廖鈺敏, ,

(1.江西理工大學 材料科學與工程學院, 江西 贛州 341000;2.贛州逸豪優(yōu)美科實業(yè)有限公司, 江西 贛州 341000)

Cu-9.5Ni-2.3Sn-0.15Si合金組織與性能研究

廖鈺敏1,劉東輝2,鄧麗華1

(1.江西理工大學 材料科學與工程學院, 江西 贛州341000;
2.贛州逸豪優(yōu)美科實業(yè)有限公司, 江西 贛州341000)

研究了在Cu-9.5Ni-2.3Sn合金中添加質(zhì)量分數(shù)為0.15%的Si后對該合金鑄態(tài)及時效態(tài)微觀組織、電導(dǎo)率和硬度的影響.結(jié)果表明:添加0.15%的Si后,合金出現(xiàn)發(fā)達的樹枝狀晶體,且有Ni2Si、Ni3Si、Ni3Sn和Ni4Sn相出現(xiàn).經(jīng)400℃×4h時效處理后,Ni2Si、Ni3Si相的析出使得合金得到強化.合金電導(dǎo)率隨時效時間的延長和溫度的提高而升高,硬度在時效初期隨時效溫度的提高和時效時間的延長而提高,在430℃時效2h和在400℃時效8h得到峰值,較佳時效工藝為400℃×8h.

Cu-9.5Ni-2.3Sn-0.15Si合金; 顯微組織; 電導(dǎo)率; 硬度; 時效處理

0 前 言

長期以來,鈹青銅以其優(yōu)良的機械加工性能和良好的彈性恢復(fù)能力,在電子市場中占有重要地位.但是,鈹青銅由于生產(chǎn)工藝復(fù)雜、對環(huán)境污染嚴重以及鈹元素毒性強危害人體健康等原因,已逐漸被市場淘汰.銅鎳錫合金以其較強的抗高溫應(yīng)力松弛能力、優(yōu)良的綜合性能及低廉的生產(chǎn)價格,成為目前最熱門的鈹青銅替代彈性合金.銅鎳錫系合金中,隨著Sn含量的提高,合金的時效強化效果會隨之提高.研究[1-2]發(fā)現(xiàn),合金強度、硬度會隨著Ni、Sn質(zhì)量分數(shù)的增加而提高.當合金中Ni和Sn的質(zhì)量分數(shù)分別達到15%和8%時,合金強度、硬度達到峰值.Ni、Sn的質(zhì)量分數(shù)繼續(xù)增加,則導(dǎo)致性能降低[3-4].此外,銅鎳錫系合金因Sn含量高容易在鑄造過程中形成富Sn相,進而導(dǎo)致板材在軋制過程中產(chǎn)生開裂現(xiàn)象[5-6].所以,低Sn含量的銅鎳錫系彈性合金的研究對高性能的銅鎳錫系合金的生產(chǎn)具有重要意義.研究[7-8]表明,當Sn的質(zhì)量分數(shù)<4%時,合金調(diào)幅分解現(xiàn)象消失.

Cu-9.5Ni-2.3Sn合金強化方式為固溶強化型,其強度因時效過程中出現(xiàn)不連續(xù)沉淀而受到很大的影響,強度低于鈹青銅.研究發(fā)現(xiàn),如果將Si添加到Cu-Ni-Sn合金中,可以有效抑制Cu-Ni-Sn合金析出不連續(xù)沉淀.王艷輝[9]研究了Si的質(zhì)量分數(shù)為0.4%的Cu-15Ni-8Sn合金,結(jié)果表明:電導(dǎo)率達到12 %IACS.這是由于時效過程中形成了細小的Ni2Si相,貧化了基體中的溶質(zhì)元素,導(dǎo)電過程中的電子散射現(xiàn)象減小,電導(dǎo)率上升.在時效過程中,沉淀析出Ni2Si相使合金產(chǎn)生沉淀強化,合金強度在調(diào)幅分解強化基礎(chǔ)上進一步提高.

本文對C72500合金進行研究,在合金中添加質(zhì)量分數(shù)為0.15%的Si,研究0.15%Si對合金鑄態(tài)組織的影響及熱處理工藝對合金組織、性能的影響.為低Si含量高性能Cu-Ni-Sn合金的研究提供參考.

1 試驗材料及方法

試驗原料為純銅棒、鎳片、純錫塊和純硅塊.采用純石墨坩堝,在箱式電阻爐中進行熔煉.澆鑄成120 mm×80 mm×20 mm的鑄錠.合金鑄錠經(jīng)860 ℃×1 h保溫后熱軋(加工率為70%),然后進行800 ℃×1.5 h固溶處理,后進行冷軋(加工率80%),最后進行時效處理.金相試樣采用5 g FeCl3+50 ml HCl(質(zhì)量分數(shù)為1.19%)+100 ml水腐蝕液進行浸蝕,時間為10～15 s.應(yīng)用SIGMASCOPE SMP10型導(dǎo)電儀對試樣電導(dǎo)率進行測定;采用維氏硬度計對合金試樣進行硬度測定;采用EDΛX能譜儀進行試樣微觀形貌的觀察;采用MinifleX-射線衍射儀對試樣進行物相分析.

試驗合金成分采用帕納科PW2424型X熒光儀進行測試.測試結(jié)果見表1.從表1中可以看出,各元素含量都在合金元素給定范圍之內(nèi).

表1 鑄錠成分分析Tab.1 Composition of the as-cast alloys

2 結(jié)果與分析

2.1 鑄態(tài)組織分析

圖1為試驗合金(Cu-9.5Ni-2.3Sn-0.15Si)鑄態(tài)組織的金相照片.從圖1(a)中可以清晰地觀察到樹枝狀晶體.圖2為Si的質(zhì)量分數(shù)為0.15%的試驗合金的鑄態(tài)組織的SEM照片及點A、B、C三處的能譜分析結(jié)果.圖3為合金鑄態(tài)組織的X射線衍射結(jié)果.比較圖2中的能譜分析結(jié)果可知:向C72500銅合金中添加質(zhì)量分數(shù)為0.15%的Si后圖2(a)中點A、B、C三處成分產(chǎn)生較大的差異,點A處為樹枝狀枝干區(qū),且為Sn貧化區(qū),此處組織中Cu、Ni原子比為6:1,由此可知此區(qū)應(yīng)是α銅鎳固溶體,這表明合金鑄態(tài)組織中的Sn分布不均勻,嚴重偏析;點B處為枝晶間骨狀組織,此處Sn的含量較高,質(zhì)量分數(shù)達到11.46%,原子分數(shù)為1.37%,此處Ni、Sn的原子分數(shù)比為5.8∶1.根據(jù)圖3可推測出此枝晶間骨狀組織析出物可能為NiSn與Ni4Sn相的混合物;點C所在的區(qū)域Sn的質(zhì)量分數(shù)為11.69%,其原子分數(shù)達到6.43,同時此區(qū)域存在Si元素,其原子分數(shù)為3.01,這一區(qū)域的Ni、Sn、Si原子分數(shù)比為4.5∶2.1∶1.通過圖3給出的物相分析結(jié)果推測:這一白亮析出物可能為固溶在α固溶體中的Ni2Si相與NiSn相混合物.

圖1 試驗合金的鑄態(tài)組織金相照片F(xiàn)ig.1 Microstructures of the as-cast alloy

圖2 添加質(zhì)量分數(shù)為0.15%Si的試驗合金鑄態(tài)組織的掃描電鏡觀察與能譜分析Fig.2 SEM and analysis of EDS of the alloy add 0.15%Si as-cast organization

圖3 試驗合金鑄態(tài)X射線衍射分析Fig.3 Analysis of XRD treatment of the as-cast alloy

2.2 時效處理對試驗合金組織和性能的影響

2.2.1 對試驗合金組織的影響

圖4為試驗合金固溶處理后再經(jīng)400 ℃×4 h時效后的SEM照片.從圖4中可以看出:合金經(jīng)80%的冷變形后時效,合金樹枝狀組織基本破碎,同時析出大量的細小顆粒物均勻分布在基體中.

圖4 試驗合金在400 ℃×4 h時效微觀組織Fig.4 Microstructures of the alloy after 400 ℃×4 h aging

圖5為Si的質(zhì)量分數(shù)為0.15%的C72500銅合金經(jīng)800 ℃×1.5 h固溶處理,再對其進行400 ℃×4 h時效后的SEM照片和能譜分析結(jié)果.由圖5(a)可知,試驗合金在時效前經(jīng)80%的冷變形后,晶粒已基本破碎且呈現(xiàn)纖維狀組織結(jié)構(gòu),在合金基體中可以清晰地看到許多尺寸不等及形狀不規(guī)則的白色細小顆粒物,且分布均勻,這些白色的細小顆粒為合金經(jīng)時效處理后析出的第二相.對點B處的白色顆粒物進行能譜分析,結(jié)果如圖5(b)所示.點B處Si的質(zhì)量分數(shù)較高,為1.03%,超出合金基體中Si的平均值,此白色顆粒組織中的Ni、Sn、Si的原子分數(shù)比為7.66∶1∶1.46.通過圖6中XRD衍射結(jié)果分析得出:點B處析出的白色細小顆粒物可能為Ni4Sn與Ni2Si的混合物,這些白色小顆粒是由于時效過程中析出聚集產(chǎn)生,對合金起到強化作用.

圖5 試驗合金在400 ℃×4 h時效后的SEM照片及能譜分析Fig.5 Microstructure and EDS of the test alloy after aged at 400 ℃×4 h

2.2.2 對試驗合金電導(dǎo)率與硬度的影響

試驗合金經(jīng)固溶處理獲得過飽和固溶體,之后通過在適當溫度與時間下進行時效處理以控制析出相在晶界和晶粒內(nèi)的數(shù)量、尺寸及分布,可得到較佳的強化效果.

圖6 圖5(a)中B點的XRD衍射分析Fig.6 XRD treatment of the experimental alloys by 800 ℃×1.5 h solution and aged at 400 ℃×4 h

圖7為時效時間和時效溫度對試驗合金導(dǎo)電性能及硬度的影響曲線.圖7(a)是時效溫度為400 ℃、時效時間為2～10 h的合金電導(dǎo)率和硬度的變化曲線.

圖7 時效工藝對試驗合金電導(dǎo)率與硬度的影響Fig.7 Effect of the alloy with aging treatment on conductivity and hardness

從圖7(a)中可以看出,在400 ℃時效,隨著時效時間的延長,合金的電導(dǎo)率逐漸提高,且在時效時間為4 h時,提高速度最快;時間繼續(xù)延長,電導(dǎo)率提高速度逐漸降低;合金硬度也從時效初期開始提高,時效時間為8 h時達到峰值,維氏硬度為268,隨后硬度開始降低.圖7(b)是時效時間為2 h、時效溫度為370～490 ℃條件下合金電導(dǎo)率和硬度的變化曲線.從圖7(b)中可以看出,時效初期合金電導(dǎo)率快速上升,時效溫度繼續(xù)升高后,電導(dǎo)率的提高逐漸趨于平緩;合金硬度在430 ℃時效后達到峰值,維氏硬度為265,時效溫度繼續(xù)升高,硬度開始下降.這是由于時效初期,固溶在合金基體內(nèi)部的溶質(zhì)原子及第二相開始析出,溶質(zhì)原子的析出,使得基體的晶格畸變減小,對電子的散射作用降低,合金的電導(dǎo)率提高;且合金內(nèi)部由于冷加工產(chǎn)生了大量的位錯等缺陷,大大減小了溶質(zhì)原子的析出功,縮短了析出時間,所以時效初期電導(dǎo)率迅速攀升.隨著時效時間的延長,基體中溶質(zhì)原子Ni、Sn貧化,析出速度減小,第二相粒子開始粗化,所以電導(dǎo)率上升緩慢.時效初期合金硬度開始上升,是由于基體中高密度位錯使得合金晶界滑移受阻,且溶質(zhì)原子和第二相粒子連續(xù)析出后彌散分布于合金基體中,位錯運動受阻,合金的硬度迅速提高.在時效后期,由于時效溫度的提高或時效時間延長,第二相析出減緩,數(shù)量減少,析出物開始聚集長大,晶粒長大,結(jié)合力變小.所以400 ℃時效10 h后,或溫度提高到460 ℃后,合金硬度開始降低.

圖8為合金時效后微觀組織照片,可以看出合金經(jīng)過400 ℃×10 h時效后,晶粒明顯長大.綜合時效強化效果,合金在400 ℃×8 h時效制度下進行時效處理效果較佳.

3 結(jié) 論

(1) 向C72500銅合金中添加質(zhì)量分數(shù)為0.15%的Si后,合金鑄態(tài)組織具有明顯的樹枝狀偏析,基體中除了有Ni3Sn和Ni4Sn相析出外,還析出了新相Ni2Si和Ni3Si.

(2) 試驗合金經(jīng)冷軋后再進行400 ℃×4 h時效,基體中析出細小的Ni2Si、Ni3Si相,使合金硬度與電導(dǎo)率都有所提高.

(3) 時效制度為400 ℃×8 h時,試驗合金的綜合性能較佳,此時電導(dǎo)率為14.2 %IACS,維氏硬度達268.

圖8 試驗合金時效后金相組織照片F(xiàn)ig.8 Metallograph of the aging alloy

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StudyofStructureandPropertiesofCu-9.5Ni-2.3Sn-0.15SiAlloy

LIAOYu-min1,LIUDong-hui2,DENGLi-hua1

(1.MaterialsandChemistryEngineeringFaculty,JiangxiUniversityofScienceandTechnology,Ganzhou341000,China; 2.GanzhouYihaoUmicoreIndustriesCo.,Ltd.,Ganzhou341000,China)

Experiments were made by adding 0.15(wt%) Si into the Cu-9.5Ni-2.3Sn Alloy to see its influence to the microstructures of as-cast and after aged, conductivity, and hardness as well.The results show that dendrite structure appears obviously and phases of Ni2Si, Ni3Si, Ni3Sn, Ni4Sn appear in as-cast structure.Cu-9.5Ni-2.3Sn-0.15Si Alloy will be strengthened because of the formation of Ni2Si and Ni3Si new phases after it being aged at 400 ℃×4 h.The conductivity is increased after aged with ageing time extended and temperature increased.Peak value of hardness is achieved when aging temperature is 430 ℃(aging time 2 h) and when aging time is 8h(aging temperature 400 ℃).Therefore the best aging treatment recommended is 400 ℃×8 h.

Cu-9.5Ni-2.3Sn-0.15Si alloy; microstructure; conductivity; hardness; aging

1005-2046(2014)01-0015-05

2013-10-17

江西省自然基金資助項目(No.2009GZC0048);江西省鎢銅重點實驗室開放基金資助項目(No.2010-WT-03)

廖鈺敏(1989-),女,碩士,主要從事有色金屬材料研制與加工.E-mail:liaoyumin123@126.com.

TG146.1+1

A