CuCo2Be合金的冷變形及時效工藝研究

趙德勝

摘要：借助布氏硬度計、渦流導電儀、金相顯微鏡和箱式電阻爐，研究了固溶后CuCo2Be合金冷變形和時效工藝后的組織和性能及冷變形和不同時效工藝對CuCo2Be合金性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，冷變形和時效工藝合理的結(jié)合能有效的提高CuCo2Be合金的使用性能，CuCo2Be合金的最佳冷變形和時效工藝為30%冷變形+450℃×1h時效，該工藝處理后的CuCo2Be合金硬度和導電率可以達到270HBS和50.92%IACS。

關鍵詞 ：CuCo2Be合金；冷變形；時效；硬度；導電率

中圖分類號：TF704.2文獻標識碼： A

形變熱處理是將塑性變形的形變強化與熱處理的相變強化相結(jié)合，使成形工藝與獲得最終性能統(tǒng)一起來的一種綜合方法[1-2]。CuCo2Be合金經(jīng)熱處理后具有高的強度、硬度，且穩(wěn)定性好，具有耐蝕、耐磨、耐疲勞、耐低溫、導電導熱性好等優(yōu)點[3]，廣泛應用于各類高性能要求的電焊電極、導電嘴及水平連鑄結(jié)晶器的銅合金內(nèi)套等。眾所周知，熱處理可以改 善合金的微觀結(jié)構(gòu)，對合金的性能有較大的影響，而塑性變形可以強化合金的基體。為此，研究不同變形量與不同時效工藝參數(shù)對CuCo2Be合金性能的影響，可以為提高CuCo2Be合金的使用性能提供一定的參考，對CuCo2Be合金的開發(fā)應用具有一定的實用意義。

1 試驗材料與方法

試驗用的CuCo2Be合金化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）為Co 2.2~2.9，Be 0.42~0.80， <0.05%雜質(zhì)，Cu余量，該CuCo2Be合金采用中頻真空感應爐熔煉制備。

試驗首先將鑄造好的CuCo2Be合金錠表面剝皮去除表面鑄造缺陷，接著熱鍛成直徑20±0.5mm的圓棒，再截成高20±0.3mm的試樣，然后在940℃固溶保溫1.5 h。將固溶處理后的試樣分別冷鍛壓，使變形量分別為10%、20%、30%、40%、50%，接著在450 ℃，分別保溫30，60， 90，120 min。研究CuCo2Be合金不同冷變形和時效時間后的組織和性能，得出綜合性能最優(yōu)的冷變形和時效工藝。

依據(jù)GB/T 231.1—2002《金屬布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》測試不同工藝處理后的CuCo2Be合金的布氏硬度；依據(jù)YS/T 478—2005《銅及銅合金導電率渦流檢測方法》，采用FQR7501渦流導電儀測試不同狀態(tài)下CuCo2Be合金的導電率；借助于DM2500金相顯微鏡觀察不同工藝下CuCo2Be合金的金相組織。

2結(jié)果與分析

2.1冷變形對固溶后CuCo2Be合金的組織與性能的影響

2.1.1冷變形后固溶態(tài)CuCo2Be合金的硬度和導電率

圖1為CuCo2Be合金在940℃固溶1.5h＋不同冷變形量后的硬度和導電率，可以發(fā)現(xiàn)隨著冷變形量的增大，CuCo2Be合金的硬度也不斷增大。這是因為：金屬的塑性變形主要靠位錯的移動來實現(xiàn)，隨著冷變形程度的增加，晶粒間距減小，晶界增加，阻礙了位錯的運動 ，從而使位錯運動變得困難。此外，銅為面心立方晶體，在冷加工變形時滑移面為 (111)，滑移方向為[110]，變形過程中不同滑移面上的位錯相交，使位錯運動受阻，當變形量進一步增加時，由于位錯增殖使得位錯密度顯著增加，位錯線纏結(jié)形成位錯網(wǎng)，增大了滑移的驅(qū)動力，導致了CuCo2Be合金的硬度不斷增大。從圖1還可以發(fā)現(xiàn)：CuCo2Be合金的導電率的變化并不顯著，只是在冷變形量為20%時有了極其輕微的上升，接著下降并保持在18.86%ICAS，這說明冷變形造成的晶粒變形和破碎及合金內(nèi)部空位等缺陷的增多，對導電電子的影響較小。由于較大冷變形導致的晶界和空位等缺陷增多使導電電子自由運動的障礙增多，從而導致CuCo2Be合金的導電率略有下降。

圖1 不同冷變形量對CuCo2Be合金硬度和導電率的影響

2.1.2冷變形對固溶后CuCo2Be合金組織的影響

圖2為固溶態(tài)CuCo2Be合金不同冷變形后的顯微組織，圖2（a）為固溶未冷變形的CuCo2Be合金的顯微組織，圖2（b）、（c）、（d）分別為固溶+冷變形10%、30%、50%的CuCo2Be合金的顯微組織。對比可以發(fā)現(xiàn)，隨著冷變形量的增大，CuCo2Be合金的晶粒的尺寸逐漸變大，晶粒形狀也逐漸變得不規(guī)則；金相照片中的晶粒的顏色趨于同色。這是因為：冷變形會導致CuCo2Be合金的晶粒位向的改變，腐蝕后的晶粒在觀察時顯示幾乎一樣的顏色。另外，還可以從圖2中發(fā)現(xiàn)：由于采用冷鍛壓的工藝進行冷變形，CuCo2Be合金的塑性變形程度也不是很均勻；由于CuCo2Be合金是高強高彈銅合金，在冷變形量達到40%以上時，發(fā)現(xiàn)CuCo2Be合金出現(xiàn)比較嚴重的變形裂紋。

圖2 固溶＋冷變形后CuCo2Be合金的顯微組織

2.2 冷變形后時效CuCo2Be合金的硬度和導電率

如圖3所示，固溶CuCo2Be合金冷變形及時效后的硬度值隨著冷變形量和時效時間的變化情況。可以看出：隨冷變形量的增大，CuCo2Be合金在450℃保溫不同時間后，其硬度都呈現(xiàn)先增大后下降的趨勢。這是因為CuCo2Be合金采用冷變形后時效的工藝，既有冷變形強化的因素，還有析出強化的因素。冷變形增加了CuCo2Be合金內(nèi)部的位錯密度增大，形變量越大，基體的畸變能越大，缺陷越多，強度越高，這些缺陷可以作為溶質(zhì)原子擴散的“快速通道”而加速析出過程，且畸變能越大，時效動力越大，時效初期第二相析出速度越快，強度越高。因此，大于40%的變形量的CuCo2Be合金在450℃保溫時，時效析出的過程較快，同樣的保溫時間，更早的出現(xiàn)了過時效。最終導致，較大變形量的CuCo2Be合金在相同的保溫時間后硬度反而比小變形量的CuCo2Be合金的硬度小。

另外，由圖3還可以發(fā)現(xiàn)，相同變形量的CuCo2Be合金在450℃保溫不同時間，隨著保溫時間的增加，CuCo2Be合金的硬度呈現(xiàn)下降的趨勢。這說明經(jīng)過冷變形的CuCo2Be合金450℃保溫0.5小時，硬度已經(jīng)達到了最大值，隨著保溫時間的延長，CuCo2Be合金的硬度降低，出現(xiàn)了過時效。另外，450℃保溫1h的冷變形CuCo2Be合金和450℃保溫1.5h的冷變形CuCo2Be合金相比，硬度下降的幅度較大。這是因為：CuCo2Be合金的時效過程就是過飽和固溶體的分解過程，在較高的溫度時效時，包括兩個過程：連續(xù)脫溶及不連續(xù)脫溶。CuCo2Be合金時效時，先形成G.P.區(qū)（γ〞），接著從G.P.區(qū)（γ〞）發(fā)展到γ′（連續(xù)脫溶），硬度有一定的下降；保溫時間的延長，導致發(fā)生不連續(xù)脫溶，即γ′發(fā)展到γ，硬度下降的幅度較前一過程大。

圖3 變形量對時效后的CuCo2Be合金硬度的影響

如圖4所示：隨冷變形量的增大，時效后CuCo2Be合金的導電率呈上升趨勢。這是因為，較大的冷變形導致CuCo2Be合金的時效過程較快，CuCo2Be合金中的固溶溶質(zhì)析出較快，從而減弱了對導電電子的散射，使CuCo2Be合金的電阻下降，導電率上升。另外，隨著冷變形量的增大，導電率增大的速度有一定的差別。450℃保溫0.5小時，隨著冷變形量的增大，導電率增大速度較大；450℃保溫1、1.5、2小時，隨著冷變形量的增大，導電率增大速度較小。這說明，隨著時效過程的進行，冷變形量不是影響導電率的主要因素，而與固溶CuCo2Be合金中的溶質(zhì)析出情況有較大關系。