高品質因數恒彈性合金Ni40Cr4Ti2MoNb的研制*

王方軍, 劉 璇, 劉應龍, 李永友

(1. 重慶材料研究院有限公司，重慶，400707; 2. 國家儀表功能材料工程技術研究中心，重慶 400707； 3. 耐腐蝕合金重慶市重點實驗室，重慶 400707)

0 引 言

隨著電子通信、儀器儀表行業的發展，恒彈性合金得到了廣泛的應用。一些特殊用途的元件，為保證儀器、儀表的靈敏度和準確度，要求較低的頻率溫度系數和更高的機械品質因數Q。國內研究主要通過調整成分改善這類合金的性能，上海鋼研所研制的Ni43-CrTiZrM合金，改善了機械加工性能，其機械品質因數Q>22 000。后研究者在Fe-Ni-Co基礎上添加Mo，使得Q>25 000[1-2]。近代工業由于應用場合多元化，恒彈性合金也要求具有各種較好綜合力學性能，如強度和硬度。這類合金多為Fe-Ni-Co基，通過控制熱處理和冷變形工藝相結合的生產方法，可獲得抗拉強度>1 300 MPa，品質因數約為24 000的3J71合金[3]。研究者也圍繞Fe-Ni-Co基材料成分、熱處理制度、組織、加工等方面做了恒彈合金一些性能的優化[4-7]。也嘗試以擴展至其他合金材料進行研究恒彈合金以優化恒彈合金彈性參數性能[8-9]。但可以看到高品質恒彈合金的研究，除關注彈性性能之外，機械品質因數研究則鮮見>30 000，關注材料力學性能的更少[10-15]。

本文基于重慶材料研究院多年研制恒彈合金的基礎，通過微調合金成分，嘗試研制了一種高品質因數Ni40Cr4Ti2MoNb恒彈合金，并探究了時效熱處理溫度和不同冷加工工藝對其機械品質因數Q、彈性模量E、拉伸性能對材料各項性能的影響。

1 實 驗

實驗材料為Fe-Ni-Co基，使用真空熔煉+電渣重熔的雙聯冶煉方法獲得電渣錠。樣品熔煉后使用直讀光譜儀分析化學成分，詳見表1，所有成分質量分數總和為100%，共6件樣品。

表1 試樣的成分表(%質量分數)

為了方便后續的試驗研究，首先準備試樣：電渣錠進行熱軋、固溶、最后冷拔成為?40 mm直棒，標記為原始態樣品。對樣品進行了室溫拉伸、晶粒度、夾雜物、機械品質因數、彈性模量，確認樣品的原始狀態。

時效制度研究，將6個成分的試樣，各取2組拉伸標準試樣，1組為原始態，1組分別按690 ℃×3 h、650 ℃×3 h的時效制度進行熱處理，與原始態對比力學性能，分析最優的時效制度。

冷加工變形量研究，研究變形量對恒彈合金的各項性能參數影響情況。?40 mm直棒進行拉拔加工，變形量加工參數見表2，每次冷拔完成后截斷2件L=130 mm冷拔樣，在2件L=130 mm樣品棒R/2處取拉伸、彈性模量、機械品質因素樣品。其中，拉伸樣為?8 mm標準拉伸樣，在萬能力學試驗機上進行試驗；機械品質因素樣為5.5 mm×20.5 mm×75 mm長方體樣；彈性模量樣品為13 mm×13 mm×15 mm長方體樣品，均由RFDA HT650彈性測試儀進行測試。

表2 加工變形量參數

冷加工變形量+時效處理研究，將取下的冷拔樣品進行時效處理，以時效制度研究的時效處理結果為準，然后對其拉伸、彈性模量、機械品質因素性能參數進行測試分析。

2 結果與討論

2.1 原始狀態的樣品分析

圖1為?40 mm原始樣品的組織形貌圖。表3 為原始試樣性材料性能分析數據。從表中數據可以看出，6件試樣材料的夾雜物控制在較低水平，第一件樣品晶粒粗大為1級，系鍛造成型過程溫度偏差導致；其他樣品晶粒度較細小約為4～5級，圖中組織均勻彌散分布少量碳氮化物，組織均勻。性能測試結果沒有顯示突出性能的樣品，性能較為均勻表明成分未對試樣力學性能產生明顯的影響。

圖1 原始樣品典型組織形貌Fig 1 The typical microstructure of original specimens

表3 原始態試樣性能參數

2.2 時效制度對恒彈合金性能的影響

進行熱處理試樣的力學性能見圖2。經過時效熱處理以后，材料的力學性能有了較為明顯的增加，其中650 ℃×3 h的熱處理制度得到的力學性能優于690 ℃×3 h。朱亞輝研究表明彈性合金的機械品質因數在650 ℃的時效處理獲得峰值[15]，本文時效制度研究與之類似。在隨后的加工量的研究中，時效熱處理制度均選用的是650 ℃×3 h。

圖2 時效熱處理后力學性能對比Fig 2 The comparison of mechanical properties after aging heat treatment

對650 ℃×3 h處理的試樣，對其組織、彈性模量、機械品質因數等參數進一步分析。試樣熱處理后典型組織的示意圖見圖3，組織主要為變形組織，未見明顯孿晶。但可以看出A-1#試樣的晶粒度依然明顯粗化(圖3(a))未通過熱處理細化晶粒，與圖1原始樣品圖比，組織點狀析出相明顯增多。由于1#試樣晶粒粗化，A-1#試樣時效熱處理后力學性能明顯比其它的試樣差。熱處理后樣品彈性模量、機械品質因素數據見表4，在相同熱處理制度下，樣品w(Mo)%成分為變量，經時效處理后可以看出，A-1#、A-2#、A-6#的機械品質因數遠高于其他幾個試樣，但w(Mo)%成分變化對彈性模量E影響不大，但可以明確的是合金的成分對材料的機械品質因數有一定影響的。

表4 650 ℃×3 h熱處理樣品性能

圖3 650 ℃×3 h熱處理樣品典型組織形貌Fig 3 The typical microstructure of specimens after aging heat treatment

2.3 加工量對恒彈合金力學及彈性性能的影響

對不同冷拔變形后的原始態試樣和冷拔+時效熱處理后的試樣進行綜合測試分析。加工后，組織形貌仍為變形組織，隨著變形量增加織構特征更明顯。通過時效處理以后，進行組織拍照，典型樣貌見圖4，所選取的圖為4#和A-4#樣品，與僅冷拔處理的材料組織對比可看到，時效處理的組織晶粒沒有回復、重新生長組織特征。冷拔后樣品和熱處理后樣品的力學性能見圖5，從圖5可以看出，冷拔變形量增加不能明顯提升試樣的力學性能，說明在本文的變形量下，加工硬化未顯著產生。圖5為A-3#試樣加工態和時效態的電鏡掃描形貌圖，經過時效處理的樣品相對冷加工態樣品析出的球狀沉淀硬化相，掃描分析析出相經分析為主要富集Nb(Ti)相，也就是γ′相。從3組樣品數據來看，時效處理平均提升了28%的力學性能，其中A-2#、A-3#、A-6#號試樣的力學性能較好，其抗拉強度分別為1 377、1 366、1 389 MPa，均超過了1 300 MPa。經過時效熱處理，材料經過較大變形量產生大量晶體內部缺陷，為γ′相析出提供了較多的形核點，其彌散狀分布在基體上產生時效強化效應。又從圖6中看出，再一次驗證w(Mo)%與改善力學性能沒有直接、明顯的聯系。另外，從成分表1中可以看到2#、3#、6#均為Nb含量較高的試樣，或表明Nb含量與改善力學性能可能有一定關系。

圖4 試樣冷拔原始態和時效熱處理后的典型組織形貌圖Fig 4 The typical microstructure of cold deformation and aging heat treatment specimens

圖5 冷拔加工和冷拔后+時效熱處理的A-3#試樣SEM照片Fig 5 SEM image of A-3# sample of cold deformation and aging treatment after cold deformation

圖6 冷變形和時效熱處理對材料力學性能的我影響Fig 6 The effect of cold deformation and aging heat treatment on material mechanical property

對時效處理后的多變形量的樣品進行恒彈合金相關參數的測試分析。圖7為變形量與機械品質因數Q、彈性模量E的關系圖。從圖7(a)可以看到，在32%的變形量處，機械品質因數隨變形量變化存在一個低谷值，平均Q值為22 920，低于14%變形量的26 387和40%變形量的44 857。根據機械品質因數Q的測試原理，變形量不太大時，位錯密度增加對內耗的貢獻起主導作用；隨著變形量的增加，材料內部產生的位錯密度增多，在外力作用下運動產生內耗，降低機械品質因數Q值；當變形量很大時，在位錯密度增加，大量位錯相互交結而形成位錯網，起固定釘扎作用而阻礙位錯的運動，使內耗減小[16]。也就是說，如果彈性合金的變形研究范圍夠大，Q值會存在谷值。在趙玉華等研究的鐵磁恒彈合金提到這一臨界變形量為20%[4]。本文變形范圍涵蓋文獻所提臨界點的研究，雖臨界值不一定同為20%，但結果顯示，14%～40%之間可能存在臨界變形量。

圖7 變形量與機械品質因數Q、彈性模量E的關系Fig 7 The relationship between deformation and mechanical quality factor Q and elastic modulus

一般認為，彈性模量對材料組織的變化、組織中存在的彌散第二強化相等組織特性變化是不敏感的[17-18]。也有研究表明，但冷加工變形后，軋制產生的定向織構會使彈性模量產生各向異性。垂直軋制方向，彈性模量小于平行軋制方向的結果[1-2]。從圖6(b)中可以看到，在本文研究的冷拔變形范圍，沿垂直方向測量的14%的變形量和32%對彈性模量E的變化很小，14%的變形量平均E值為179.9 GPa，而32%為180.9 GPa。在達到40%的變形量以后，略有增加，為187.0 GPa。實際整體無明顯區別。軋制產生了變形織構組織，彈性模量E相對于原始態略有下降。

2.4 化學成分對恒彈合金彈性性能的影響

圖8為w(Mo)%的變化與恒彈合金相關參數的關系，此時樣品為經過冷加工和時效處理后樣品。恒彈合金的機械品質因數Q對化學成分的變化比較敏感，通過微調合金成分方法，精確控制這些參數。Fe-Ni-Mo系合金相對Fe-Ni-Cr系合金，適當的添加Mo可提升機械品質因數Q值[2]。從圖8(a)中可以看到，機械品質因數Q隨著Mo的變化波動較大，其中w(Mo)%=1.84和w(Mo)%=2.37對應的機械品質因數較高。變形量為14%和40%時，增加w(Mo)%含量有利于提升機械品質因數Q值的，但Mo含量與機械品質因素Q關聯性遠小于機械加工帶來的影響。在本文研究樣本中，處于臨界變形量附近的變形量32%,w(Mo)%增加不會使得機械品質因數Q值增加，反而下降。這表明了本文的研究對象Ni40-Cr4Ti2MoNb合金機械品質因素Q，機械加工影響占主導作用。

從圖8(b)中看出，冷加工變形以后，w(Mo)%成分變化依然對彈性模量基本沒有影響，基本穩定在180GPa左右，說明冷加工對彈性模量的影響是微小的。

圖8 w(Mo)%與機械品質因數Q、彈性模量E的關系Fig 8 The relationship between w(Mo)% and mechanical quality factor Q and elastic modulus

綜合研究結果來看，本文3#(w(Mo)%=1.84)變形度40%，熱處理650 ℃×3 h的試樣，Q值達46 866，彈性模量和力學性能優質，整體綜合性能較好，達到高品質機械因數恒彈合金要求的預期。

3 結 論

研制了一種高品質因數的恒彈合金Ni40-Cr4Ti2MoNb，通過考量冷加工、熱處理制度研究了其力學性能、機械品質因數、彈性模量參數，得出以下結論：

(1)650 ℃×3 h的熱處理制度得到的力學性能優于690 ℃×3 h。材料冷加工以后，配合650 ℃×3 h的時效熱處理制度，可以平均提升其原始態28%的力學性能。

(2)僅增加冷加工的變形量不能明顯提升合金的力學性能；在14%～40%之間可能存在臨界變形量，此時合金的機械品質因數Q最低，而越過該點，Q值會對應增加。彈性模量與冷變形量大小無顯著關系

(3)w(Mo)%含量的變化與力學性能、彈性模量無明顯的相關關系；變形量為14%和40%時，w(Mo)%含量增加有利于提升Q值；變形量為32%時，w(Mo)%增加反而降低Q值，表明機械加工對Q值得影響占主導影響。

(4)通過對6組不同成分試樣的時效、加工工藝研究，經40%變形+650 ℃×3 h時效處理的w(Mo)%為1.84%試樣(3#)Q值為46 866，Q>45 000，抗拉強度1 366 MPa，Rm>1 300 MPa，彈性模量E為186.9，E>180 GPa，綜合性能較好，達到高品質機械因數恒彈合金要求的預期。