超高強(qiáng)Cu-20Ni-20Mn-0.6Si合金的制備以及力學(xué)性能研究

唐帥康 肖柱 龔深

摘 要：本文制備了一種質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Cu-20Ni-20Mn-0.6Si的合金，并研究了該合金最佳的時(shí)效工藝。結(jié)果表明，合金最佳的時(shí)效處理工藝為350℃時(shí)效24h，合金第二相析出物在晶粒內(nèi)部細(xì)小而分布均勻。該時(shí)效制度下，合金的抗拉強(qiáng)度為1220MPa，屈服強(qiáng)度為985MPa，伸長(zhǎng)率為6.0%。具有優(yōu)異的強(qiáng)度與塑性，其強(qiáng)塑積幾乎是其他各類超高強(qiáng)銅合金的兩倍。

關(guān)鍵詞：超高強(qiáng)銅合金;時(shí)效;力學(xué)性能;合金組織

超高強(qiáng)銅合金不僅擁有高強(qiáng)度、高硬度以及良好的彈性性能，而且其耐海水腐蝕、耐磨損以及抗疲勞斷裂等性能也相當(dāng)不錯(cuò)[1]。近年來(lái)開(kāi)發(fā)新型無(wú)鈹?shù)某邚?qiáng)銅合金就成為了國(guó)內(nèi)外銅合金研究領(lǐng)域的一個(gè)重點(diǎn)方向。因此本文設(shè)計(jì)了一種成分為Cu-20Ni-20Mn-0.6Si的銅合金，旨在開(kāi)發(fā)一種無(wú)鈹超高強(qiáng)高塑銅合金。采用真空熔煉的方法制備該合金，并通過(guò)均勻化處理、熱軋、固溶、冷軋、時(shí)效等工藝對(duì)合金進(jìn)行加工處理。通過(guò)調(diào)節(jié)時(shí)效處理工藝的參數(shù)來(lái)探索該合金的力學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

真空熔煉的Cu-Ni-Mn-Si合金鑄錠首先被切割成塊狀，然后通過(guò)機(jī)械銑削去除表面缺陷。鑄錠在920℃下均勻化處理8h，然后在850℃下熱軋，厚度由25mm軋至7.5mm。750℃處理2h后冷軋至1.5mm。最后，對(duì)軋至后的帶材進(jìn)行630℃×2h固溶和不同溫度的時(shí)效處理。硬度測(cè)試是在HV-5維氏硬度計(jì)上進(jìn)行的，載荷為5kg，加載時(shí)間為15s。合金的室溫拉伸試驗(yàn)依據(jù)GB/T228.1-2010進(jìn)行測(cè)試，拉伸試驗(yàn)在WDW-200電子萬(wàn)能拉伸機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。使用Sirion200場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行了樣品的微觀結(jié)構(gòu)觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 合金時(shí)效前組織觀察

由于合金熔煉冷卻速度較慢，合金中的合金元素含量高，合金元素的擴(kuò)散不均勻，易在基體內(nèi)部聚集，形成了枝晶組織[2]。均勻化處理后，這種對(duì)后續(xù)加工和合金性能不利的枝晶組織基本消失。在后續(xù)的熱軋以及冷軋的工藝過(guò)程中，合金粗大的晶粒得到破碎。固溶處理后所得的組織晶粒細(xì)小且均勻，平均晶粒尺寸約為20μm。

2.2 合金時(shí)效制度研究

圖1（a）為合金在250℃～500℃時(shí)效的硬度曲線，由圖可見(jiàn)，合金300℃～420℃的時(shí)效-硬度曲線的變化趨勢(shì)大致相同。在時(shí)效時(shí)間為24h左右，合金的硬度值達(dá)到峰值。其中時(shí)效溫度350℃時(shí)，合金硬度的增長(zhǎng)速度最快，且硬度值最高為24h對(duì)應(yīng)的490HV。因此Cu-20Ni-20Mn-0.6Si合金的較佳時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間為350℃和24h。圖1（b）為時(shí)效態(tài)合金經(jīng)50000倍放大后的掃描照片，可以看出，合金第二相析出物在晶粒內(nèi)部細(xì)小而分布均勻。

對(duì)350℃時(shí)效24h的合金樣品進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果為合金的抗拉強(qiáng)度為1220MPa，屈服強(qiáng)度為985MPa，伸長(zhǎng)率為6.0%。圖2（a）和（b）分別為各類超高強(qiáng)銅合金的抗拉強(qiáng)度與強(qiáng)塑積（合金抗拉強(qiáng)度與延長(zhǎng)率的乘積）對(duì)比圖，圖中反應(yīng)出Cu-20Ni-20Mn-0.6Si比其他類型的超高強(qiáng)銅合金具有更加優(yōu)良的力學(xué)性能，尤其是合金的強(qiáng)塑積幾乎是其他超高強(qiáng)度銅合金的兩倍。其原因?yàn)榻?jīng)過(guò)一系列的大變形和熱處理加工方法得出來(lái)的晶粒細(xì)小均勻，析出的第二相分散均勻且尺寸為亞微米級(jí)的合金組織，對(duì)合金的綜合力學(xué)性能有顯著的提高[3]。同時(shí)由于合金的基體為微米級(jí)的銅合金組織，細(xì)晶組織單位體積內(nèi)大面積的晶界在變形過(guò)程中能起到協(xié)同變形的作用，因此合金能在高強(qiáng)度的同時(shí)保持較好的塑性。

3 結(jié)論

合金最佳的時(shí)效工藝為350℃時(shí)效24h，合金第二相析出物在晶粒內(nèi)部細(xì)小而分布均勻。該時(shí)效制度下，合金的抗拉強(qiáng)度為1220MPa，屈服強(qiáng)度為985MPa，伸長(zhǎng)率為6.0%。具有良好的綜合強(qiáng)度與塑性，其強(qiáng)塑積幾乎是其他各類超高強(qiáng)銅合金的兩倍。

參考文獻(xiàn)：

[1]張智強(qiáng)，郭澤亮，雷竹芳.銅合金在艦船上的應(yīng)用[J].材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2006，21（5）：43-46.

[2]鐘衛(wèi)佳，馬可定，吳維治.銅加工技術(shù)實(shí)用手冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007：101-252.

[3]W.Xie，Q.Wang，X.Mi，et al.Microstructure evolution and properties of Cu-20Ni-20Mn alloy during aging process[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2015，25：3247-3251.