CuNi2Si銅合金復合板的組織和性能研究

劉建偉　郭勵武

摘要：研究了不同時效溫度、時間對CuNi2Si銅合金復合板組織和性能的影響，并選擇合適的硬度檢測來表征CuNi2Si銅合金復層的硬度值。結果表明，在時效過程中第二相的析出，受溫度和時間的影響;（500℃，2h）時效時，HV5硬度值為180- 190;CuNi2Si銅合金復合板在固溶（900℃，10 min）、時效（600℃，1.5 h）熱處理制度下，具有符合用戶要求的硬度指標，具備硬度、強度等優良的機械性能。

關鍵詞：CuNi2Si;銅合金復合板;時效處理;HV5硬度

中圖分類號：TG166.2;TG146.11

文獻標識碼：A

DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2019.10.035

1 前言

CuNi2Si銅合金復合板以銅為復層，碳鋼為基層，通過爆炸焊接或軋制的方法使兩種金屬通過冶金結合為整體。該產品可以節約鎳硅青銅合金，并且兼具高強度、中等導電性、優良的耐蝕、耐磨、抗疲勞性能和基材的優良熱冷加工性。CuNi2Si是Cu-Ni-Si三元系為基的合金，Ni和Si形成化合物Ni2Si，CuNi2Si相圖為偽二元合金相圖，Ni2Si在960℃共晶溫度下溶解度為8.5%，室溫時下降為0.5%，因此有較強的固溶、時效強化作用[1]。當合金中的Ni和Si含量比為4：1時，可全部形成Ni2Si強化相，合金含量比小于4時，雖有較高的強度和硬度，但其導電率與塑性會降低。

復合板的熱處理主要是消除爆破應力，同時需保持基板、復板的各自特性[2]，CuNi2Si銅合金復合板用戶要求目標硬度值在100 - 140 HB，為此分析不同熱處理工藝對組織性能的影響。

2 實驗材料和方法

CuNi2Si銅合金復合板通過軋制法生產制得，其材質為CuNi2Si+Q235B，規格為（1.2+5） mm和（0.5+2） mm，化學成分如表1所示。

熱處理試驗在箱式電阻爐進行，熱處理爐溫度控制在土10℃，時效處理采用450 - 700℃，時效時間l-3h，分別對相應的試驗結果和數據進行分析，并進行了金相檢測及復層厚度測量。

3 試驗結果及分析

3.1 力學性能分析

力學性能試驗數據如表2所示。

從表2可看出，產品的冷軋與熱軋兩種交貨狀態的機械性能有很大區別，熱軋態的交貨狀態產品質量滿足GB/T8165-2008關于軋制復合板的質量要求，有良好的可加工性;冷軋態伸長率只有2%，并且內彎時Q235B開裂，經過時效處理后產品質量有了一定提高，但是伸長率仍然不合格，固溶處理后各項指標合格，但較熱軋態強度指標偏高。

3.2 硬度值分析

一般采用布氏硬度檢測和測量CuNi2Si的硬度，布氏硬度是以一定大小的試驗載荷，將一定直徑的淬硬鋼球或硬質合金球壓入被測金屬表面，保持規定時間，然后卸荷，測量被測表面壓痕直徑。布氏硬度值是載荷除以壓痕球形表面積所得的商。通過測試一組試樣，并測量壓痕深度，深度已超過復層厚度測量。采用布氏硬度的方法不能充分反映出復層硬度值。因此采用維氏硬度進行表征CuNi2Si復合板復層硬度值，并對比了HVI、HV5、HVIO的壓痕及試驗結果，最終選用HV5。硬度值與溫度、時間的等值線如圖1所示。

將冷軋銅+鋼復合板固溶處理后，分別在450 - 700℃區間進行時效處理，時效時間l-3h，共進行了32組試驗，并繪制了等值線圖。從圖1可以看出，當時效溫度為500℃時，硬度不受時效時間的影響;當硬度超過600℃時，隨著時間的增加硬度值逐漸降低;當時間固定時，硬度值隨著溫度的升高而降低。硬度值在時效處理500℃，2h時達到峰值，HV5為186，192，189。上述合金硬度的變化，是由于在一定溫度時效時，銅合金內部原子動能增加，化合物Ni2Si濃度大，但固溶度降低，因此以細小粒子均勻分布在固溶體的晶粒之中時，合金的塑性、韌性稍有下降，而強度、硬度有所增加。隨著時效時間的延長，基體中固溶元素濃度減少，析出動力減小，析出速度減慢，因此硬度上升趨勢變緩。隨著溫度的升高和時間的增加，析出的相會逐漸長大，由于化合物Ni2Si濃度的降低，析出的新的細小粒子的動力不足。

從圖2可以看出，軋制態銅合金單相α固溶體，在不同時效溫度下，組織內部均有析出相黑色顆粒，隨著時效溫度的升高和析出相逐漸增多、增大，且更加彌散。CuNi2Si銅合金復合板結合層顯微組織如圖3所示。CuNi2Si銅合金復合板結合層金相組織[3]上層為CuNi2Si銅合金，下層為Q235B，中間結合層平直，符合軋制板的基本特征。熱軋態復層側后，經測量復層厚度在1.2 mm。

3.3 金相分析

CuNi2Si銅合金復合板在不同時效溫度的顯微組織如圖2所示。

4 結論

根據力學性能、硬度實驗數據、金相分析，并結合用戶的要求最終確定了兩種工藝方案，根據實驗結果如表3所示，最終確定了方案一，并為用戶提供了合格產品。

CuNi2Si銅合金復合板經過熱軋+冷軋后再進行固溶時效處理，達到了用戶要求的目標硬度值，各項力學性能指標均達到了使用要求，有良好的機械性能。

CuNi2Si銅合金復合板在時效過程中，析出了第二相。第二相與位錯產生強烈的交互作用，使合金進一步強化，合金具有明顯的晶界析出特點[4]。檢測復合板的硬度應根據不同的材質和復層厚度選用合適的硬度檢測方法，復層的厚度和基層的材質會影響復合板硬度檢測。

參考文獻：

[1]潘建躍，劉和法，謝春生，等.時效冷卻方式對CuNi2Si合金組織和性能的影響[J].金屬熱處理，1993 （4）： 24-27.

[2]鄭遠謀.爆炸焊接和爆炸復合材料[M].長沙：中南大學出版社，2017.

[3]胡蘭青，衛英慧，許并社，等.爆炸焊接鋼，鋼復合板接合界面微觀結構分析[J].金屬熱處理學報，2004，25（1）： 46-48.

[4]張文芹.熱處理對CuNi2Si合金組織和性能的影響[J].上海有色金屬，2015 （6）： 47-51.