銀銅合金鑄態(tài)球晶組織的研究

張國良 向雄志 夏靜

摘要：銀銅合金鑄態(tài)組織中球晶的獲得，將為低銀高銅的銀銅合金制備電接觸材料提供可能。試驗在銀銅合金（w（Cu）=50.0 %）中添加了Co、Si元素，采用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡對銀銅合金的金相和顯微結(jié)構(gòu)進行分析。試驗結(jié)果表明：單獨添加Co、Si元素不會產(chǎn)生球晶組織;復(fù)合添加Co-Si元素時，富銅相樹枝晶被打斷，晶粒球化，出現(xiàn)球晶組織。該球晶組織由3層結(jié)構(gòu)組成，黑色核心的CoSix化合物顆粒、灰色區(qū)域的富銅相和白色包圍帶的富銀相。

關(guān)鍵詞：銀銅合金;球晶組織;鑄態(tài)組織;樹枝晶;富銅相

中圖分類號：O76文獻標志碼：A

文章編號：1001-1277（2020）07-0007-05?doi：10.11792/hj20200702

在金屬或合金正常的凝固過程中，由于成分過冷，多以樹枝晶狀結(jié)晶，而不會以粒狀結(jié)晶[1]。因此，在正常的凝固過程中很難得到具有粒狀結(jié)構(gòu)的球晶組織[2-4]。銀銅合金是一種重要的電接觸材料，對于低銀高銅的銀銅合金，銅在凝固過程中容易析出，形成富銅相樹枝晶[5]，很難通過內(nèi)氧化獲得顆粒狀氧化物。銀銅合金鑄態(tài)組織中球晶的獲得，將為低銀高銅的銀銅合金制備電接觸材料提供可能。目前，銀銅合金體系中尚未有球晶組織獲得的相關(guān)研究[6-7]。作者在實驗室的研究中發(fā)現(xiàn)，通過在銀銅合金熔煉鑄造過程中添加Co、Si等2種元素，會影響合金凝固過程中銅、銀的擴散，從而獲得球晶組織。本文通過在銀銅合金（w（Cu）=50.0 %）中加入Co、Si等2種元素，研究了Co、Si元素的添加對銀銅合金顯微組織的影響，并探討了球晶組織的形成過程。

1?試驗方法

試驗以銀銅合金（w（Cu）=50.0 %）為基礎(chǔ)，以Co、Si元素代替Ag設(shè)計了一系列的銀銅合金，其成分分析結(jié)果見表1。合金熔煉的原料采用純度為99.5 %的電解銀、電解銅及純度為99.99 %的鈷粒、硅粒，其中 Co、Si分別以銅鈷中間合金、銅硅中間合金的形式加入電解銀中。采用真空高頻感應(yīng)爐及氬氣保護氣氛進行合金熔煉，鑄造過程中石膏熔模溫度為600 ℃，澆鑄溫度為1 025 ℃。鑄錠經(jīng)冷軋后線切割成尺寸為6 mm×6 mm×2 mm的樣品，然后經(jīng)700 ℃真空退火處理。

將銀銅合金樣品采用砂紙粗磨、精磨后，再進行機械粗拋、精拋，要求拋光后表面無劃痕[8]。利用OLYMPAS GX71金相顯微鏡進行金相分析，日立S4800掃描電子顯微鏡進行顯微結(jié)構(gòu)和元素組成分析。金相刻蝕液采用新配置的混合溶液（V（H2O2）∶V（NH4OH）∶V（H2O）=2∶1∶1）。

2?結(jié)果分析與討論

2.1?鑄態(tài)合金的組織變化

銀銅合金（w（Cu）=50.0 %）為過共晶合金，其在凝固時鑄態(tài)組織主要由大量的樹枝晶狀富銅相和少量的共晶相組成。分別添加Co、Si元素及復(fù)合添加Co-Si元素的銀銅合金鑄態(tài)組織金相圖見圖1。

由圖1可知：1#銀銅合金的鑄態(tài)組織為典型樹枝晶組織，分別添加Co、Si元素的2#、3#銀銅合金的鑄態(tài)組織仍為樹枝晶組織，并未發(fā)生變化。復(fù)合添加Co-Si元素的4#銀銅合金鑄態(tài)組織的樹枝晶被打斷，晶粒明顯球化，出現(xiàn)球晶組織;這表明在銀銅合金（w（Cu）=50.0 %）中復(fù)合添加Co-Si元素才能改變初生富銅相樹枝晶組織，出現(xiàn)球晶組織。

試驗研究了Co-Si元素復(fù)合添加量對銀銅合金（w（Cu）=50.0 %）鑄態(tài)組織球化程度的影響。不同Co-Si元素復(fù)合添加量的銀銅合金鑄態(tài)組織金相圖見圖2。

由5#、6#、7#銀銅合金的鑄態(tài)組織變化可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)Co元素添加量由0.1 %增加至0.3 %時，銀銅合金的初生富銅相晶粒被球化的程度明顯增大，晶粒也隨之變細。由7#、4#、8#銀銅合金的鑄態(tài)組織變化可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)Co元素添加量從0.3 %增加到0.5 %時，銀銅合金的初生富銅相晶粒被球化的程度略微增大，但7#銀銅合金的晶粒最為細小。由7#、9#銀銅合金的鑄態(tài)組織變化可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)Si元素添加量從0.2 %增加到0.6 %時，銀銅合金的初生富銅相晶粒被球化的程度已經(jīng)有所減弱。綜合考慮，7#銀銅合金的Co-Si元素復(fù)合添加量能夠獲得晶粒細小、球化程度高的球晶組織。

2.2?鑄態(tài)合金的顯微成分

7#銀銅合金球晶組織的SEM圖見圖3，元素分布面掃描結(jié)果見圖4。

由圖3可知：大多數(shù)球晶組織由黑色核心、灰色區(qū)域和白色包圍帶3層結(jié)構(gòu)組成，這種典型的結(jié)構(gòu)在復(fù)合添加Co-Si元素的銀銅合金中是常見的。

由圖4可知：球晶組織的灰色區(qū)域是銅偏析聚集形成的富銅相，白色包圍帶是銀偏析聚集形成的富銀相，而富銅相的黑色核心是Co、Si等2種元素偏析聚集形成的顆粒相。同時，在銀銅合金的基體中還固溶有少量Si元素。這表明復(fù)合添加Co-Si元素后形成了化合物顆粒相，這種化合物顆粒相作為異質(zhì)形核點，提高了初生富銅相的析出，并改變了初生富銅相的大小和形貌。

為了研究復(fù)合添加Co-Si元素形成的化合物顆粒相，對7#銀銅合金球晶組織進行線掃描，結(jié)果見圖5。

由圖5可知：線掃描穿過灰色區(qū)域的黑色核心時，Co、Si元素的質(zhì)量分數(shù)均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，且增加和減少的量固定。因此，根據(jù)Co、Si的質(zhì)量分數(shù)百分比，計算出Co和Si的原子比為1.5，可推算出形成的化合物顆粒相為Co3Si2。但是，結(jié)合Co-Si合金二元相圖[9] ，并不存在Co3Si2化合物，只存在Co2Si、CoSi等化合物。據(jù)此可推斷，Co、Si元素所形成的化合物顆粒為Co2Si和CoSi的混合物，簡寫為CoSix。CoSix化合物顆粒被富銅相包圍，富銅相溶有少量銀，其中銅質(zhì)量分數(shù)約為80 %，銀質(zhì)量分數(shù)約為10 %。初生富銅相晶界處的銀質(zhì)量分數(shù)約100 %，即Ag在富銅相相界面處偏析聚集。

2.3?球晶組織的形成過程

7#銀銅合金的凝固過程見圖6。在銀銅合金（w（Cu）=50.0 %）中復(fù)合添加Co-Si元素，形成了熔點比銀銅合金高的二元化合物顆粒，且分散在銀銅合金基體中。在銀銅合金凝固過程中，這種化合物顆粒首先形成，并作為非均勻形核的異質(zhì)點，提高了初生富銅相的析出。大量初生富銅相的不斷析出，導(dǎo)致液相中的銀質(zhì)量分數(shù)不斷增加。此時，液相中大量的銀在富銅相的周圍偏析聚集，抑制了富銅相的生長，并增大了固液相的成分過冷度。隨著凝固的進行，大量偏析聚集的銀放熱形成富銀相，同時對細小的富銅相樹枝晶產(chǎn)生熔斷效應(yīng)，從而產(chǎn)生球晶組織。因此，在銀銅合金中出現(xiàn)許多細小的球晶組織，而基體中少量的共晶相未發(fā)生變化。

3?結(jié)?論

1）銀銅合金（w（Cu）=50.0 %）中單獨添加Co、Si元素時，其鑄態(tài)組織仍為富銅相樹枝晶，不會出現(xiàn)球晶組織;復(fù)合添加Co-Si元素時，富銅相樹枝晶被打斷，晶粒球化，出現(xiàn)球晶組織。

2）銀銅合金（w（Cu）=50.0 %）中Co-Si元素復(fù)合添加量分別為0.3 %、0.2 %時，球晶組織的球化程度明顯，晶粒細小。

3）銀銅合金（w（Cu）=50.0 %）中球晶組織由黑色核心、灰色區(qū)域和白色包圍帶組成。黑色核心為Co2Si和CoSi等2種化合物的混合物（CoSix）、灰色區(qū)域為富銅相，白色包圍帶為銀聚集而產(chǎn)生的富銀相。

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