CuNi2Si銅合金復(fù)合板的組織和性能研究

劉建偉　郭勵武

摘要：研究了不同時效溫度、時間對CuNi2Si銅合金復(fù)合板組織和性能的影響，并選擇合適的硬度檢測來表征CuNi2Si銅合金復(fù)層的硬度值。結(jié)果表明，在時效過程中第二相的析出，受溫度和時間的影響;（500℃，2h）時效時，HV5硬度值為180- 190;CuNi2Si銅合金復(fù)合板在固溶（900℃，10 min）、時效（600℃，1.5 h）熱處理制度下，具有符合用戶要求的硬度指標，具備硬度、強度等優(yōu)良的機械性能。

關(guān)鍵詞：CuNi2Si;銅合金復(fù)合板;時效處理;HV5硬度

中圖分類號：TG166.2;TG146.11

文獻標識碼：A

DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2019.10.035

1 前言

CuNi2Si銅合金復(fù)合板以銅為復(fù)層，碳鋼為基層，通過爆炸焊接或軋制的方法使兩種金屬通過冶金結(jié)合為整體。該產(chǎn)品可以節(jié)約鎳硅青銅合金，并且兼具高強度、中等導(dǎo)電性、優(yōu)良的耐蝕、耐磨、抗疲勞性能和基材的優(yōu)良熱冷加工性。CuNi2Si是Cu-Ni-Si三元系為基的合金，Ni和Si形成化合物Ni2Si，CuNi2Si相圖為偽二元合金相圖，Ni2Si在960℃共晶溫度下溶解度為8.5%，室溫時下降為0.5%，因此有較強的固溶、時效強化作用[1]。當(dāng)合金中的Ni和Si含量比為4：1時，可全部形成Ni2Si強化相，合金含量比小于4時，雖有較高的強度和硬度，但其導(dǎo)電率與塑性會降低。

復(fù)合板的熱處理主要是消除爆破應(yīng)力，同時需保持基板、復(fù)板的各自特性[2]，CuNi2Si銅合金復(fù)合板用戶要求目標硬度值在100 - 140 HB，為此分析不同熱處理工藝對組織性能的影響。

2 實驗材料和方法

CuNi2Si銅合金復(fù)合板通過軋制法生產(chǎn)制得，其材質(zhì)為CuNi2Si+Q235B，規(guī)格為（1.2+5） mm和（0.5+2） mm，化學(xué)成分如表1所示。

熱處理試驗在箱式電阻爐進行，熱處理爐溫度控制在土10℃，時效處理采用450 - 700℃，時效時間l-3h，分別對相應(yīng)的試驗結(jié)果和數(shù)據(jù)進行分析，并進行了金相檢測及復(fù)層厚度測量。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 力學(xué)性能分析

力學(xué)性能試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2可看出，產(chǎn)品的冷軋與熱軋兩種交貨狀態(tài)的機械性能有很大區(qū)別，熱軋態(tài)的交貨狀態(tài)產(chǎn)品質(zhì)量滿足GB/T8165-2008關(guān)于軋制復(fù)合板的質(zhì)量要求，有良好的可加工性;冷軋態(tài)伸長率只有2%，并且內(nèi)彎時Q235B開裂，經(jīng)過時效處理后產(chǎn)品質(zhì)量有了一定提高，但是伸長率仍然不合格，固溶處理后各項指標合格，但較熱軋態(tài)強度指標偏高。

3.2 硬度值分析

一般采用布氏硬度檢測和測量CuNi2Si的硬度，布氏硬度是以一定大小的試驗載荷，將一定直徑的淬硬鋼球或硬質(zhì)合金球壓入被測金屬表面，保持規(guī)定時間，然后卸荷，測量被測表面壓痕直徑。布氏硬度值是載荷除以壓痕球形表面積所得的商。通過測試一組試樣，并測量壓痕深度，深度已超過復(fù)層厚度測量。采用布氏硬度的方法不能充分反映出復(fù)層硬度值。因此采用維氏硬度進行表征CuNi2Si復(fù)合板復(fù)層硬度值，并對比了HVI、HV5、HVIO的壓痕及試驗結(jié)果，最終選用HV5。硬度值與溫度、時間的等值線如圖1所示。

將冷軋銅+鋼復(fù)合板固溶處理后，分別在450 - 700℃區(qū)間進行時效處理，時效時間l-3h，共進行了32組試驗，并繪制了等值線圖。從圖1可以看出，當(dāng)時效溫度為500℃時，硬度不受時效時間的影響;當(dāng)硬度超過600℃時，隨著時間的增加硬度值逐漸降低;當(dāng)時間固定時，硬度值隨著溫度的升高而降低。硬度值在時效處理500℃，2h時達到峰值，HV5為186，192，189。上述合金硬度的變化，是由于在一定溫度時效時，銅合金內(nèi)部原子動能增加，化合物Ni2Si濃度大，但固溶度降低，因此以細小粒子均勻分布在固溶體的晶粒之中時，合金的塑性、韌性稍有下降，而強度、硬度有所增加。隨著時效時間的延長，基體中固溶元素濃度減少，析出動力減小，析出速度減慢，因此硬度上升趨勢變緩。隨著溫度的升高和時間的增加，析出的相會逐漸長大，由于化合物Ni2Si濃度的降低，析出的新的細小粒子的動力不足。

從圖2可以看出，軋制態(tài)銅合金單相α固溶體，在不同時效溫度下，組織內(nèi)部均有析出相黑色顆粒，隨著時效溫度的升高和析出相逐漸增多、增大，且更加彌散。CuNi2Si銅合金復(fù)合板結(jié)合層顯微組織如圖3所示。CuNi2Si銅合金復(fù)合板結(jié)合層金相組織[3]上層為CuNi2Si銅合金，下層為Q235B，中間結(jié)合層平直，符合軋制板的基本特征。熱軋態(tài)復(fù)層側(cè)后，經(jīng)測量復(fù)層厚度在1.2 mm。

3.3 金相分析

CuNi2Si銅合金復(fù)合板在不同時效溫度的顯微組織如圖2所示。

4 結(jié)論

根據(jù)力學(xué)性能、硬度實驗數(shù)據(jù)、金相分析，并結(jié)合用戶的要求最終確定了兩種工藝方案，根據(jù)實驗結(jié)果如表3所示，最終確定了方案一，并為用戶提供了合格產(chǎn)品。

CuNi2Si銅合金復(fù)合板經(jīng)過熱軋+冷軋后再進行固溶時效處理，達到了用戶要求的目標硬度值，各項力學(xué)性能指標均達到了使用要求，有良好的機械性能。

CuNi2Si銅合金復(fù)合板在時效過程中，析出了第二相。第二相與位錯產(chǎn)生強烈的交互作用，使合金進一步強化，合金具有明顯的晶界析出特點[4]。檢測復(fù)合板的硬度應(yīng)根據(jù)不同的材質(zhì)和復(fù)層厚度選用合適的硬度檢測方法，復(fù)層的厚度和基層的材質(zhì)會影響復(fù)合板硬度檢測。

參考文獻：

[1]潘建躍，劉和法，謝春生，等.時效冷卻方式對CuNi2Si合金組織和性能的影響[J].金屬熱處理，1993 （4）： 24-27.

[2]鄭遠謀.爆炸焊接和爆炸復(fù)合材料[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2017.

[3]胡蘭青，衛(wèi)英慧，許并社，等.爆炸焊接鋼，鋼復(fù)合板接合界面微觀結(jié)構(gòu)分析[J].金屬熱處理學(xué)報，2004，25（1）： 46-48.

[4]張文芹.熱處理對CuNi2Si合金組織和性能的影響[J].上海有色金屬，2015 （6）： 47-51.