時效處理對Cu-Be合金組織及性能的影響

金美玲

（遼寧裝備制造職業技術學院，遼寧沈陽 110161）

0 引言

Cu-Be合金是一種典型的析出強化型合金，因其具有高強度、高導電性及良好的耐蝕性等優點被廣泛應用于彈性元件、高速高溫工作條件下的軸承等，與此同時對Cu-Be合金的綜合性能要求也在不斷提高，選用合理的熱處理工藝參數對提高Cu-Be合金力學性能、導電性能有重要影響[1-3]。Cu-Be合金按其鈹含量的不同可分為低鈹合金（0.2%～0.7%）和高鈹合金（1.6%～2.0%），與低鈹合金相比，高鈹合金具有性能更加優越[4]。如：國外學者Watanabe[5]對Cu-Be合金時效析出過程進行研究時發現，合金在時效過程的四個階段：GP區→γ″相→γ′相→γ相中，主要強化相為基體中的γ′相，提高了合金的性能[6]。進一步地，彭麗軍等[7]研究發現，時效初期階段Cu-Be合金發生的調幅分解以及γ′相的形成致使合金的強度和電導率均升高。

由此可見，時效工藝對Cu-Be合金性能具有較大影響，不僅可提升合金的高溫性能，也可調控其綜合性能，使之滿足更多種環境下的服役要求[8-13]。然而，該類合金時效后，其顯微組織及性能之間的關系鮮有報道。基于此，選用了鈹含量為2.0%的Cu-Be合金為基礎材料，對時效處理過程中Cu-Be合金組織及性能的變化規律進行研究，研究發現時效時間和時效溫度對該合金的影響尤為顯著，為擴大其實際應用范圍提供參考。

1 實驗材料和方法

實驗用原料為C17200合金棒材，其化學成分：Be為2.0%，Ni為0.2%，Co為0.4%，余量為Cu。合金棒材在馬弗爐（KSL-1200X）中進行固溶處理，固溶溫度為850℃、固溶時間為30 min，固溶處理后迅速水冷。隨后在箱式電阻爐中進行時效，時效溫度分別為420℃、450℃、480℃和510℃，時效時間分別為0.5 h、1 h、1.5 h、2 h、3 h、4 h、6 h 和 8 h。

采用D60k數字金屬電導率測量儀測量合金的電導率；采用UH250型數顯維氏硬度測試儀測量合金硬度，多次測量取平均值；在S-3400 N掃描電子顯微鏡下觀察合金組織形貌。

2 實驗結果與討論

圖1為不同時效階段Cu-2.0Be合金的硬度變化規律。從圖中可以看出，雖然時效溫度不同，但隨時效時間的延長，合金硬度均呈現先增高后下降的趨勢，且在硬度升高階段隨時效溫度的升高到達峰值所需的時效時間越短。如在420℃時效時，合金的硬度值在時效4h時達到峰值為322HV，而后合金硬度會隨時效時間進一步延長而下降，這主要是由于合金過時效所致，其他時效溫度下當硬度達到峰值后同樣會出現過時效所致的硬度下降。其中時效溫度為450℃時，會出現最大硬度峰值331HV，達到最大峰值的時效時間也比420℃時有所縮短。而在時效溫度為480℃、510℃的時效過程中，雖出現峰值的時間大大縮短，但對應的峰值硬度分別為274HV、239HV，較比450℃下降的很多。

圖1 不同時效溫度處理下Cu-2.0Be合金硬度圖

為此，可得出：時效溫度一定時，合金的硬度均隨著時效時間的延長呈先增加，達峰值后下降的趨勢。其中合金硬度在達峰值及之前，經較短時間時效后，即可獲得相對大幅提高。

為測試合金的導電性能，對不同時效溫度下不同時效時間的電導率進行了測試，如圖2所示。固溶處理之后由于Cu-2.0Be合金處于過飽和固溶體狀態，其電導率僅為18.3%IACS。而隨時效時間的增加，不同時效溫度下合金的電導率均出現上升，但當達到峰值后，增加速度隨時效時間的進一步延長會逐漸變得緩慢。其中450℃時效4 h時電導率最高為32.1%IACS，出現這一現象的主要原因是由于過高的時效溫度會影響原子的自由能，最終導致電導率降低。具體分析如下：一方面合金經過固溶處理后，由于內部的原子缺陷，合金中的原子勢能會發生變化，導致電導率發生變化[14]。另一方面，時效初期Be原子濃度很高，發生脫溶反應后大量溶質元素從基體中析出，從而減弱了合金的畸變程度，因此時效初期的電導率上升較快[15]；隨著時效時間的延長，Be原子的濃度降低，析出能力也逐漸下降，電導率也會逐漸降低。故合金的電導率主要與原子缺陷和原子濃度有關。

圖2 Cu-2.0Be合金不同時效溫度下不同時效時間的電導率

綜合以上合金硬度及電導率，可以得出當時效溫度分別為420℃、450℃、480℃和510℃時，合金硬度達到峰值所用的時間分別為4 h、3 h、2 h和1 h，且合金硬度及電導率均會隨時效時間的延長呈先增大后降低趨勢。

Cu-2.0Be合金固溶處理后的顯微組織如圖3所示，固溶處理可使Cu-Be合金中的溶質原子逐步固溶進合金基體當中，直至該溫度下的最大溶解度。水淬之后，合金雖處于過飽和狀態，但高溫固溶處理使得合金晶粒有所長大，以至于其硬度相對較低。

圖3 固溶處理Cu-2.0Be合金SEM組織圖

圖4分別為420℃、450℃、480℃和510℃時效溫度下不同時效階段，欠時效、峰值時效及過時效的合金顯微組織形貌。從圖4（a）-（c）中可以看出，420℃時效溫度下，合金三種時效狀態有一定程度的差別。欠時效狀態下合金的析出相數量較比峰值時效下少，且峰值時效下合金基體中析出相的分布相對較為彌散，而過時效狀態下的析出相出現偏聚現象，導致硬度及電導率下降；

圖 4（d）-（f）為時效溫度 450 ℃時合金的組織形貌，處于該時效溫度的合金在欠時效狀態下，基體中析出相較比420℃欠時效狀態下有所增多，但析出相的形狀仍不規則且有聚集現象，為此硬度及電導率略有提升，當達到峰值時效時（如圖4（e）），大量的分布彌散的圓盤狀析出物出現，此時過飽和固溶體繼續分解，脫溶物增加，強化了合金的力學性能，其硬度及電導率大幅提升，加之此時合金中過渡相的密度增加，也會對提升合金硬度起到一定促進作用[16]。而合金處于過時效狀態下，隨著時效的進行，過飽和固溶體繼續脫溶，析出物長大粗化，合金的硬度和電導率也隨之下降。

圖 4（g）-（i）和圖 4（j）-（l）分別為時效溫度480℃時和510℃下合金三種時效狀態的組織形貌。與時效溫度為450℃時的三種時效狀態下顯微組織形貌相比，時效溫度的提高不僅未使基體中析出物的數量增多反而大幅減少，析出物的形狀及分布程度也未見有所改善。尤其是時效溫度為510℃時，合金中析出相的粗化現象最為嚴重，很早就出現了過時效現象，即便是在峰值時效下析出物的數量、形狀也不及時效溫度為450℃時獲得的多和規則，致使合金的電導率和硬度值大幅降低。因此，過高的時效溫度反而會降低合金性能。

圖4 不同時效處理下Cu-2.0Be合金SEM組織圖

綜合以上分析，不同時效溫度下的合金隨時效時間的延長，析出物的數量先增加后減少，析出物形狀由趨于圓盤狀到不規則，分布情況由逐漸彌散到偏聚集。相應地由于上述析出物的數量、形狀及彌散程度的影響，合金硬度及電導率呈現圖1和2中先上升后下降的規律。

3 結論

對于Cu-2.0Be合金，時效溫度對合金影響較為顯著，當時效溫度較低時，不能有效形成析出強化效果，而時效溫度較高時，又容易使析出相粗大團聚進而影響綜合性能，因此選用較為合適的時效溫度是尤為重要的。該合金在450℃時效處理3 h時，合金力學性能及導電性能可達最佳，此時合金的硬度和相對電導率分別為331HV和32.2%IACS。而當時效溫度一定時，Cu-2.0Be合金的硬度會隨著時效時間的增加先增大后減小，且時效溫度越高合金硬度達到峰值所用的時間越短，而合金的電導率則隨著時效時間的增加一直增大，只是增大的速率逐漸降低。