復雜錫鎳黃銅合金加工硬化及再結晶溫度的研究

付博聞，劉 峰，廖駿駿，李寶綿，丁 樺

(1.東北大學 材料科學與工程學院，沈陽 110819；2.寧波興業(yè)盛泰集團有限公司 省級企業(yè)技術中心，浙江 寧波 315336；3.東北大學 材料電磁過程研究教育部重點實驗室，沈陽 110819)

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”信息時代的到來，被視為“第四次工業(yè)革命”的信息革命推動著信息產業(yè)的迅速發(fā)展，我國的電子信息產業(yè)也正以前所未有的機遇迅速發(fā)展，已成為國家的支柱產業(yè)之一.電子信息領域對電子元器件的使用需求量也越來越大，而彈性材料在其中扮演著越來越重要的角色.彈性合金因其彈性模量溫度系數(shù)小，易加工成精密件等特性，被廣泛應用于制造端子、彈簧、電器接插件等導電彈性元器件[1-3].目前在國內市場，錫磷青銅和鈹青銅是最常用的銅基彈性合金.其中，錫磷青銅由于含錫量高，在鑄造過程中非常容易產生錫的偏析，鑄造后通常需要經過長時間的均勻化處理，另外由于其加工硬化率高，需要經過多次中間退火，導致合金的生產效率大大降低，成本提高.鈹青銅被稱為“有色金屬彈性之王”，以鈹為主要添加元素的鈹銅合金具有良好的導電導熱性和高彈性能.但因其生產成本高，價格昂貴，對生產條件要求十分苛刻，而且生產時產生的粉塵對作業(yè)人員的健康有危害，對環(huán)境污染非常嚴重，在一定程度上限制了鈹青銅的工業(yè)化應用[4].基于以上情形，發(fā)展一種新型的銅合金滿足當前的市場需求迫在眉睫.

為了獲得高彈性的合金材料，在黃銅合金的基礎上添加微量元素是一種行之有效的方法.鎳在黃銅中可使α相區(qū)擴大，另外，添加鎳具有提高合金強度、韌性、抗脫鋅及抗應力腐蝕開裂的作用，同時可改善合金的加工性能[5].錫的加入不但能提高黃銅的力學性能，還可以抑制黃銅脫鋅，增強合金的耐腐蝕性能，使黃銅對淡水、海水、弱酸性水有相當好的耐腐蝕性能，所以錫黃銅有“海軍黃銅”的美譽[6-7].將一定量的Sn與Ni元素加入到普通黃銅合金中，能夠提高黃銅合金的強度和硬度，獲得較好的彈性性能，而且在制備過程中在很大程度上節(jié)約成本，提高效率，在導電率方面也具有明顯的優(yōu)勢.

本文對Cu-Zn-Sn-Ni合金進行了冷變形，研究了加工硬化對Cu-Zn-Sn-Ni合金力學性能和導電性能的影響，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出了加工硬化程度與該合金各項性能指標所對應的關系.此外，通過對經不同變形率變形的冷軋合金進行不同溫度的退火，研究退火溫度對Cu-Zn-Sn-Ni合金組織及性能的影響，得到合金開始發(fā)生再結晶的溫度范圍，以期為Cu-Zn-Sn-Ni合金板帶材的產業(yè)化提供理論依據(jù).

1 試驗材料及方法

試驗材料為經過熱軋退火的Cu-Zn-Sn-Ni合金帶材，厚度為6.0 mm，其具體化學成分如表1所示.由Cu-Ni相圖可知，Ni在Cu中可以無限固溶；而由Cu-Zn-Sn三元相圖可知，當鋅含量質量分數(shù)由0增加到38%時，Sn在α固溶體中溶解度由15%下降到0.75%[8].本文中的Zn為10%左右，Sn僅為0.6%，因此可以推斷Sn在鑄態(tài)時固溶于基體.

表1 Cu-Zn-Sn-Ni合金的化學成分(質量分數(shù))Table 1 Chemical composition of Cu-Zn-Sn-Ni alloy (mass fraction) %

研究不同壓下量的冷軋變形對Cu-Zn-Sn-Ni合金各項性能的影響，具體變形量如下：6.0→5.4→4.8→4.2→3.6→3.0→2.4→1.8→1.5→1.2→1.0 mm.對不同厚度的合金帶材在200、300、350、400、450、500、550、600 ℃的溫度下進行了1 h的退火處理，確定合金開始發(fā)生再結晶時的溫度.

對經過冷軋變形的試驗樣品，沿軋向切割金相試樣，經研磨、拋光、腐蝕后，在DSX-500光學顯微鏡下觀察其微觀組織.另外，對于不同狀態(tài)下的樣品，分別采用SANS CMT-5105型萬能電子試驗機、MH-5L型數(shù)顯維氏硬度計和Sigmasope SMP10型渦流電導儀對其抗拉強度、延伸率、硬度和導電率進行測試.

2 試驗結果與分析

2.1 變形量與合金性能的關系

圖1(a)示出了Cu-Zn-Sn-Ni合金抗拉強度、延伸率與相對變形量的關系曲線.圖1(b)為Cu-Zn-Sn-Ni合金維氏硬度、導電率與變形量的關系曲線.從圖中可以看出，合金經冷軋變形后，加工硬化效應明顯.隨著變形量的增加，該合金在硬度方面和強度方面都得到了提升，隨之相對應的是合金的延伸率和導電率明顯降低.通過實驗數(shù)據(jù)可以看出，當該合金的變形量在大于75%的情況下時，合金的強度和延伸率趨于穩(wěn)定，強度約為590 MPa，延伸率約為5%左右.對其分析可知，在冷變形中，位錯之間發(fā)生交互作用，形成位錯纏結和割階等，位錯密度會得到很大程度的提升，從而造成合金在強度方面得到了顯著增高，但同時塑性大幅度降低.隨著變形程度的增加，位錯密度達到一定程度后會逐漸穩(wěn)定，該合金在強度方面也就達到了極限值，合金的強度將處于一個穩(wěn)定范圍.

由圖1(b)可知，在加工硬化過程中，Cu-Zn-Sn-Ni合金的維氏硬度與其強度的變化趨勢是一致的，但其導電率變化與變形量的變化趨勢是相反的.當變形量達到75%之后，合金的導電率趨于穩(wěn)定，約為28%IACS，不再有大幅度的變化.這主要是因為在冷塑性變形的情況下，導致晶體缺陷增多，并且隨著晶格畸變程度的加劇，點陣電場的不均勻程度增大，導致電磁波散射的加劇.當變形量達到75%以后，合金內部的晶體點陣畸變和晶體缺陷增量達到了極限，開始趨于穩(wěn)定，因此，此后的冷變形對合金導電率的影響不大.

圖1 不同相對變形量對Cu-Zn-Sn-Ni合金性能的影響曲線Fig.1 Effect of reduction on properties of Cu-Zn-Sn-Ni alloy(a)—抗拉強度、延伸率； (b)—硬度、導電率

2.2 合金性能與退火溫度的關系

圖2為Cu-Zn-Sn-Ni合金在不同退火溫度下抗拉強度、導電率及延伸率的變化曲線.從圖2(a)中可以看出，當退火溫度為200 ℃時，合金強度略有上升.這主要是因為當退火溫度為200 ℃時，α1有序固溶體開始向α2有序固溶體進行轉變，導致合金的強度略有升高.但是隨著退火溫度的持續(xù)升高，變形量為40%、60%、80%的合金強度呈緩慢降低、劇減，最后緩慢減小的變化趨勢，而變形量為20%的合金在450 ℃后強度才開始出現(xiàn)緩慢下降的趨勢.

從圖2(c)可以看出，合金的導電率隨退火溫度的升高呈現(xiàn)先增加，隨后降低的變化趨勢，其中在450 ℃導電率達到最高.合金在塑性變形的過程中產生了大量的空位、位錯，對電子的散射作用增強，所以加工態(tài)材料的導電率較低.隨著退火溫度的升高，晶體缺陷得以消除，使合金的導電率升高.實驗中觀察到了析出相的存在，這種析出過程也會使合金的導電率提高.但當溫度高于450 ℃后，導電率下降，如圖2(c)所示.這可能是由于Cu-Zn-Sn-Ni合金中的析出相在高溫時部分重新回溶，使導電率降低.

圖2 退火溫度對Cu-Zn-Sn-Ni合金抗拉強度、導電率及延伸率的影響Fig.2 The effect of annealing temperature on tensile strength,electrical conductivity and elongation of Cu-Zn-Sn-Ni alloy(a)—抗拉強度；(b)—延伸率；(c)—導電率

2.3 再結晶溫度范圍的研究

抗拉強度-退火溫度曲線斜率變化的最大部分與合金發(fā)生再結晶溫度的范圍是相對應的[9].通過實驗結果可以得到變形量80%的合金開始發(fā)生再結晶的溫度為400～450 ℃，變形量為60%的合金開始再結晶的溫度范圍為450～550 ℃，變形量為40%的合金開始再結晶的溫度范圍為500～550 ℃，變形量為20%的合金再結晶溫度為550 ℃以上.可以發(fā)現(xiàn)，在變形量增大的情況下，合金開始再結晶的溫度范圍是降低的.這是因為隨著冷變形量的增大，合金晶粒的畸變程度隨之增加，導致再結晶時所需要的的驅動力隨之增大，相應地提高了合金的再結晶形核率和晶核的長大速度，從而使合金開始發(fā)生再結晶的溫度范圍降低[10].

2.4 退火溫度對合金組織的影響

圖3為80%變形的Cu-Zn-Sn-Ni合金在不同退火溫度下保溫1h后的顯微組織.合金退火過程時微觀組織的變化主要分為以下三個階段：回復、再結晶和晶粒長大.圖3(a)為冷加工態(tài)，可見晶粒呈現(xiàn)明顯的纖維狀組織.當退火溫度為300 ℃時，晶粒仍呈纖維狀，形狀大小與原始組織相比變化不大(圖3(b)).從圖3(c)中可以看出，當退火溫度達到400 ℃時，冷軋纖維組織中開始出現(xiàn)非常細小的等軸晶粒，說明合金已開始發(fā)生再結晶.當溫度達到450 ℃時，變形晶粒逐漸由無畸變的等軸晶粒代替，如圖3(d)所示.當溫度達到550 ℃時，再結晶基本完成，合金冷軋的纖維狀組織已完全轉變成等軸晶粒(圖3(e)).當進一步升溫達到600 ℃時，晶粒組織開始發(fā)生一定程度的長大，如圖3(f)所示.

圖4為80%變形的Cu-Zn-Sn-Ni合金經不同退火溫度保溫1 h的TEM顯微組織.從圖中可以看出，在退火初期，位錯呈不均勻、局部高密度區(qū)，胞壁處位錯密度較大，而在位錯胞內部較小，如圖4(a)所示.隨著退火溫度的升高，位錯密度有所下降，如圖4(b)所示.當進一步升溫到達500℃時，可以看到無畸變的等軸晶粒代替了變形組織，此時已發(fā)生完全再結晶，如圖4(c)所示.同時，仍可以觀察到一些析出相.

3 結 論

(1)Cu-Zn-Sn-Ni合金經冷軋變形后，加工硬化效果明顯.變形量為80%時，其強度可達590 MPa，延伸率為5.6%，導電率為28.2%IACS.

(2)隨著冷變形量增大，合金的抗拉強度和維氏硬度逐漸升高，延伸率和導電率降低.而當變形量大于75%時，合金的強度、硬度、延伸率和導電率都趨于穩(wěn)定.

(3)合金開始再結晶的溫度范圍隨變形量的增大而降低.研究表明，變形量80%的Cu-Zn-Sn-Ni合金開始發(fā)生再結晶的溫度范圍為400～450 ℃，變形量為60%的合金再結晶溫度為450～550 ℃，變形量為40%的合金再結晶溫度為500～550 ℃，變形量為20%合金的再結晶溫度為550 ℃以上.