CuNi2SiCrZr銅合金的工藝性能及微觀組織分析

李學浩，朱仁萍

鎮江四洋特種金屬材料制造有限公司 江蘇鎮江 212003

1 序言

C u N i2S i系合金為沉淀強化型高強度導電合金，與CuNi2Be、CuCo2Be相比，CuNi2Si系不含Co、Be元素，具有綠色、經濟性特點，但綜合性能還存在一定的差距。近年來，對CuNi2Si系合金的研究主要集中在多元素合金化和熱處理、加工工藝的組合方面，多元素合金化方面[1-6]，主要是在Ni、Si的基礎上加入Cr、Co、Al、Be、Mg、P、Fe中的一種或幾種組成新的合金，在CuNiTi銅合金中加入Cr、Zr可以細化晶粒、降低固溶體硬度、改善冷加工性能、提高合金熱強性[7-8]，國內很少有在Ni、Si的基礎上同時加入少量Cr、Zr的報道，本文在CuNi2Si銅合金基體中，加入Cr、Zr元素，通過各元素之間的對基體的強化作用，進一步提高CuNi2Si銅合金基體的性能，尤其是熱強性，并通過不同冷變形、不同時效工藝的試驗和不同條件下性能對比，尋求CuNi2SiCrZr合金材料的最佳工藝條件。

2 合金材料及熔鑄

CuNi2SiCrZr合金的化學成分見表1，在合金中加入Cr可以與Si形成Cr3Si穩定的增強相[5，9]，Zr在銅固態的溶解度最高為0.15%，在常溫下溶解度急劇減少，wZr≥0.15%的加入可以與Cr和Cu形成CrZr和CuZr化合物彌散分布于基體，以細化晶粒、提高CuNi2SiCrZr合金的高溫強度。因Cr、Zr元素極易氧化，采用真空感應熔煉，首先熔化純銅和Ni，待熔化溫度達到1400℃后，再將Cr、Zr加入到銅液中，Cr、Zr全部熔化后保溫，鐵模真空澆注成鑄錠。

表1 合金材料的化學成分（質量分數） （%）

圖1 固溶溫度對電導率的影響

3 工藝試驗

3.1 固溶處理

CuNi2SiCrZr合金鑄錠經過熱鍛后，將試樣分別在860～940℃內保溫1h進行固溶處理，測試的電導率的大小如圖1所示，隨固溶溫度增加電導率不斷降低，在920℃達到最低值，再增加固溶溫度，電導率幾乎沒有變化，圖2為CuNi2Si的偽二元相圖，固溶溫度達到900℃時除粗大的初生相不能完全溶解外，大部分Ni、Si元素都可以固溶到基體，隨固溶溫度的升高，在相同的保溫時間下溫度越高晶粒就越大，因此，固溶溫度選擇在900～920℃比較合理，本文選擇910℃進行固溶處理。

圖2 Cu-Ni2Si偽二元合金相圖

3.2 冷變形和時效處理

將910℃下固溶處理過的C u N i2S i C r Z r合金試樣分別進行不冷變形、15%冷變形、20%冷變形、25%冷變形的處理，將四組試樣再分別通過460～520℃、保溫4h的時效處理，得到的性能曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，CuNi2SiCrZr合金的冷變形強化作用比較明顯，同一冷變形下的試樣硬度、抗拉強度和屈服強度隨時效溫度的增加先上升再下降，在時效溫度為500℃時，達到硬度和強度的頂峰，不同的冷變形量下的時效溫度-強度曲線的整體趨勢是一致的，當時效溫度超過500℃，出現過時效，硬度和強度均下降。

同一時效溫度下，在0～25%變形量的范圍內，強度和硬度值隨變形量的增加而上升，強度和硬度值增加的幅度越來越小，說明初始變形量對強度和硬度的貢獻較大，隨變形量的增大，變形量的增加值對強度和硬度的提高作用越來越小。

圖3 不同變形量和時效溫度對性能的影響

四組不同變形量的電導率均隨時效溫度的增加而上升，在不超過500℃時效溫度范圍內，同一時效溫度下隨變形量的增大電導率增加，超過20%變形量后，電導率反而下降，說明在0～20%變形量范圍內，變形量對沉淀強化析出給予導電的上升作用要大于變形硬化對導電的影響，變形量超過20%時，變形硬化作用對導電的影響逐漸加大，就造成在同一時效溫度下變形量大的試樣的電導率小于變形量小的試樣。當達到過時效溫度520℃時，固溶元素引起基體的畸變對電導率的影響在沉淀析出過程已基本得到緩解，冷變形加工硬化對電導率的影響也基本消失，同一時效溫度下電導率的數值也基本趨于一致。

由以上分析得出，CuNi2SiCrZr合金通過25%的冷變形和500℃×4h時效可以得到最佳的性能組合，抗拉強度716MPa、屈服強度651MPa、硬度96HRB、電導率IACS40%。

4 金相組織

圖4為CuNi2SiCrZr合金冷變形0～25%后在500℃時效后的金相照片，可以看出隨變形量的增加，時效后的平均晶粒尺寸不斷減小，在25%冷變形后的時效組織中還呈現有冷變形的特征。冷變形使合金內部存在大量的位錯等晶體缺陷，在時效過程中可以增加第二項形核數量和加速第二項的彌散析出。冷變形使時效后的組織中有大量的細小孿晶形成和一定數量的冷變形位錯保留。因此，第二項的更加彌散析出和組織中存在的孿晶、位錯使合金在0～25%變形范圍內的硬度和強度峰值隨變形量的增加而增大。

圖4 0～25%冷變形+500℃時效金相照片（200 ×）

5 結束語

綜上所述，CuNi2SiCrZr合金通過910℃×1h+ 25%的冷變形+500℃×4h時效可以得到最佳的性能組合：抗拉強度716MPa、屈服強度651MPa、硬度96HRB、電導率IACS40%。

隨變形量的增加，時效后的晶粒尺寸不斷減小，在25%冷變形后的時效組織中還呈現有冷變形的特征。冷變形使時效后的組織中有大量的細小孿晶形成和一定數量的冷變形位錯保留。第二項的更加彌散析出和組織中存在的孿晶、位錯使合金在0～25%變形范圍內的硬度和強度峰值隨變形量的增加而增大。