銀銅合金鑄態球晶組織的研究

張國良 向雄志 夏靜

摘要：銀銅合金鑄態組織中球晶的獲得，將為低銀高銅的銀銅合金制備電接觸材料提供可能。試驗在銀銅合金（w（Cu）=50.0 %）中添加了Co、Si元素，采用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡對銀銅合金的金相和顯微結構進行分析。試驗結果表明：單獨添加Co、Si元素不會產生球晶組織;復合添加Co-Si元素時，富銅相樹枝晶被打斷，晶粒球化，出現球晶組織。該球晶組織由3層結構組成，黑色核心的CoSix化合物顆粒、灰色區域的富銅相和白色包圍帶的富銀相。

關鍵詞：銀銅合金;球晶組織;鑄態組織;樹枝晶;富銅相

中圖分類號：O76文獻標志碼：A

文章編號：1001-1277（2020）07-0007-05?doi：10.11792/hj20200702

在金屬或合金正常的凝固過程中，由于成分過冷，多以樹枝晶狀結晶，而不會以粒狀結晶[1]。因此，在正常的凝固過程中很難得到具有粒狀結構的球晶組織[2-4]。銀銅合金是一種重要的電接觸材料，對于低銀高銅的銀銅合金，銅在凝固過程中容易析出，形成富銅相樹枝晶[5]，很難通過內氧化獲得顆粒狀氧化物。銀銅合金鑄態組織中球晶的獲得，將為低銀高銅的銀銅合金制備電接觸材料提供可能。目前，銀銅合金體系中尚未有球晶組織獲得的相關研究[6-7]。作者在實驗室的研究中發現，通過在銀銅合金熔煉鑄造過程中添加Co、Si等2種元素，會影響合金凝固過程中銅、銀的擴散，從而獲得球晶組織。本文通過在銀銅合金（w（Cu）=50.0 %）中加入Co、Si等2種元素，研究了Co、Si元素的添加對銀銅合金顯微組織的影響，并探討了球晶組織的形成過程。

1?試驗方法

試驗以銀銅合金（w（Cu）=50.0 %）為基礎，以Co、Si元素代替Ag設計了一系列的銀銅合金，其成分分析結果見表1。合金熔煉的原料采用純度為99.5 %的電解銀、電解銅及純度為99.99 %的鈷粒、硅粒，其中 Co、Si分別以銅鈷中間合金、銅硅中間合金的形式加入電解銀中。采用真空高頻感應爐及氬氣保護氣氛進行合金熔煉，鑄造過程中石膏熔模溫度為600 ℃，澆鑄溫度為1 025 ℃。鑄錠經冷軋后線切割成尺寸為6 mm×6 mm×2 mm的樣品，然后經700 ℃真空退火處理。

將銀銅合金樣品采用砂紙粗磨、精磨后，再進行機械粗拋、精拋，要求拋光后表面無劃痕[8]。利用OLYMPAS GX71金相顯微鏡進行金相分析，日立S4800掃描電子顯微鏡進行顯微結構和元素組成分析。金相刻蝕液采用新配置的混合溶液（V（H2O2）∶V（NH4OH）∶V（H2O）=2∶1∶1）。

2?結果分析與討論

2.1?鑄態合金的組織變化

銀銅合金（w（Cu）=50.0 %）為過共晶合金，其在凝固時鑄態組織主要由大量的樹枝晶狀富銅相和少量的共晶相組成。分別添加Co、Si元素及復合添加Co-Si元素的銀銅合金鑄態組織金相圖見圖1。

由圖1可知：1#銀銅合金的鑄態組織為典型樹枝晶組織，分別添加Co、Si元素的2#、3#銀銅合金的鑄態組織仍為樹枝晶組織，并未發生變化。復合添加Co-Si元素的4#銀銅合金鑄態組織的樹枝晶被打斷，晶粒明顯球化，出現球晶組織;這表明在銀銅合金（w（Cu）=50.0 %）中復合添加Co-Si元素才能改變初生富銅相樹枝晶組織，出現球晶組織。

試驗研究了Co-Si元素復合添加量對銀銅合金（w（Cu）=50.0 %）鑄態組織球化程度的影響。不同Co-Si元素復合添加量的銀銅合金鑄態組織金相圖見圖2。

由5#、6#、7#銀銅合金的鑄態組織變化可以發現：當Co元素添加量由0.1 %增加至0.3 %時，銀銅合金的初生富銅相晶粒被球化的程度明顯增大，晶粒也隨之變細。由7#、4#、8#銀銅合金的鑄態組織變化可以發現：當Co元素添加量從0.3 %增加到0.5 %時，銀銅合金的初生富銅相晶粒被球化的程度略微增大，但7#銀銅合金的晶粒最為細小。由7#、9#銀銅合金的鑄態組織變化可以發現：當Si元素添加量從0.2 %增加到0.6 %時，銀銅合金的初生富銅相晶粒被球化的程度已經有所減弱。綜合考慮，7#銀銅合金的Co-Si元素復合添加量能夠獲得晶粒細小、球化程度高的球晶組織。

2.2?鑄態合金的顯微成分

7#銀銅合金球晶組織的SEM圖見圖3，元素分布面掃描結果見圖4。

由圖3可知：大多數球晶組織由黑色核心、灰色區域和白色包圍帶3層結構組成，這種典型的結構在復合添加Co-Si元素的銀銅合金中是常見的。

由圖4可知：球晶組織的灰色區域是銅偏析聚集形成的富銅相，白色包圍帶是銀偏析聚集形成的富銀相，而富銅相的黑色核心是Co、Si等2種元素偏析聚集形成的顆粒相。同時，在銀銅合金的基體中還固溶有少量Si元素。這表明復合添加Co-Si元素后形成了化合物顆粒相，這種化合物顆粒相作為異質形核點，提高了初生富銅相的析出，并改變了初生富銅相的大小和形貌。

為了研究復合添加Co-Si元素形成的化合物顆粒相，對7#銀銅合金球晶組織進行線掃描，結果見圖5。

由圖5可知：線掃描穿過灰色區域的黑色核心時，Co、Si元素的質量分數均呈現先增加后減少的趨勢，且增加和減少的量固定。因此，根據Co、Si的質量分數百分比，計算出Co和Si的原子比為1.5，可推算出形成的化合物顆粒相為Co3Si2。但是，結合Co-Si合金二元相圖[9] ，并不存在Co3Si2化合物，只存在Co2Si、CoSi等化合物。據此可推斷，Co、Si元素所形成的化合物顆粒為Co2Si和CoSi的混合物，簡寫為CoSix。CoSix化合物顆粒被富銅相包圍，富銅相溶有少量銀，其中銅質量分數約為80 %，銀質量分數約為10 %。初生富銅相晶界處的銀質量分數約100 %，即Ag在富銅相相界面處偏析聚集。

2.3?球晶組織的形成過程

7#銀銅合金的凝固過程見圖6。在銀銅合金（w（Cu）=50.0 %）中復合添加Co-Si元素，形成了熔點比銀銅合金高的二元化合物顆粒，且分散在銀銅合金基體中。在銀銅合金凝固過程中，這種化合物顆粒首先形成，并作為非均勻形核的異質點，提高了初生富銅相的析出。大量初生富銅相的不斷析出，導致液相中的銀質量分數不斷增加。此時，液相中大量的銀在富銅相的周圍偏析聚集，抑制了富銅相的生長，并增大了固液相的成分過冷度。隨著凝固的進行，大量偏析聚集的銀放熱形成富銀相，同時對細小的富銅相樹枝晶產生熔斷效應，從而產生球晶組織。因此，在銀銅合金中出現許多細小的球晶組織，而基體中少量的共晶相未發生變化。

3?結?論

1）銀銅合金（w（Cu）=50.0 %）中單獨添加Co、Si元素時，其鑄態組織仍為富銅相樹枝晶，不會出現球晶組織;復合添加Co-Si元素時，富銅相樹枝晶被打斷，晶粒球化，出現球晶組織。

2）銀銅合金（w（Cu）=50.0 %）中Co-Si元素復合添加量分別為0.3 %、0.2 %時，球晶組織的球化程度明顯，晶粒細小。

3）銀銅合金（w（Cu）=50.0 %）中球晶組織由黑色核心、灰色區域和白色包圍帶組成。黑色核心為Co2Si和CoSi等2種化合物的混合物（CoSix）、灰色區域為富銅相，白色包圍帶為銀聚集而產生的富銀相。

[參 考 文 獻]

[1] 胡漢起.金屬凝固原理[M].北京：機械工業出版社，2000.

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