超高強Cu-20Ni-20Mn-0.6Si合金的制備以及力學性能研究

唐帥康 肖柱 龔深

摘 要：本文制備了一種質量分數為Cu-20Ni-20Mn-0.6Si的合金，并研究了該合金最佳的時效工藝。結果表明，合金最佳的時效處理工藝為350℃時效24h，合金第二相析出物在晶粒內部細小而分布均勻。該時效制度下，合金的抗拉強度為1220MPa，屈服強度為985MPa，伸長率為6.0%。具有優異的強度與塑性，其強塑積幾乎是其他各類超高強銅合金的兩倍。

關鍵詞：超高強銅合金;時效;力學性能;合金組織

超高強銅合金不僅擁有高強度、高硬度以及良好的彈性性能，而且其耐海水腐蝕、耐磨損以及抗疲勞斷裂等性能也相當不錯[1]。近年來開發新型無鈹的超高強銅合金就成為了國內外銅合金研究領域的一個重點方向。因此本文設計了一種成分為Cu-20Ni-20Mn-0.6Si的銅合金，旨在開發一種無鈹超高強高塑銅合金。采用真空熔煉的方法制備該合金，并通過均勻化處理、熱軋、固溶、冷軋、時效等工藝對合金進行加工處理。通過調節時效處理工藝的參數來探索該合金的力學性能。

1 實驗部分

真空熔煉的Cu-Ni-Mn-Si合金鑄錠首先被切割成塊狀，然后通過機械銑削去除表面缺陷。鑄錠在920℃下均勻化處理8h，然后在850℃下熱軋，厚度由25mm軋至7.5mm。750℃處理2h后冷軋至1.5mm。最后，對軋至后的帶材進行630℃×2h固溶和不同溫度的時效處理。硬度測試是在HV-5維氏硬度計上進行的，載荷為5kg，加載時間為15s。合金的室溫拉伸試驗依據GB/T228.1-2010進行測試，拉伸試驗在WDW-200電子萬能拉伸機上進行試驗。使用Sirion200場發射掃描電子顯微鏡進行了樣品的微觀結構觀察。

2 結果與討論

2.1 合金時效前組織觀察

由于合金熔煉冷卻速度較慢，合金中的合金元素含量高，合金元素的擴散不均勻，易在基體內部聚集，形成了枝晶組織[2]。均勻化處理后，這種對后續加工和合金性能不利的枝晶組織基本消失。在后續的熱軋以及冷軋的工藝過程中，合金粗大的晶粒得到破碎。固溶處理后所得的組織晶粒細小且均勻，平均晶粒尺寸約為20μm。

2.2 合金時效制度研究

圖1（a）為合金在250℃～500℃時效的硬度曲線，由圖可見，合金300℃～420℃的時效-硬度曲線的變化趨勢大致相同。在時效時間為24h左右，合金的硬度值達到峰值。其中時效溫度350℃時，合金硬度的增長速度最快，且硬度值最高為24h對應的490HV。因此Cu-20Ni-20Mn-0.6Si合金的較佳時效溫度和時效時間為350℃和24h。圖1（b）為時效態合金經50000倍放大后的掃描照片，可以看出，合金第二相析出物在晶粒內部細小而分布均勻。

對350℃時效24h的合金樣品進行室溫拉伸試驗測試，試驗結果為合金的抗拉強度為1220MPa，屈服強度為985MPa，伸長率為6.0%。圖2（a）和（b）分別為各類超高強銅合金的抗拉強度與強塑積（合金抗拉強度與延長率的乘積）對比圖，圖中反應出Cu-20Ni-20Mn-0.6Si比其他類型的超高強銅合金具有更加優良的力學性能，尤其是合金的強塑積幾乎是其他超高強度銅合金的兩倍。其原因為經過一系列的大變形和熱處理加工方法得出來的晶粒細小均勻，析出的第二相分散均勻且尺寸為亞微米級的合金組織，對合金的綜合力學性能有顯著的提高[3]。同時由于合金的基體為微米級的銅合金組織，細晶組織單位體積內大面積的晶界在變形過程中能起到協同變形的作用，因此合金能在高強度的同時保持較好的塑性。

3 結論

合金最佳的時效工藝為350℃時效24h，合金第二相析出物在晶粒內部細小而分布均勻。該時效制度下，合金的抗拉強度為1220MPa，屈服強度為985MPa，伸長率為6.0%。具有良好的綜合強度與塑性，其強塑積幾乎是其他各類超高強銅合金的兩倍。

參考文獻：

[1]張智強，郭澤亮，雷竹芳.銅合金在艦船上的應用[J].材料開發與應用，2006，21（5）：43-46.

[2]鐘衛佳，馬可定，吳維治.銅加工技術實用手冊[M].北京：冶金工業出版社，2007：101-252.

[3]W.Xie，Q.Wang，X.Mi，et al.Microstructure evolution and properties of Cu-20Ni-20Mn alloy during aging process[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2015，25：3247-3251.