鋁對(duì)復(fù)雜黃銅組織及性能的影響

肖翔鵬 ，柳瑞清 ，張英 ，陸萌萌 ，胡艷艷

(1.江西理工大學(xué)，a.工程研究院;b.材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西省有色金屬加工工程技術(shù)研究中心，江西 贛州 341000)

0 引 言

彈性合金是精密儀器表和精密機(jī)械中不可缺少的材料.它廣泛應(yīng)用于制造各種彈性元件.在儀表及各種測(cè)量裝置中，彈性元件具有非常重要的作用，在很多情況下，決定著儀表及測(cè)量裝置整體的精度、可靠性和壽命.隨著電氣、電子零件的小型化、高密度、高集成化的迅速發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，對(duì)彈性合金的要求也越來越高，電連接器的可靠性是系統(tǒng)、整機(jī)可靠性的基礎(chǔ).發(fā)展越來越快的航空航天事業(yè)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作條件對(duì)所有元件的要求，特別是對(duì)一些長期在中溫和高溫下使用的彈性材料的穩(wěn)定性和可靠性的要求越來越苛刻[1-5].

黃銅常用于制作導(dǎo)電、導(dǎo)熱元件、耐蝕結(jié)構(gòu)件、日用五金等.在黃銅中加入鋁，不僅能細(xì)化晶粒，防止退火時(shí)晶粒過度長大，又能形成堅(jiān)固的抗蝕性氧化膜，提高黃銅合金的強(qiáng)度及耐海水腐蝕性能.王忠民等[6]在2003年對(duì)鋁鎳復(fù)雜黃銅進(jìn)行了研究，其指出該合金可用于代替鈹青銅作為彈性合金.鋁鎳黃銅生產(chǎn)過程無毒無公害，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本低.鋁鎳黃銅鑄錠不需要均勻化退火，冷、熱加工性能好，軋制出的帶材的機(jī)械性能良好，材料的機(jī)械性能與物理性能與鈹青銅相近，耐磨性和耐蝕性優(yōu)良，性能穩(wěn)定性良好.本文研究的是，鋁含量的變化對(duì)復(fù)雜黃銅（Cu-Zn-Al-Ni）組織及性能的影響.分析研究鑄態(tài)、熱軋態(tài)、冷軋態(tài)下合金組織及力學(xué)性能的變化.

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)鋁的添加量選擇5個(gè)含量，分別是1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%，合金成分如表 1，其實(shí)測(cè)成分見表2.

表1 合金名義成分/%

表2 合金實(shí)測(cè)成分/%

工藝流程：配料→熔鑄→銑面→加熱軋制→第一次退火→冷粗軋→第二次退火→冷中軋→第三次退火→第一次精軋→第四次退火→第二次精軋→成品退火.

經(jīng)過銑面的錠坯厚度18 mm左右，將其加熱到850℃，保溫1 h左右即可開軋，熱軋總加工率一般控制在66.7%左右，加工率越大，越容易得到細(xì)晶組織，抗應(yīng)力腐蝕開裂傾向也越小.熱軋成品厚度6.0 mm左右.

冷粗軋總加工率控制在65%左右，軋后厚度2 mm左右；冷中軋總加工率控制在55%左右，軋后厚度0.9 mm左右；第一次精軋總加工率控制在55.5%左右，軋后厚度0.4 mm左右；第二次精軋總加工率控制在50%左右，軋后厚度0.2 mm.

第一次退火溫度550℃，保溫2 h；第二次退火溫度550℃，保溫3 h；第三、四次退火溫度520℃，保溫3 h；成品退火有4個(gè)退火溫度200℃、250℃、300℃、350℃，保溫1 h.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 合金組織

圖1是合金的鑄造顯微組織圖，圖 1（a）～圖 1（e）的含 Al量分別為 1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%.從圖1中可以看出，隨著含Al量的增加，α相區(qū)顯著縮小，β相區(qū)增加，并對(duì)α相、β相起到細(xì)化的作用.圖1中，晶粒大小均勻且細(xì)小，即晶界面積大，晶界強(qiáng)度提高，有利于變形加工，變形多集中在晶內(nèi)，故表現(xiàn)出較高的塑性.隨Al含量的增加，晶粒越細(xì)，越來越趨近于球形.Al含量為1.5%時(shí)，晶粒最大，只有少量β相，α相比較粗大.Al含量為2.0%時(shí)，β相增多，α相減少，晶粒尺寸減小.Al含量為2.5%時(shí)，相比Al含量2.0%，β相增多，α相減少，晶粒尺寸減小.當(dāng)Al含量為3.0%時(shí)，晶粒最細(xì)，越來越趨近于球形，α相、β相含量百分比（α相/β相）越來越小.而當(dāng)Al含量為3.5%時(shí)，Al對(duì)組織的影響減弱，晶粒形狀與Al含量為3.0%相比沒有很明顯的變化.

圖1 不同Al含量的合金鑄造組織

圖2 是合金熱軋后的顯微組織圖，圖 2（a）～圖 2（e）的含 Al量分別為 1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%.從圖2中可以看出晶粒沿著形變方向被拉長，由多變形變?yōu)楸馄叫位蜷L條形.還可以發(fā)現(xiàn)，晶粒并不都往一個(gè)方向延伸，可見熱軋時(shí)變形并不是很均勻.由圖2可初步判斷含Al量2.5%時(shí)的織構(gòu)最明顯，其中β相以帶狀分布，均勻細(xì)密且不構(gòu)成連續(xù)分布不致破壞α相的連續(xù)分布，對(duì)后面的冷加工最為有利.根據(jù)組織特點(diǎn)可推斷出它們的強(qiáng)度、硬度將較高，這一推論在力學(xué)實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證.Al含量為1.5%、2.0%的合金晶粒粗大且織構(gòu)不明顯，可能是其有再結(jié)晶發(fā)生，Al含量2.5%的合金織構(gòu)比前兩者明顯，其在加工過程中，位錯(cuò)密度增加，同時(shí)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)回復(fù)，使得位錯(cuò)重新分布，雖然顯微組織仍保持纖維狀，但其拉長的晶粒內(nèi)部存在等軸亞晶.動(dòng)態(tài)回復(fù)組織要比再結(jié)晶組織強(qiáng)度高[7].

圖2 不同Al含量的合金熱軋態(tài)組織

2.2 力學(xué)性能

圖3是合金冷軋Y態(tài)板材的硬度隨Al含量變化情況.圖3中2條曲線，一條是0.2 mmY態(tài)板材硬度曲線，另一條是0.4 mmY態(tài)板材硬度曲線.冷軋板從0.4 mm軋到0.2 mm經(jīng)過形變與熱處理過程.從圖3中可以看出0.2 mm硬度比0.4 mm板材高；從圖3中還可以看出合金硬度隨Al含量的增加而升高，當(dāng)Al含量為1.5%時(shí)，硬度最小為212 HV（0.4 mm）、228 HV（0.2 mm），一直到A1含量為3.0%，硬度曲線升到最高值為 237 HV（0.4 mm）、255 HV（0.2 mm），當(dāng)Al含量到3.5%時(shí)，Al含量對(duì)硬度的影響很小，硬度無明顯變化.

圖3 冷軋Y態(tài)板材硬度隨A1含量變化情況

圖4是合金冷軋Y態(tài)板材的抗拉強(qiáng)度、延伸率隨Al含量變化情況.圖4中有2組曲線，一組是0.2 mmY態(tài)板材抗拉強(qiáng)度、延伸率曲線，另一組是0.4 mmY態(tài)板材抗拉強(qiáng)度、延伸率曲線.從圖4中可以看出0.2 mm抗拉強(qiáng)度、延伸率比0.4 mm大；從圖4中還可以看出合金抗拉強(qiáng)度隨Al含量的增加而升高 ，當(dāng)Al含量為1.5%時(shí)，抗拉強(qiáng)度最小為730 MPa（0.4 mm）、760 MPa（0.2 mm），一直到 Al含量為 3.0%，抗拉強(qiáng)度曲線升到最高值為760 MPa（0.4 mm）、820 MPa（0.2 mm），當(dāng)Al含量為3.5%時(shí)，A1含量對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響很??；延伸率隨Al含量的增加而降低 ，當(dāng)Al含量為1.5%時(shí)，延伸率最大為3.5%（0.4 mm）、3.85%（0.2 mm），一直到Al含量為3.0%，延伸率曲線降到最低值為 3.1%（0.4 mm）、3.6%（0.2 mm），當(dāng)Al含量到3.5%時(shí)，Al含量對(duì)延伸率的影響很小.

圖4 冷軋Y態(tài)板材抗拉強(qiáng)度、延伸率隨Al含量變化情況

3 分析與討論

由圖3、圖4可知，合金的最低硬度達(dá)到228 HV（0.2 mm），最小抗拉強(qiáng)度為 760 MPa（0.2 mm）.這是因?yàn)锳l的加入對(duì)合金有一定的影響，Al為強(qiáng)化母相的有效元素.Al的原子半徑大于Cu和Zn的原子半徑.Al溶入Cu-Zn合金中以置換原子的形式存在，當(dāng)Al置換了晶格中的Cu或Zn原子后，使晶體的固有應(yīng)力場(chǎng)的周期性在局部發(fā)生了變化，晶體的晶格發(fā)生了一定的畸變，這樣就引起了晶體彈性應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變.當(dāng)合金在外力作用下通過運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)產(chǎn)生形變時(shí)，彈性應(yīng)力場(chǎng)與運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)發(fā)生交互作用，增加了合金的變形阻力，從宏觀上來看就提高了合金的強(qiáng)度.在Cu-Zn合金中加入Al元素，大大地提高β相的穩(wěn)定性，增強(qiáng)了基體的強(qiáng)度，效果特別明顯[8].同時(shí)Al能提高耐磨性、耐蝕性、彈性等[9].

合金的機(jī)械性能隨Al含量的變化規(guī)律是，Al含量增加，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度顯著提高，而延伸率和沖擊韌性明顯下降[10].圖3、圖4中Al含量從1.5%增加到3.0%的過程中，冷軋Y態(tài)板材硬度和強(qiáng)度急劇提高，而延伸率逐漸降低.Al含量為3.0%時(shí)，0.2 mmY態(tài)板材硬度達(dá)到255 HV、抗拉強(qiáng)度達(dá)到820 MPa.這是由于Al的作用對(duì)銅合金組織影響很大，Al的鋅當(dāng)量系數(shù)很高，加少量的Al后，就能使α相區(qū)顯著縮小，β相區(qū)增加，因此是提高合金強(qiáng)度的重要元素.況且雙相合金比單相合金強(qiáng)度要大[7].如圖1所示，隨著含Al量的增加，α相區(qū)顯著縮小，β相區(qū)增加，并對(duì)α相、β相起到細(xì)化的作用.隨著含Al量的增加，α相與β相的相對(duì)百分比越來越小.郭淑梅，劉建春[11-12]指出，為了保證合金不僅要具有一定的強(qiáng)度、硬度使之耐磨損；而且還要保證其能夠經(jīng)受一定的沖擊，具有一定的韌性.這就使得合金中的α相與β相的相對(duì)含量有一定的要求.β相相對(duì)含量高的合金抗拉強(qiáng)度及硬度均高.

β相在456～468℃以下為β'相，無序的β相塑性好，有序的β'相難以冷變形.從無序到有序的轉(zhuǎn)變可使合金強(qiáng)度明顯提高.強(qiáng)度性質(zhì)是當(dāng)達(dá)到一定的有序程度（即一定的尺寸的有序疇）時(shí)才達(dá)最大值.目前，利用有序化強(qiáng)化效應(yīng)來強(qiáng)化的銅合金有Cu-Al-2Ni、Cu-2.8Al-1.8Si-0.4Co、Cu-22.7Zn-3.4Al-0.4Co、Cu-22.7Zn-3.4Al-0.6Ni等.研究認(rèn)為，有序化過程中合金強(qiáng)化可能有2個(gè)原因.一是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)在有序疇內(nèi)造成反相疇界.有序化過程開始時(shí)，有序疇界很小，疇內(nèi)無法產(chǎn)生一定寬度的超點(diǎn)陣位錯(cuò)，則常規(guī)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)使有序疇內(nèi)產(chǎn)生反相疇界.有序疇尺寸增大，所產(chǎn)生的反相疇面積增大，因而強(qiáng)度性能升高.有序疇過一定尺寸后，疇內(nèi)可產(chǎn)生超點(diǎn)陣位錯(cuò).自此，雖然疇尺寸增大，超點(diǎn)陣位錯(cuò)密度不變，不會(huì)增加位錯(cuò)本身導(dǎo)致的反相疇界面積.由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)穿越的疇界減少，強(qiáng)化作用將隨疇尺寸增大而下降，一直到完全有序狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的數(shù)值為止.二是應(yīng)變強(qiáng)化.有序化除使近鄰原子種類發(fā)生變化外，合金原子間距也發(fā)生明顯變化.比如，這里立方晶格轉(zhuǎn)變成有序正方晶格，就會(huì)在晶格中造成一種應(yīng)變，產(chǎn)生很大的強(qiáng)化效應(yīng)[13-14].所以當(dāng)Al含量為3.0%時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到最高，0.2 mmY態(tài)板材達(dá)到820 MPa，這可能是Al含量達(dá)到一定量時(shí)，有序疇尺寸增大，所產(chǎn)生的反相疇面積增大，強(qiáng)度性能升高，塑性、韌性大大下降.同時(shí)，強(qiáng)化作用將隨疇尺寸增大而下降，一直到完全有序狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的數(shù)值為止，這就使得板材在Al含量為3.5%時(shí)抗拉強(qiáng)度慢慢降低[15-16].

從圖3中可以看出0.2 mm硬度比0.4 mm板材高，從圖4中可以看出0.2 mm抗拉強(qiáng)度、延伸率比0.4 mm大.這跟合金的形變熱處理有關(guān)，銅基合金通過形變和熱處理來改善彈性的工作是由蘇聯(lián)及日本科學(xué)工作者進(jìn)行的.研究工作指出，合金的熔煉條件、變形的溫度、速度、方向及方法、晶粒度以及從終止變形到開始退火之間的停歇時(shí)間等均能給形變、熱處理后的合金性能以重大的影響.塑性變形明顯地提高銅基彈性合金的彈性極限、抗拉強(qiáng)度和硬度等.對(duì)黃銅采取形變熱處理的方式，使沉淀和再結(jié)晶同時(shí)進(jìn)行，形成細(xì)小的顯微雙相組織，具有良好的機(jī)械性能，同時(shí)容易加工.冷軋板從0.4 mm軋到0.2 mm經(jīng)過形變與熱處理過程.在這個(gè)過程中，明顯提高了合金的抗拉強(qiáng)度及硬度.

4 結(jié) 論

1）鋁增強(qiáng)了合金的基體強(qiáng)度，合金的最低硬度達(dá)到228 HV （0.2 mm），最小抗拉強(qiáng)度為760 MPa（0.2 mm）.

2）Al能使合金α相區(qū)顯著縮小，β相區(qū)域增加起到細(xì)化晶粒的作用.合金的機(jī)械性能隨Al含量增加，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度提高，而延伸率和沖擊韌性下降.Al含量為3.0%時(shí)，0.2 mmY態(tài)板材硬度達(dá)到255 HV、抗拉強(qiáng)度達(dá)到820 MPa.

3）0.2mm合金板材硬度、抗拉強(qiáng)度、延伸率比0.4 mm板材高.

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