時(shí)效工藝對(duì)Cu-1.9Be-0.25Co合金析出行為的影響

王 磊，葛 頌，郭鵬偉，康軍偉，周 堅(jiān)，梁 蒙，楊 瑩，周延軍

(1.河南省特種設(shè)備安全檢測(cè)研究院, 鄭州 450008；2.河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，洛陽(yáng) 471023；3.有色金屬新材料與先進(jìn)加工技術(shù)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，洛陽(yáng) 471023)

0 引 言

鈹青銅合金作為典型的時(shí)效析出強(qiáng)化型銅合金，具有高的強(qiáng)度和硬度、良好的抗熱疲勞性能以及優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱等性能[1-3]，廣泛應(yīng)用于航空航天、電子通訊、機(jī)械制造、海洋工程等領(lǐng)域，尤其對(duì)于安全可靠性要求較高的電梯安全鉗制動(dòng)關(guān)鍵部件，因其在服役過(guò)程承受高載荷、高速制動(dòng)高溫升、嚴(yán)重磨損等條件，對(duì)其硬度和耐磨性能的要求更高[4-7]。

目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究主要集中在通過(guò)調(diào)控?zé)崽幚砉に噮?shù)來(lái)改善鈹青銅合金組織和性能等方面。唐延川[8]研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)Cu-Be-Co-Ni合金進(jìn)行320 ℃預(yù)時(shí)效0.5 h然后進(jìn)行斷續(xù)時(shí)效處理，可以顯著提升合金的韌性，與常規(guī)的固溶后直接時(shí)效工藝相比，平面應(yīng)力斷裂韌度提升了23%，斷裂過(guò)程中裂紋萌生及擴(kuò)展所需能量分別提高了84%和近200%。丁雨田等[9]研究發(fā)現(xiàn)，QBe2合金的最佳固溶處理工藝為780 ℃×10 min水淬、時(shí)效工藝為320 ℃×2 h空冷，經(jīng)此工藝處理后合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 257 MPa。王迎鮮等[10-11]研究發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)范圍內(nèi)Cu-0.2Be-xCo合金中鈷元素的最佳添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，該合金經(jīng)950 ℃×1 h固溶+460 ℃×2 h時(shí)效后可獲得優(yōu)良的綜合性能，其導(dǎo)電率為57.1%IACS，硬度為243 HV，析出相為橢球狀的Be12Co。XIE等[4]研究發(fā)現(xiàn)，C17200合金在320 ℃時(shí)效過(guò)程中的析出相遵循GP區(qū)(脫溶產(chǎn)物區(qū))→γ″→γ′→γ相的析出順序，時(shí)效4 h后合金組織以γ″和γ′相為主，此時(shí)合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了峰值。周延軍[12]研究發(fā)現(xiàn)，低鈹高導(dǎo)Cu-0.2Be-0.8Co合金經(jīng)950 ℃×1 h固溶、480 ℃×4 h時(shí)效處理后可獲得最佳的性能，合金的硬度為119 HB，導(dǎo)電率為71.6%IACS，析出相為Be5Co相，時(shí)效過(guò)程中析出相的析出順序?yàn)檫^(guò)飽和α固溶體→亞穩(wěn)γ″相→共格γ′相→非共格γ相，主導(dǎo)強(qiáng)化機(jī)制為共格應(yīng)變強(qiáng)化。王晶莉等[13]研究發(fā)現(xiàn)，QBe2.0合金經(jīng)280 ℃時(shí)效8 h后達(dá)到峰時(shí)效狀態(tài)，硬度可達(dá)362.7 HV，抗拉強(qiáng)度達(dá)1 214.9 MPa。但是，目前有關(guān)服役工況較為苛刻的電梯安全鉗用鈹青銅合金的熱處理工藝對(duì)組織和性能的影響規(guī)律尚不清楚，最佳熱處理工藝參數(shù)的調(diào)控研究較少。因此，作者以電梯安全鉗常用的Cu-1.9Be-0.25Co合金為研究對(duì)象，對(duì)該合金進(jìn)行780 ℃×4 h固溶處理以及不同溫度和不同時(shí)間的時(shí)效處理，研究了合金的硬度變化趨勢(shì)和析出相的特征，并分析二者之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，以期為安全鉗用銅合金的開(kāi)發(fā)提供工藝指導(dǎo)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料包括電解銅(純度不低于99.99%)、純鈷片(純度不低于99.95%)、Cu-3.8Be(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%,下同)中間合金。采用ZG JL0.01-4C-4型真空感應(yīng)熔煉爐制備Cu-1.9Be-0.25Co合金，制備過(guò)程中所采用的坩堝為高純石墨坩堝，熔煉時(shí)的加料順序依次為電解銅、純鈷片、Cu-3.8Be中間合金，熔煉溫度為1 250 ℃，熔煉時(shí)使用木炭覆蓋以達(dá)到脫氧的目的；經(jīng)除氣、除渣等處理后，將金屬熔液澆注到金屬型模具中進(jìn)行凝固，澆注溫度為1 180～1 200 ℃。參考QBe1.9合金的最佳固溶工藝參數(shù)以及前期探索性試驗(yàn)[14]，確定了該合金的固溶工藝為780 ℃保溫4 h，水冷；采用SX22.510型箱式電阻爐對(duì)經(jīng)780 ℃×4 h固溶處理后的合金進(jìn)行不同工藝的時(shí)效處理，時(shí)效溫度分別為300，320，340，360 ℃，時(shí)效時(shí)間分別為1，2，4，8，16 h。

采用HHV-1000A型數(shù)顯顯微硬度計(jì)對(duì)合金的硬度進(jìn)行測(cè)試，載荷為0.98 N，保載時(shí)間為10 s。利用線切割方法切取厚度為0.5 mm的薄片試樣，用砂紙機(jī)械打磨至厚度為50～70 μm，用沖片機(jī)將試樣沖成直徑為3 mm的圓片，并通過(guò)Gatan 695型離子減薄儀進(jìn)行等離子減薄，采用FEI Talos F200X型透射電子顯微鏡(TEM)觀察不同時(shí)效時(shí)間下析出相的形貌、尺寸、結(jié)構(gòu)、分布等。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 時(shí)效工藝對(duì)硬度的影響

由圖1可知，在同一時(shí)效溫度下，時(shí)效初期合金的硬度均大幅提高，隨著時(shí)效時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)硬度基本保持不變。固溶態(tài)合金的硬度為140 HV，在不同溫度時(shí)效較短時(shí)間內(nèi)(0～2 h)，合金的硬度快速升高，是由時(shí)效過(guò)程中飽和固溶體發(fā)生脫溶，第二相開(kāi)始析出，時(shí)效早期析出驅(qū)動(dòng)力較大導(dǎo)致的[15]。在300，320，340，360 ℃時(shí)效溫度下經(jīng)2 h時(shí)效處理后合金的硬度分別為365，412，413，384 HV，與固溶態(tài)相比，硬度分別提高了160.1%，194.3%，195%，172.1%。隨著時(shí)效時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)(2～8 h)，300，320，340 ℃溫度下合金的硬度隨時(shí)間的延長(zhǎng)緩慢升高，這是由時(shí)效過(guò)程中隨著溶質(zhì)原子不斷析出，過(guò)飽和度下降，析出動(dòng)力減小導(dǎo)致的，時(shí)效8 h后硬度分別為389，422，415，381 HV；隨著時(shí)效時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)(8～16 h)，320，340，360 ℃溫度下合金硬度均略有下降，時(shí)效16 h后的硬度分別為396，382，362 HV，與時(shí)效8 h相比，硬度分別降低了6.2%，8.0%，5.7%，而300 ℃溫度下合金的硬度繼續(xù)緩慢增高至峰值391 HV，此時(shí)硬度對(duì)時(shí)效時(shí)間的敏感性比對(duì)時(shí)效溫度的敏感性高。綜合比較可知，在試驗(yàn)條件下Cu-1.9e-0.25Co合金在320 ℃×8 h時(shí)效工藝下可獲得較高的硬度。

圖1 不同時(shí)效溫度下Cu-1.9e-0.25Co合金的硬度隨時(shí)效時(shí)間的變化曲線Fig.1 Curves of hardness of Cu-1.9e-0.25Co alloy vs agingtime at different aging temperatures

2.2 時(shí)效工藝對(duì)析出相特征的影響

Cu-1.9e-0.25Co合金的峰時(shí)效工藝為320 ℃×8 h，且該時(shí)效溫度下不同時(shí)效時(shí)間下的硬度均較高，因此重點(diǎn)研究320 ℃分別時(shí)效1，2，4，8，16 h過(guò)程中合金析出相的特征演變規(guī)律。

圖2 經(jīng)320 ℃×1 h時(shí)效后Cu-1.9Be-0.25Co合金析出相的TEM形貌和衍射花樣Fig.2 TEM morphology (a) and diffraction pattern (b-d) of precipitates of Cu-1.9Be-0.25Co alloy after aging at 320 ℃ for 1 h: (b) selectedarea electron diffraction pattern; (c) diagram of selected area electron diffraction pattern and (d) high resolution lattice diffraction fringe image

圖3 經(jīng)320 ℃×2 h時(shí)效后Cu-1.9Be-0.25Co合金析出相的TEM形貌和衍射花樣Fig.3 TEM morphology (a) and diffraction pattern (b-c) of precipitates of Cu-1.9Be-0.25Co alloy after aging at 320 ℃ for 2 h:(b) selected area electron diffraction pattern and (c) high resolution lattice diffraction fringe image

圖4 經(jīng)320 ℃×4 h時(shí)效后Cu-1.9Be-0.25Co合金析出相的TEM形貌和衍射花樣Fig.4 TEM morphology (a) and diffraction pattern (b-d) of precipitates of Cu-1.9Be-0.25Co alloy after aging at 320 ℃ for 4 h: (a)TEM morphology of precipitates; (b) selected area electron diffraction pattern; (c) schematic of selected area electron diffraction pattern and (d) high resolution lattice diffraction fringe image

由圖5可以看出，當(dāng)時(shí)效時(shí)間為8 h時(shí)，合金中的析出相數(shù)量減少，但尺寸明顯增大，長(zhǎng)度為30～100 nm，寬度為4～11 nm，尺寸差異比較大。共格的γ′析出相仍為體心四方結(jié)構(gòu)，與銅基體的位向關(guān)系為(002) α∥(001) γ′ 和 [011]α∥[100]γ′。由錯(cuò)配度公式得到析出相與基體錯(cuò)配度為7.2%，表明析出相γ′與基體之間為半共格關(guān)系，但共格程度比時(shí)效時(shí)間為4 h時(shí)的強(qiáng)。析出相周圍彈性應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)一步增多，即晶格畸變的程度進(jìn)一步增加，對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用也進(jìn)一步增大，合金的硬度進(jìn)一步提高。

圖5 經(jīng)320 ℃×8 h時(shí)效后Cu-1.9Be-0.25Co合金析出相的TEM形貌和衍射花樣Fig.5 TEM morphology (a) and diffraction pattern (b-c) of precipitates of Cu-1.9Be-0.25Co alloy after aging at 320 ℃ for 8 h:(b) selected area electron diffraction pattern and (c) high resolution lattice diffraction fringe image

圖6 經(jīng)320 ℃×16 h時(shí)效后Cu-1.9Be-0.25Co合金析出相的TEM形貌和衍射花樣Fig.6 TEM morphology (a) and diffraction pattern (b-c) of precipitates of Cu-1.9Be-0.25Co alloy after aging at 320 ℃ for 16 h: (b) selected area electron diffraction pattern and (c) high resolution lattice diffraction fringe image

Cu-1.9Be-0.25Co合金的硬度主要與析出相的形貌、尺寸、數(shù)量、析出相/基體共格關(guān)系等特征參量有關(guān)。時(shí)效初期(1～2 h)，合金中的析出動(dòng)力大，析出相尺寸較小，數(shù)量較多，硬度快速升高；時(shí)效中期(2～8 h)，析出相數(shù)量基本達(dá)到平衡，尺寸增大，析出相與基體保持半共格的關(guān)系，析出相周圍彈性應(yīng)變場(chǎng)增多，合金硬度保持在較高水平，且在時(shí)效8 h時(shí)合金達(dá)到峰時(shí)效狀態(tài)；時(shí)效后期(816 h)，析出相和基體脫離共格關(guān)系，合金發(fā)生過(guò)時(shí)效，硬度降低。

3 結(jié) 論

(1) 不同時(shí)效溫度下Cu-1.9Be-0.25Co合金硬度隨時(shí)效時(shí)間的變化趨勢(shì)基本相同，在時(shí)效初期(1～2 h)先急劇增加，后隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)基本保持不變。在試驗(yàn)條件下，Cu-1.9Be-0.25Co合金經(jīng)320 ℃×8 h時(shí)效處理后，其硬度達(dá)到峰值，為422 HV。

(2) Cu-1.9Be-0.25Co合金經(jīng)320 ℃和不同時(shí)間時(shí)效后，其析出相的演變規(guī)律為非共格亞穩(wěn)γ″相→半共格γ′相→非共格平衡γ相，主導(dǎo)強(qiáng)化機(jī)制為共格應(yīng)變強(qiáng)化機(jī)制，析出相CuBe相結(jié)構(gòu)由體心四方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)。

(3) 時(shí)效初期(1～2 h)，析出相短時(shí)間內(nèi)大量析出是合金硬度快速升高的主要原因；時(shí)效中期(2～8 h)，析出相與銅基體的半共格關(guān)系是獲得峰時(shí)效的主要原因；時(shí)效后期(816 h)，析出相和基體脫離半共格關(guān)系，合金發(fā)生過(guò)時(shí)效，硬度降低。