CuCo2Be合金的冷變形及時(shí)效工藝研究

趙德勝

摘要：借助布氏硬度計(jì)、渦流導(dǎo)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(shí)效工藝后的組織和性能及冷變形和不同時(shí)效工藝對(duì)CuCo2Be合金性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，冷變形和時(shí)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(shí)效工藝為30%冷變形+450℃×1h時(shí)效，該工藝處理后的CuCo2Be合金硬度和導(dǎo)電率可以達(dá)到270HBS和50.92%IACS。

關(guān)鍵詞 ：CuCo2Be合金；冷變形；時(shí)效；硬度；導(dǎo)電率

中圖分類號(hào)：TF704.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

形變熱處理是將塑性變形的形變強(qiáng)化與熱處理的相變強(qiáng)化相結(jié)合，使成形工藝與獲得最終性能統(tǒng)一起來(lái)的一種綜合方法[1-2]。CuCo2Be合金經(jīng)熱處理后具有高的強(qiáng)度、硬度，且穩(wěn)定性好，具有耐蝕、耐磨、耐疲勞、耐低溫、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)[3]，廣泛應(yīng)用于各類高性能要求的電焊電極、導(dǎo)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(duì)合金的性能有較大的影響，而塑性變形可以強(qiáng)化合金的基體。為此，研究不同變形量與不同時(shí)效工藝參數(shù)對(duì)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(duì)CuCo2Be合金的開發(fā)應(yīng)用具有一定的實(shí)用意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用的CuCo2Be合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?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(yīng)爐熔煉制備。

試驗(yàn)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(shí)效時(shí)間后的組織和性能，得出綜合性能最優(yōu)的冷變形和時(shí)效工藝。

依據(jù)GB/T 231.1—2002《金屬布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》測(cè)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(dǎo)電率渦流檢測(cè)方法》，采用FQR7501渦流導(dǎo)電儀測(cè)試不同狀態(tài)下CuCo2Be合金的導(dǎo)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(duì)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(dǎo)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(dǎo)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?yàn)椋航饘俚乃苄宰冃沃饕课诲e(cuò)的移動(dòng)來(lái)實(shí)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(cuò)的運(yùn)動(dòng) ，從而使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)變得困難。此外，銅為面心立方晶體，在冷加工變形時(shí)滑移面為 (111)，滑移方向?yàn)閇110]，變形過(guò)程中不同滑移面上的位錯(cuò)相交，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，當(dāng)變形量進(jìn)一步增加時(shí)，由于位錯(cuò)增殖使得位錯(cuò)密度顯著增加，位錯(cuò)線纏結(jié)形成位錯(cuò)網(wǎng)，增大了滑移的驅(qū)動(dòng)力，導(dǎo)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(dǎo)電率的變化并不顯著，只是在冷變形量為20%時(shí)有了極其輕微的上升，接著下降并保持在18.86%ICAS，這說(shuō)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(duì)導(dǎo)電電子的影響較小。由于較大冷變形導(dǎo)致的晶界和空位等缺陷增多使導(dǎo)電電子自由運(yùn)動(dòng)的障礙增多，從而導(dǎo)致CuCo2Be合金的導(dǎo)電率略有下降。

圖1 不同冷變形量對(duì)CuCo2Be合金硬度和導(dǎo)電率的影響

2.1.2冷變形對(duì)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(duì)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?yàn)椋豪渥冃螘?huì)導(dǎo)致CuCo2Be合金的晶粒位向的改變，腐蝕后的晶粒在觀察時(shí)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(jìn)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(qiáng)高彈銅合金，在冷變形量達(dá)到40%以上時(shí)，發(fā)現(xiàn)CuCo2Be合金出現(xiàn)比較嚴(yán)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(shí)效CuCo2Be合金的硬度和導(dǎo)電率

如圖3所示，固溶CuCo2Be合金冷變形及時(shí)效后的硬度值隨著冷變形量和時(shí)效時(shí)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(shí)間后，其硬度都呈現(xiàn)先增大后下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)镃uCo2Be合金采用冷變形后時(shí)效的工藝，既有冷變形強(qiáng)化的因素，還有析出強(qiáng)化的因素。冷變形增加了CuCo2Be合金內(nèi)部的位錯(cuò)密度增大，形變量越大，基體的畸變能越大，缺陷越多，強(qiáng)度越高，這些缺陷可以作為溶質(zhì)原子擴(kuò)散的“快速通道”而加速析出過(guò)程，且畸變能越大，時(shí)效動(dòng)力越大，時(shí)效初期第二相析出速度越快，強(qiáng)度越高。因此，大于40%的變形量的CuCo2Be合金在450℃保溫時(shí)，時(shí)效析出的過(guò)程較快，同樣的保溫時(shí)間，更早的出現(xiàn)了過(guò)時(shí)效。最終導(dǎo)致，較大變形量的CuCo2Be合金在相同的保溫時(shí)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(shí)間，隨著保溫時(shí)間的增加，CuCo2Be合金的硬度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。這說(shuō)明經(jīng)過(guò)冷變形的CuCo2Be合金450℃保溫0.5小時(shí)，硬度已經(jīng)達(dá)到了最大值，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，CuCo2Be合金的硬度降低，出現(xiàn)了過(guò)時(shí)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?yàn)椋篊uCo2Be合金的時(shí)效過(guò)程就是過(guò)飽和固溶體的分解過(guò)程，在較高的溫度時(shí)效時(shí)，包括兩個(gè)過(guò)程：連續(xù)脫溶及不連續(xù)脫溶。CuCo2Be合金時(shí)效時(shí)，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(shí)間的延長(zhǎng)，導(dǎo)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(guò)程大。

圖3 變形量對(duì)時(shí)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(shí)效后CuCo2Be合金的導(dǎo)電率呈上升趨勢(shì)。這是因?yàn)?，較大的冷變形導(dǎo)致CuCo2Be合金的時(shí)效過(guò)程較快，CuCo2Be合金中的固溶溶質(zhì)析出較快，從而減弱了對(duì)導(dǎo)電電子的散射，使CuCo2Be合金的電阻下降，導(dǎo)電率上升。另外，隨著冷變形量的增大，導(dǎo)電率增大的速度有一定的差別。450℃保溫0.5小時(shí)，隨著冷變形量的增大，導(dǎo)電率增大速度較大；450℃保溫1、1.5、2小時(shí)，隨著冷變形量的增大，導(dǎo)電率增大速度較小。這說(shuō)明，隨著時(shí)效過(guò)程的進(jìn)行，冷變形量不是影響導(dǎo)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(guān)系。