CuCo2Be合金的冷变形及时效工艺研究

赵德胜

摘要：借助布氏硬度计、涡流导电仪、金相显微镜和箱式电阻炉，研究了固溶后CuCo2Be合金冷变形和时效工艺后的组织和性能及冷变形和不同时效工艺对CuCo2Be合金性能的影响规律。结果表明，冷变形和时效工艺合理的结合能有效的提高CuCo2Be合金的使用性能，CuCo2Be合金的最佳冷变形和时效工艺为30%冷变形+450℃×1h时效，该工艺处理后的CuCo2Be合金硬度和导电率可以达到270HBS和50.92%IACS。

关键词 ：CuCo2Be合金；冷变形；时效；硬度；导电率

中图分类号：TF704.2文献标识码： A

形变热处理是将塑性变形的形变强化与热处理的相变强化相结合，使成形工艺与获得最终性能统一起来的一种综合方法[1-2]。CuCo2Be合金经热处理后具有高的强度、硬度，且稳定性好，具有耐蚀、耐磨、耐疲劳、耐低温、导电导热性好等优点[3]，广泛应用于各类高性能要求的电焊电极、导电嘴及水平连铸结晶器的铜合金内套等。众所周知，热处理可以改 善合金的微观结构，对合金的性能有较大的影响，而塑性变形可以强化合金的基体。为此，研究不同变形量与不同时效工艺参数对CuCo2Be合金性能的影响，可以为提高CuCo2Be合金的使用性能提供一定的参考，对CuCo2Be合金的开发应用具有一定的实用意义。

1 试验材料与方法

试验用的CuCo2Be合金化学成分（质量分数，%）为Co 2.2~2.9，Be 0.42~0.80， <0.05%杂质，Cu余量，该CuCo2Be合金采用中频真空感应炉熔炼制备。

试验首先将铸造好的CuCo2Be合金锭表面剥皮去除表面铸造缺陷，接着热锻成直径20±0.5mm的圆棒，再截成高20±0.3mm的试样，然后在940℃固溶保温1.5 h。将固溶处理后的试样分别冷锻压，使变形量分别为10%、20%、30%、40%、50%，接着在450 ℃，分别保温30，60， 90，120 min。研究CuCo2Be合金不同冷变形和时效时间后的组织和性能，得出综合性能最优的冷变形和时效工艺。

依据GB/T 231.1—2002《金属布氏硬度试验 第1部分：试验方法》测试不同工艺处理后的CuCo2Be合金的布氏硬度；依据YS/T 478—2005《铜及铜合金导电率涡流检测方法》，采用FQR7501涡流导电仪测试不同状态下CuCo2Be合金的导电率；借助于DM2500金相显微镜观察不同工艺下CuCo2Be合金的金相组织。

2结果与分析

2.1冷变形对固溶后CuCo2Be合金的组织与性能的影响

2.1.1冷变形后固溶态CuCo2Be合金的硬度和导电率

图1为CuCo2Be合金在940℃固溶1.5h＋不同冷变形量后的硬度和导电率，可以发现随着冷变形量的增大，CuCo2Be合金的硬度也不断增大。这是因为：金属的塑性变形主要靠位错的移动来实现，随着冷变形程度的增加，晶粒间距减小，晶界增加，阻碍了位错的运动 ，从而使位错运动变得困难。此外，铜为面心立方晶体，在冷加工变形时滑移面为 (111)，滑移方向为[110]，变形过程中不同滑移面上的位错相交，使位错运动受阻，当变形量进一步增加时，由于位错增殖使得位错密度显著增加，位错线缠结形成位错网，增大了滑移的驱动力，导致了CuCo2Be合金的硬度不断增大。从图1还可以发现：CuCo2Be合金的导电率的变化并不显著，只是在冷变形量为20%时有了极其轻微的上升，接着下降并保持在18.86%ICAS，这说明冷变形造成的晶粒变形和破碎及合金内部空位等缺陷的增多，对导电电子的影响较小。由于较大冷变形导致的晶界和空位等缺陷增多使导电电子自由运动的障碍增多，从而导致CuCo2Be合金的导电率略有下降。

图1 不同冷变形量对CuCo2Be合金硬度和导电率的影响

2.1.2冷变形对固溶后CuCo2Be合金组织的影响

图2为固溶态CuCo2Be合金不同冷变形后的显微组织，图2（a）为固溶未冷变形的CuCo2Be合金的显微组织，图2（b）、（c）、（d）分别为固溶+冷变形10%、30%、50%的CuCo2Be合金的显微组织。对比可以发现，随着冷变形量的增大，CuCo2Be合金的晶粒的尺寸逐渐变大，晶粒形状也逐渐变得不规则；金相照片中的晶粒的颜色趋于同色。这是因为：冷变形会导致CuCo2Be合金的晶粒位向的改变，腐蚀后的晶粒在观察时显示几乎一样的颜色。另外，还可以从图2中发现：由于采用冷锻压的工艺进行冷变形，CuCo2Be合金的塑性变形程度也不是很均匀；由于CuCo2Be合金是高强高弹铜合金，在冷变形量达到40%以上时，发现CuCo2Be合金出现比较严重的变形裂纹。

图2 固溶＋冷变形后CuCo2Be合金的显微组织

2.2 冷变形后时效CuCo2Be合金的硬度和导电率

如图3所示，固溶CuCo2Be合金冷变形及时效后的硬度值随着冷变形量和时效时间的变化情况。可以看出：随冷变形量的增大，CuCo2Be合金在450℃保温不同时间后，其硬度都呈现先增大后下降的趋势。这是因为CuCo2Be合金采用冷变形后时效的工艺，既有冷变形强化的因素，还有析出强化的因素。冷变形增加了CuCo2Be合金内部的位错密度增大，形变量越大，基体的畸变能越大，缺陷越多，强度越高，这些缺陷可以作为溶质原子扩散的“快速通道”而加速析出过程，且畸变能越大，时效动力越大，时效初期第二相析出速度越快，强度越高。因此，大于40%的变形量的CuCo2Be合金在450℃保温时，时效析出的过程较快，同样的保温时间，更早的出现了过时效。最终导致，较大变形量的CuCo2Be合金在相同的保温时间后硬度反而比小变形量的CuCo2Be合金的硬度小。

另外，由图3还可以发现，相同变形量的CuCo2Be合金在450℃保温不同时间，随着保温时间的增加，CuCo2Be合金的硬度呈现下降的趋势。这说明经过冷变形的CuCo2Be合金450℃保温0.5小时，硬度已经达到了最大值，随着保温时间的延长，CuCo2Be合金的硬度降低，出现了过时效。另外，450℃保温1h的冷变形CuCo2Be合金和450℃保温1.5h的冷变形CuCo2Be合金相比，硬度下降的幅度较大。这是因为：CuCo2Be合金的时效过程就是过饱和固溶体的分解过程，在较高的温度时效时，包括两个过程：连续脱溶及不连续脱溶。CuCo2Be合金时效时，先形成G.P.区（γ〞），接着从G.P.区（γ〞）发展到γ′（连续脱溶），硬度有一定的下降；保温时间的延长，导致发生不连续脱溶，即γ′发展到γ，硬度下降的幅度较前一过程大。

图3 变形量对时效后的CuCo2Be合金硬度的影响

如图4所示：随冷变形量的增大，时效后CuCo2Be合金的导电率呈上升趋势。这是因为，较大的冷变形导致CuCo2Be合金的时效过程较快，CuCo2Be合金中的固溶溶质析出较快，从而减弱了对导电电子的散射，使CuCo2Be合金的电阻下降，导电率上升。另外，随着冷变形量的增大，导电率增大的速度有一定的差别。450℃保温0.5小时，随着冷变形量的增大，导电率增大速度较大；450℃保温1、1.5、2小时，随着冷变形量的增大，导电率增大速度较小。这说明，随着时效过程的进行，冷变形量不是影响导电率的主要因素，而与固溶CuCo2Be合金中的溶质析出情况有较大关系。