添加Ag對Cu-15Ni-8Sn合金組織及性能的影響

樂順聰，黃 劍，郭誠君，章文槐，胡延波，胡春暉

（1.江西銅業(yè)股份有限公司加工事業(yè)部，江西 南昌 330096；2.江西先進銅產(chǎn)業(yè)研究院，江西 鷹潭 335000；3.江西理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

1 引言

Cu-Be合金被譽為“有色彈性材料之王”，但由于Cu-Be合金在生產(chǎn)制造過程中易產(chǎn)生有毒粉塵，大大制約了其生產(chǎn)應(yīng)用。Cu-Ni-Sn合金具有高強度、高耐磨性和抗腐蝕等性能，在航空航天、機械電子、石油化工等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用［1-3］。其中，Cu-15Ni-8Sn合金以其優(yōu)異的性能成為替代Cu-Be合金最有潛力的材料之一［5］。

Cu-15Ni-8Sn合金在時效早期形成由富錫區(qū)和貧錫區(qū)組成的調(diào)幅組織。隨著時效處理的進行，DO22有序相或L12有序相在富錫區(qū)形成，這是合金強度提高的重要原因。隨著時效時間的進一步增加，在晶界處形成具有γ-DO3結(jié)構(gòu)的不連續(xù)沉淀組織，會對合金的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響［3-5］。因此，抑制Cu-15Ni-8Sn合金時效后期不連續(xù)沉淀的形成和長大對提高合金的性能具有十分重要的意義。微合金化法被認為是抑制不連續(xù)沉淀最有效的方法之一，同時對合金的力學(xué)性能也會產(chǎn)生有利的影響。大量的研究報道指出在Cu-15Ni-8Sn合金中添加Fe、Co、Si、P、V、Ti和Nb等合金元素能夠顯著抑制不連續(xù)沉淀的形成，從而改善合金的力學(xué)性能［6-9］。Yuan等人［10］研究發(fā)現(xiàn)，在 Cu-6.5Fe-0.2Cr合金中添加Ag元素能夠促進納米級Fe相的析出，從而提高合金的力學(xué)性能。對Cu-15Ni-8Sn合金中Ag元素的添加研究極少，Beata等人［11］在Cu-2Ni-1Si合金中添加0.8 wt.%的Ag元素，合金強度提高了22%，導(dǎo)電率提高了18%。

基于此，本實驗對Ag的添加及其含量對Cu-15Ni-8Sn合金鑄態(tài)組織和時效過程的影響進行了詳細研究，重點研究了Ag添加量對不連續(xù)沉淀的影響及其機理。

2 材料和方法

合金的原材料為上引銅桿(99.99 wt %)、純鎳塊(99.95 wt %)、純錫粒(99.95 wt %)和純銀粒(99.95wt%)，采用真空熔煉鑄造的方法制備了不同Ag含量的Cu-15Ni-8Sn-xAg(x=0,0.2,0.5,0.8)合金。首先，將原材料加入真空感應(yīng)熔煉爐的石墨坩堝中，在氬氣保護下熔化并澆鑄，鑄錠尺寸為Φ45 mm×110 mm。隨后在850℃均勻后處理10 h快速水冷，形成過飽和固溶體。通過電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP，720-ES，VARIAN，美國）測量不同Ag含量（wt.%）樣品的化學(xué)成分，見表1所示。最后，將樣品放入電阻爐中，在450℃時效處理0.5～15 h。鑄態(tài)、固溶態(tài)和時效態(tài)的樣品用SiC砂紙打磨并拋光后，采用1g FeCl3+ 100 mL H2O + 80 mL HCl溶液腐蝕。使用光學(xué)顯微鏡（OM，Zeiss Axioskop 2）和掃描電子顯微鏡（SEM，Tescan-Orsay Mira3, LMH）觀察不同狀態(tài)樣品的組織形貌。

表1 Cu-15Ni-8Sn-xAg合金的化學(xué)成分 %

3 結(jié)果

3.1 鑄態(tài)組織的顯微分析

圖1是不同Ag含量的Cu-15Ni-8Sn-xAg合金鑄態(tài)組織的金相（OM）圖。從圖1可以觀察到，Cu-15Ni-8Sn、Cu-15Ni-8Sn-0.2Ag、Cu-15Ni-8Sn-0.5Ag、Cu-15Ni-8Sn-0.8Ag合金的鑄態(tài)組織均為明顯的樹枝晶結(jié)構(gòu)。Ag元素的添加能夠減小枝晶之間的二次間距，改善合金的偏析，特別是當Ag添加量為0.2 wt.%時［圖1(c)］，枝晶間距明顯減小，獲得的鑄態(tài)組織更加均勻。

圖1 Cu-15Ni-8Sn-xAg合金鑄態(tài)組織的金相圖

圖2為Cu-15Ni-8Sn-xAg合金鑄態(tài)組織的SEM 圖，其中圖2(b)、(d)、(f)和 (h)為圖2(a)、(c)、(e)和(g)的局部放大圖。從圖2(a)、(c)、(e)和(g)中均可觀察到明顯的枝晶組織，其中，Cu-15Ni-8Sn合金的枝晶組織較為粗大，隨著Ag元素的添加，枝晶組織明顯細化，與圖1的結(jié)果一致。從圖2(b)、(d)、(f)和(h)的局部放大圖可知，枝晶組織主要由銅基體、顆粒狀富Sn相和過渡相（白色區(qū)域）組成［12-13］。Cu-15Ni-8Sn合金中Ag元素的添加可以細化富Sn相，且白色區(qū)域的過渡相形貌由片層狀向顆粒狀轉(zhuǎn)變，表明Ag元素的添加可以顯著影響Cu-15Ni-8Sn合金的鑄態(tài)組織。

圖2 Cu-15Ni-8Sn-xAg鑄態(tài)組織的SEM圖

3.2 固溶態(tài)組織的顯微分析

圖3是Cu-15Ni-8Sn-xAg合金經(jīng)過850℃均勻化固溶處理10 h后的OM圖。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，四組合金的樹枝晶結(jié)構(gòu)已完全消失，表明溶質(zhì)元素Sn已經(jīng)完全固溶于基體中，并形成了單相過飽和α固溶體。此外，在圖3(d)中可以觀察到少量退火孿晶的存在。

圖3 Cu-15Ni-8Sn-xAg合金固溶態(tài)組織的OM圖

3.3 時效態(tài)組織的顯微分析

圖4為Cu-15Ni-8Sn-xAg合金試樣在450℃時效不同時間的OM圖。時效1h時，在Cu-15Ni-8Sn合金的顯微組織圖可以觀察到不連續(xù)沉淀相在晶界上析出，并且隨著時效時間的延長不斷向晶粒內(nèi)部蔓延成長，直至?xí)r效15h時，不連續(xù)沉淀組織幾乎覆蓋整個基體［圖4(a1～a5)］。相對于Cu-15Ni-8Sn合金而言，當Ag的添加量為0.2 wt.%時可以有效抑制時效初期連續(xù)沉淀的形成和長大［圖4(b1～b5)］。當Ag添加量≥0.5 wt.%，對不連續(xù)沉淀形成和長大的抑制作用減弱，甚至在時效后期會促進不連續(xù)沉淀的形成和長大［圖4(c1-c5)和圖4(d1-d5)］。這表明在Cu-15Ni-8Sn合金中，Ag元素的添加量為0.2 wt.%～0.5 wt.%區(qū)間較適宜。

圖4 Cu-15Ni-8Sn-xAg在450℃時效不同時間的OM圖

圖5為Cu-15Ni-8Sn-xAg合金在450℃時效15 h不連續(xù)沉淀組織的SEM圖。從圖5中可以觀察到，不連續(xù)沉淀組織呈片層狀分散在銅基體中，四組合金片層狀組織之間的間距相差不大。

圖5 Cu-15Ni-8Sn-xAg合金450 ℃時效15 h時不連續(xù)沉淀組織的SEM圖

3.4 Cu-15Ni-8Sn-xAg合金性能的變化

圖6為Cu-15Ni-8Sn-xAg合金在450℃時效不同時間的硬度曲線。由圖6可以看出，隨著時效時間的延長，四組合金的硬度先緩慢上升后逐漸下降。在時效初期，合金發(fā)生調(diào)幅分解形成調(diào)幅組織，隨后發(fā)生有序化轉(zhuǎn)變形成DO22有序相和L12有序相，DO22有序相和L12有序相的析出呈網(wǎng)格狀彌散分布在銅基體中，有利于合金硬度的顯著提升［14-15］。隨著時效時間的延長，合金的硬度開始下降，這與時效后期不連續(xù)沉淀組織的快速形成和生長有關(guān)。

圖6 Cu-15Ni-8Sn-xAg在450 ℃時效不同時間的硬度值

此外，Cu-15Ni-8Sn合金中適量Ag元素的添加還可以提高合金的峰值硬度，延長合金達到峰值硬度的時間。Cu-15Ni-8Sn、Cu-15Ni-8Sn-0.2Ag、Cu-15Ni-8Sn-0.5Ag和Cu-15Ni-8Sn-0.8Ag合金在450℃時效的峰值硬度分別為347HV、356HV、354HV和355HV（均指銅基體的硬度值），其對應(yīng)的峰值時間為3 h，9 h，7 h和5 h。Cu-15Ni-8Sn合金中適量Ag元素的添加一方面可以有效抑制不連續(xù)沉淀的形成，另一方面可以固溶進銅基體中，產(chǎn)生固溶強化的效果，最終使得合金的硬度和抗過時效能力增強。

4 結(jié)論

（1）Cu-15Ni-8Sn合金鑄態(tài)組織為發(fā)達的樹枝晶組織，適量Ag元素的添加可以減小枝晶間距，改善合金的成分偏析。

（2）適量Ag元素的添加能夠抑制Cu-15Ni-8Sn合金時效后期不連續(xù)沉淀的析出，當Ag添加量為0.2 wt.%～0.5 wt.%區(qū)間時，效果適宜。

（3）適量Ag元素的添加可以提高Cu-15Ni-8Sn合金的峰值硬度，延長合金達到峰值硬度的時間，這與Ag元素的添加對不連續(xù)沉淀的抑制和Ag元素的固溶強化效果有關(guān)。