CuNi2SiCrZr銅合金的工藝性能及微觀組織分析

李學(xué)浩，朱仁萍

鎮(zhèn)江四洋特種金屬材料制造有限公司 江蘇鎮(zhèn)江 212003

1 序言

C u N i2S i系合金為沉淀強(qiáng)化型高強(qiáng)度導(dǎo)電合金，與CuNi2Be、CuCo2Be相比，CuNi2Si系不含Co、Be元素，具有綠色、經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)，但綜合性能還存在一定的差距。近年來，對(duì)CuNi2Si系合金的研究主要集中在多元素合金化和熱處理、加工工藝的組合方面，多元素合金化方面[1-6]，主要是在Ni、Si的基礎(chǔ)上加入Cr、Co、Al、Be、Mg、P、Fe中的一種或幾種組成新的合金，在CuNiTi銅合金中加入Cr、Zr可以細(xì)化晶粒、降低固溶體硬度、改善冷加工性能、提高合金熱強(qiáng)性[7-8]，國內(nèi)很少有在Ni、Si的基礎(chǔ)上同時(shí)加入少量Cr、Zr的報(bào)道，本文在CuNi2Si銅合金基體中，加入Cr、Zr元素，通過各元素之間的對(duì)基體的強(qiáng)化作用，進(jìn)一步提高CuNi2Si銅合金基體的性能，尤其是熱強(qiáng)性，并通過不同冷變形、不同時(shí)效工藝的試驗(yàn)和不同條件下性能對(duì)比，尋求CuNi2SiCrZr合金材料的最佳工藝條件。

2 合金材料及熔鑄

CuNi2SiCrZr合金的化學(xué)成分見表1，在合金中加入Cr可以與Si形成Cr3Si穩(wěn)定的增強(qiáng)相[5，9]，Zr在銅固態(tài)的溶解度最高為0.15%，在常溫下溶解度急劇減少，wZr≥0.15%的加入可以與Cr和Cu形成CrZr和CuZr化合物彌散分布于基體，以細(xì)化晶粒、提高CuNi2SiCrZr合金的高溫強(qiáng)度。因Cr、Zr元素極易氧化，采用真空感應(yīng)熔煉，首先熔化純銅和Ni，待熔化溫度達(dá)到1400℃后，再將Cr、Zr加入到銅液中，Cr、Zr全部熔化后保溫，鐵模真空澆注成鑄錠。

表1 合金材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖1 固溶溫度對(duì)電導(dǎo)率的影響

3 工藝試驗(yàn)

3.1 固溶處理

CuNi2SiCrZr合金鑄錠經(jīng)過熱鍛后，將試樣分別在860～940℃內(nèi)保溫1h進(jìn)行固溶處理，測試的電導(dǎo)率的大小如圖1所示，隨固溶溫度增加電導(dǎo)率不斷降低，在920℃達(dá)到最低值，再增加固溶溫度，電導(dǎo)率幾乎沒有變化，圖2為CuNi2Si的偽二元相圖，固溶溫度達(dá)到900℃時(shí)除粗大的初生相不能完全溶解外，大部分Ni、Si元素都可以固溶到基體，隨固溶溫度的升高，在相同的保溫時(shí)間下溫度越高晶粒就越大，因此，固溶溫度選擇在900～920℃比較合理，本文選擇910℃進(jìn)行固溶處理。

圖2 Cu-Ni2Si偽二元合金相圖

3.2 冷變形和時(shí)效處理

將910℃下固溶處理過的C u N i2S i C r Z r合金試樣分別進(jìn)行不冷變形、15%冷變形、20%冷變形、25%冷變形的處理，將四組試樣再分別通過460～520℃、保溫4h的時(shí)效處理，得到的性能曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，CuNi2SiCrZr合金的冷變形強(qiáng)化作用比較明顯，同一冷變形下的試樣硬度、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨時(shí)效溫度的增加先上升再下降，在時(shí)效溫度為500℃時(shí)，達(dá)到硬度和強(qiáng)度的頂峰，不同的冷變形量下的時(shí)效溫度-強(qiáng)度曲線的整體趨勢(shì)是一致的，當(dāng)時(shí)效溫度超過500℃，出現(xiàn)過時(shí)效，硬度和強(qiáng)度均下降。

同一時(shí)效溫度下，在0～25%變形量的范圍內(nèi)，強(qiáng)度和硬度值隨變形量的增加而上升，強(qiáng)度和硬度值增加的幅度越來越小，說明初始變形量對(duì)強(qiáng)度和硬度的貢獻(xiàn)較大，隨變形量的增大，變形量的增加值對(duì)強(qiáng)度和硬度的提高作用越來越小。

圖3 不同變形量和時(shí)效溫度對(duì)性能的影響

四組不同變形量的電導(dǎo)率均隨時(shí)效溫度的增加而上升，在不超過500℃時(shí)效溫度范圍內(nèi)，同一時(shí)效溫度下隨變形量的增大電導(dǎo)率增加，超過20%變形量后，電導(dǎo)率反而下降，說明在0～20%變形量范圍內(nèi)，變形量對(duì)沉淀強(qiáng)化析出給予導(dǎo)電的上升作用要大于變形硬化對(duì)導(dǎo)電的影響，變形量超過20%時(shí)，變形硬化作用對(duì)導(dǎo)電的影響逐漸加大，就造成在同一時(shí)效溫度下變形量大的試樣的電導(dǎo)率小于變形量小的試樣。當(dāng)達(dá)到過時(shí)效溫度520℃時(shí)，固溶元素引起基體的畸變對(duì)電導(dǎo)率的影響在沉淀析出過程已基本得到緩解，冷變形加工硬化對(duì)電導(dǎo)率的影響也基本消失，同一時(shí)效溫度下電導(dǎo)率的數(shù)值也基本趨于一致。

由以上分析得出，CuNi2SiCrZr合金通過25%的冷變形和500℃×4h時(shí)效可以得到最佳的性能組合，抗拉強(qiáng)度716MPa、屈服強(qiáng)度651MPa、硬度96HRB、電導(dǎo)率IACS40%。

4 金相組織

圖4為CuNi2SiCrZr合金冷變形0～25%后在500℃時(shí)效后的金相照片，可以看出隨變形量的增加，時(shí)效后的平均晶粒尺寸不斷減小，在25%冷變形后的時(shí)效組織中還呈現(xiàn)有冷變形的特征。冷變形使合金內(nèi)部存在大量的位錯(cuò)等晶體缺陷，在時(shí)效過程中可以增加第二項(xiàng)形核數(shù)量和加速第二項(xiàng)的彌散析出。冷變形使時(shí)效后的組織中有大量的細(xì)小孿晶形成和一定數(shù)量的冷變形位錯(cuò)保留。因此，第二項(xiàng)的更加彌散析出和組織中存在的孿晶、位錯(cuò)使合金在0～25%變形范圍內(nèi)的硬度和強(qiáng)度峰值隨變形量的增加而增大。

圖4 0～25%冷變形+500℃時(shí)效金相照片（200 ×）

5 結(jié)束語

綜上所述，CuNi2SiCrZr合金通過910℃×1h+ 25%的冷變形+500℃×4h時(shí)效可以得到最佳的性能組合：抗拉強(qiáng)度716MPa、屈服強(qiáng)度651MPa、硬度96HRB、電導(dǎo)率IACS40%。

隨變形量的增加，時(shí)效后的晶粒尺寸不斷減小，在25%冷變形后的時(shí)效組織中還呈現(xiàn)有冷變形的特征。冷變形使時(shí)效后的組織中有大量的細(xì)小孿晶形成和一定數(shù)量的冷變形位錯(cuò)保留。第二項(xiàng)的更加彌散析出和組織中存在的孿晶、位錯(cuò)使合金在0～25%變形范圍內(nèi)的硬度和強(qiáng)度峰值隨變形量的增加而增大。