热处理对 CuNi2Si 合金组织和性能的影响

热处理对CuNi2Si 合金组织和性能的影响

张文芹

(太原晋西春雷铜业有限公司, 山西 太原030008)

摘要：研究了不同预冷变形条件下时效温度及时间对CuNi2Si合金组织和性能的影响.结果表明:合金在880℃×2.5 h固溶,经不同预冷变形后时效,具有较强的时效强化特性;同时预冷变形能够促进时效过程中第二相的析出,并具有晶界析出倾向;当预冷变形达40%,500℃×1 h时效,合金布氏硬度(HB)达193,抗拉强度(Rm)达765 MPa,伸长率达11%,与未进行预冷变形的合金相比,可获得较高的硬度、强度及较好的综合性能.合金热处理后的拉伸断口为韧性断裂,形貌特征为沿晶型韧窝,这与析出相具有晶界析出倾向的特性一致.

关键词：CuNi2Si合金; 热处理; 冷变形; 时效; 性能; 组织

收稿日期：2015-03-04

作者简介：张文芹(1968—),女,教授级高级工程师,主要从事铜及铜合金材料及其加工技术研究.E-mial:zllczwq@163.com

中图分类号：TG 146.1+1文献标志码： A

Effects of Heat Treatment on Microstructure and Properties of CuNi2Si AlloyZHANG Wenqin

(Taiyuan Jinxi Chunlei Copper Co., Ltd., Taiyuan 030008, China)

Abstract：The paper studied the effects of aging temperature and time on alloy CuNi2Si microstructure and properties after cold rolling.The results show that alloys soluting at 880℃×2.5 h,aging after different cold deformation ratios,manifested strong age-hardening properties;at the same time,cold pre-deformation can promote the secondary-phase precipitation in the aging process,with the tendency of grain boundaries precipitation.Alloy hardness achieved 193(HB) and tensile strength(Rm) reached 765 MPa with 11% of elongation when the alloy with 40% cold deformation aged at 500℃×1 h.Besides high hardness,strength and overall performance of the alloy improved.Heat-treated tensile fracture surface of alloys is characterized by ductile fracture and crystal-shaped dimples,which complies with the grain boundaries characteristic of precipitation phases.

Keywords：CuNi2Si alloy; heat treatment; cold deformation; aging; properties; microstructure

0　引　言

Cu-Ni-Si系列合金具有高强度、中等导电性、优良的耐蚀、耐磨、抗疲劳性及优良的热冷加工性.近年来,由于其在引线框架材料上广阔的应用前景,国内外均对Cu-Ni-Si合金进行研究开发[1-3].我国对该类合金的研究起步较晚,在该系列合金的研究及应用开发上还很不系统.对用于高铁及电气化铁路接触网线夹零件类材料的CuNi2Si合金的研究鲜有报道.在我国加速高速铁路建设的大背景下,尽快研究该合金材料的组织、性能,开发出能满足高速电气化铁路建设需要的接触网零件材料,替代进口,实现材料国产化是摆在铜加工行业面前的问题,也是我国加速铁路建设的迫切需要.

CuNi2Si合金是高铁及电气化铁路接触网关键零件的主要材料.在接触网零件、特别是网上零件中使用广泛,常被用来制造定位线夹、吊弦线夹、中心锚结线夹、电连接线夹及各种定位销钉等重要零件.由于这些零件的用途、作用及加工方式各不相同,需要材料的品种、规格、状态及性能也各不相同.因此,研究材料的组织和性能及加工工艺,提供合格的母材,以满足用户的不同使用及工艺要求是非常必要的.

1　合金特性

Cu-Ni-Si系列合金是一种时效强化型合金,主要是通过在时效过程中产生NiSi化合物,即Ni2Si析出实现强化[4].根据Cu-Ni-Si三元状态图中CuNi2Si准二元系端面图[5],Ni、Si形成的金属间化合物Ni2Si在共晶温度(1 025℃)下,在铜中的溶解度最大,约9%.随着温度的降低,溶解度减小,在室温时几乎为零.因此当需要利用材料的高强度时,可以通过时效处理来提高材料的强度,满足材料的使用性能.

同时,适当的Ni、Si质量比可以实现理想的时效强化效果,且时效后,基体中残留的合金元素较少.研究[6-7]表明,高强度Cu-Ni-Si系列合金在成分设计时应控制Ni、Si的质量比在4.0～4.5范围内,才能获得良好的时效强化效果和综合性能.

2　试验材料和方法

试验材料为通过控制Ni、Si质量比得到的φ195 mm CuNi2Si合金铸锭,其化学成分见表1.经过热挤压—拉拔后得到φ18 mm的棒材.棒材固溶处理在RTZ9-6-40(Q)FH炉中进行,淬火工艺为880℃×2.5 h(装炉量300 kg),水淬.棒材拉拔在普通的3 t单链式拉拔机上进行,工艺润滑为32#机油.淬火及拉拔后分别截取试样,试样时效选用SX2-12-10型箱式电阻炉,温控器型号为KSW-12-11型,温度偏差±5℃.时效过程无气体保护,试样出炉后空冷.时效温度选择400,450,500和550℃,时效时间为1,2,4和6 h.布氏硬度在HBE-3000电子硬度计上进行测试,测试位置为棒材端面1/2半径处,载荷1 000 kg,加载时间30 s;拉力试验在WE-10A液压拉伸试验机上进行;金相组织在NEOPHOT-21型金相显微镜上观察.

表1　合金化学成分

3　试验结果及分析

3.1时效温度及时间对合金力学性能的影响

图1为CuNi2Si合金在不同时效工艺下的力学性能曲线.

图1　CuNi2Si合金不同时效工艺下的力学性能

图1(a)为CuNi2Si合金经过880℃×2.5 h固溶处理后在400,450,500和550℃时效时,布氏硬度与时效时间的关系.从图1(a)中可以看出:当时效时间一定时,时效温度越高,合金的硬度越大,继续提高时效温度,硬度升高后迅速下降;当时效温度一定时,在时效初期合金的硬度迅速上升,随着时效时间的延长合金的硬度上升趋于平缓;当时效温度为500℃,在时效2 h时出现一硬度峰值,并随着时间的延长开始缓慢下降.此时布氏硬度达178.当时效温度为550℃时,硬度峰值不但达不到500℃的时效峰值,而且随时效时间的延长,硬度迅速下降.

上述合金硬度的变化,是由于在一定温度时效时,原子活动能力增强、且固溶元素浓度较大,因此第二相析出动力较大、析出速度也较快,使硬度上升的速度较快.随着时效时间的延长,基体中固溶元素浓度减少,析出动力减小,析出速度减慢,因此硬度上升趋势变缓.但当时效温度较高时,在时效初期析出第二相粒子相对比较稳定,不容易出现长大趋势,合金的硬度逐渐升高.随着时效时间的延长,第二相容易长大,这就是在500℃时效时硬度出现峰值后,开始缓慢降低的原因.当时效温度过高则会出现过时效现象,造成硬度迅速下降.

图1(b)为CuNi2Si合金在500℃,不同时效时间下抗拉强度和伸长率的变化规律.合金在时效初期,抗拉强度迅速提高,随着时效时间的延长,强度的上升趋于缓慢,这一变化规律与硬度在这一温度下的变化规律基本一致;伸长率在时效初期迅速下降,随着时间延长趋于平稳.抗拉强度随时效时间变化的原因与硬度一样,也是由于时效过程中固溶元素析出过程造成的;而对于伸长率的变化,是由于在时效前,材料为过饱和固溶体,仅有少量的第二相,此时材料具有较高的塑性,当开始进行时效时,由于固溶元素的浓度较高,析出大量的第二相粒子,这些析出的粒子造成材料的塑性迅速下降;随着时效时间的延长,由于固溶元素浓度降低,第二相粒子析出的动力减小,析出速度减缓,因此材料的塑性趋于平缓.这就是时效初期造成伸长率急剧下降,而随时效时间延长伸长率趋于平缓的原因.

3.2预冷变形后时效对合金力学性能的影响

图2为不同变形量500℃时效后对CuNi2Si合金力学性能的影响.图2(a)为合金经过不同变形量冷变形,经过500℃时效后,时效时间对硬度影响的变化情况.从图2(a)中可以看出:合金在时效初期,随时间延长,硬度快速上升,而随着时效时间延长,硬度达到一峰值后,开始出现下降;冷变形量越大,时效初期合金的硬度上升速度越快,时效后硬度值也越高,硬度出现的峰值也越大;同时在一定范围内冷变形越大,合金时效后硬度峰值出现得越早,硬度峰值也越高.例如在500℃时效1 h时,未经过冷变形、加工率20%和40%的布氏硬度分别是155、177和193,且加工率40%比加工率20%材料的时效硬度峰值提前1 h,但当冷变形过大达到50%时,布氏硬度峰值增大减弱(191),且随时效时间的延长出现硬度急剧下降的趋势.上述硬度变化的原因是冷变形使材料的位错密度增加,而位错密度的增加促进了析出物形核和加快溶质原子的扩散速度,从而加快了合金固溶元素的析出过程;同时冷变形还增加了空位浓度,对初期GP区[8]的形成有促进作用.后期由于空位被吸收,又将对GP区的长大有一定抑制作用.而冷变形量越大,产生的位错、空位等缺陷越多.因此冷变形促进了强化相的形成.而当冷变形量过大时,时效初期也会由于位错密度的增加促进析出物形核,但很快会因为合金回复软化使合金的硬度急剧降低.

图2不同变形量500℃时效后对力学性能的影响

图2(b)为40%冷变形后,在500℃时效,时效时间对材料抗拉强度及伸长率的影响.从图2(b)中可以看出:时效初期抗拉强度迅速提高,达到峰值后呈缓慢下降的趋势;而伸长率则相反,在时效初期迅速下降.随着时效时间延长,在短时间趋于平稳后又开始上升.在上述材料力学性能的变化中,抗拉强度变化基本与硬度的变化原因一样.而对于伸长率的变化则是由于在最初的时效过程中,大量析出的第二相粒子造成材料的塑性迅速下降;随着时效时间的延长,第二相析出速度减缓,使材料塑性趋于稳定;随着时间的继续延长,合金出现一定软化使塑性得到一定恢复,造成伸长率平稳后上升.

当预冷变形达到40%,500℃×1 h时效,合金布氏硬度达193,抗拉强度达765 MPa,伸长率达11%.

3.3时效温度对合金组织的影响

图3为CuNi2Si合金固溶和在不同时效温度(400,450和500℃)时效2 h的显微组织金相照片.从图3(a)中可以看出,合金固溶后组织基本显示为单相α固溶体.从图3(b)~(d)中可以看出,时效后组织内均出现析出相.在时效温度较低时,析出相较少,分布在晶内和晶界,所以材料的硬度、强度均有提高;随着时效温度的升高,析出相逐渐增多,且更加弥散,因此材料的硬度越高.时效时间相同时,时效温度越高,硬度值越大,这一点从材料金相组织的变化中也得到了较好的解释.

3.4预变形对时效后材料组织的影响

图4为不同预变形情况下在500℃,2 h和4 h时效后材料组织的金相照片.从图4(a)、(b)、(c)可以看出,经过预变形时效后第二相的析出逐渐增多.特别是40%预变形后,时效析出相在晶内、晶界增加更加明显.这是因为随着预变形加工率的增大,材料的位错密度增高,增加了析出物形核速度和形核量.同时从图4(c)、(d)中可以看出,此时(d)组织仍为明显的变形组织.在同样预变形和时效温度下,随着时效时间的延长,晶粒的压扁程度得到一定的恢复,析出相在晶界出现聚集、粗化,如图4(c)所示.此时材料发生了一定软化,这也是材料在较大的预变形后随时效时间延长,硬度、强度达到峰值后逐渐降低,而伸长率降低后又上升的原因.

图3　CuNi2Si合金固溶和在不同时效温度的显微组织

图4　不同预变形情况下时效后材料组织的金相照片

3.5不同热处理工艺的拉伸断口分析

图5为材料在450℃、500℃,2 h时效后的拉伸断口形貌.从图5中可以看出,材料的拉伸断口形貌较好,无明显夹杂,断裂时发生了塑性变形,断口形貌主要表现为沿晶型韧窝.虽然是韧性断裂,但由于是沿晶断裂,造成材料的伸长率不高.同时这也是材料时效后伸长率迅速下降的原因.对比图5(a)、(b)可以看出,随着时效温度的升高,拉伸断口的韧窝变大,沿晶断裂与晶界上存在大量析出物有关.这一点与材料金相照片中第二相颗粒在晶界处的析出倾向一致.

图5　不同热处理状态下材料的拉伸断口形貌

4　结　论

(1) 电气化、高速铁路线夹用CuNi2Si合金在经过预冷变形后进行500℃时效时,合金的硬度、强度在时效初期迅速上升,达到峰值后缓慢下降,变形量越大达到硬度峰值的时间越短.当预冷变形达到40%,500℃×1 h时效,合金布氏硬度(HB)达到193,抗拉强度(Rm)达到765 MPa,伸长率达到11%.与未进行预冷变形的合金相比,合金获得较高的硬度、强度及较好的综合性能.

(2) CuNi2Si合金在时效过程中,在晶内、晶界析出第二相.预冷变形能够促进时效过程中的第二相的析出,预冷变形量越大,析出相愈多,并与位错产生强烈的交互作用,使合金进一步强化.合金具有明显的晶界析出特点.

(3) 合金热处理后的拉伸断口形貌特征为韧性断裂.断口韧窝为沿晶型韧窝,这一点与析出相具有晶界析出倾向一致,是造成合金伸长率不高的原因.必须通过时效工艺改善析出相的分布,使材料达到更优良的综合性能.

参考文献:

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