用帕納科PW2424型X熒光儀進行檢測。檢測結果如表1所示，從表中可以看出，合金元素都在合金范圍之內。

表1 Cu-Ni-Sn鑄錠成分分析結果(質量分數%)

2 實驗結果與分析

2.1 鑄態組織結構分析

(a) 低倍 (b) 高倍

圖2 Cu-9.5Ni-2.3Sn-0.25Si合金微觀組織掃描電鏡照片(2000X)

圖1為Cu-9.5Ni-2.3Sn-0.25Si合金鑄態組織低倍與高倍的金相組織照片。從圖1(a)可以看出：Cu-9.5Ni-2.3Sn-0.25Si合金鑄態組織中具有明顯的樹枝狀偏析特征，其中枝晶非常發達。在低倍下枝晶間與枝晶上的黑白兩區分得很明顯，在高倍像中(見圖1(b)中)可以看出枝晶上并不是完全空白，而是由白色的基體與其上分布的許多白色點狀，塊狀黑色物相所組成的，枝晶間也有許多小黑點或黑色塊狀物。造成這樣現象應是由于元素枝晶偏析的原因。這是因為合金首先結晶出的Cu與Ni原子富集的固溶體呈白亮色樹枝狀晶體，枝晶間為溶質原子Sn、Si富集的區域(黑色部分)，在黑色部分里面還夾著白亮的第二相析出物，這一組織在掃描電鏡相片中清晰可見(圖2)。為了祥細的分析Cu-9.5Ni-2.3Sn-0.25Si合金鑄態組織構成，對金相樣品進行了能譜分析與XRD分析。在圖中：A為樹枝狀枝晶部分，B為枝晶間骨狀組織，C為塊狀白亮色化合物。其中表2為合金鑄態組織能譜分析結果，圖3為合金鑄態組織XRD分析結果。從表2中可以看出，合金中的Sn分布不均勻，其中樹枝狀枝晶A處為貧Sn區，此處組織中Cu、Ni原子比為6∶1，由此可知應為Cu-Ni固溶體，即為α固溶體。枝晶間骨狀組織B區域處Sn的含量為5.47%，Si含量為0.94%，此處Ni、Sn、Si原子百分比為5.4∶1.4∶1，結合圖3可推測出此枝晶間骨狀組織析出物為固溶Cu的Ni2Si與Ni3Sn相的混合物[12-13]。在C點所示的區域含Sn的含量為3.06%，而原子百分比為1.64，此部分的Ni、Sn原子比為Ni∶Sn∶Si=9.6∶1.4∶1，結合圖3可推測出此白亮塊析出物為固溶在α固溶體中Ni3Si與Ni4Sn相的混合物[14]。

總之，對于Cu-9.5Ni-2.3Sn-0.25Si合金來說，鑄錠存在Sn元素的枝晶偏析，枝晶發達。對于常規的Cu-Ni-Sn合金而言，除了Ni3Sn、Ni4Sn相外，Si元素的加入使合金中產生了新相Ni2Si與Ni3Si。