高強度銀鉑合金細絲的微觀組織及其性能

牟嘉琪

（西安諾博爾稀貴金屬材料股份有限公司，陜西 西安 710000）

高強度銀鉑合金因其優(yōu)良的韌性匹配性、較高的強度/剛度、良好的焊接性、低碳含量和耐腐蝕、尺寸穩(wěn)定、熱處理工藝簡單和良好的熱工性能，成為航空航天等工程的重要材料。飛機起落架零件的傳統(tǒng)原料是以銀鉑為主。隨著海洋在國家發(fā)展戰(zhàn)略中發(fā)揮出日益重要的作用，船舶被長時間應(yīng)用在海洋當(dāng)中，存在應(yīng)力腐蝕裂紋、氫致延遲斷裂等重大安全隱患。但由于合金體系中抗腐蝕元素含量較低，普遍腐蝕失效問題。為了提高銀鉑合金的耐蝕性，有必要在其表面進行涂層處理，如鍍鎘工藝。但是，由于對低成本環(huán)保材料的需求，采用銀鉑合金鍍膜技術(shù)，不但增加了飛機的維修成本，而且對環(huán)境也產(chǎn)生了一定的影響。另外，鍍層溶液中的氫原子也會滲入基體中，從而導(dǎo)致氫斷裂。氫是最輕、最小、數(shù)量最多的原子，它的存在會引起材料的嚴(yán)重塑性損傷，使其承受能力降低，從而在使用中發(fā)生過早或災(zāi)難性失效的問題。通過大量的實驗可以發(fā)現(xiàn)，在溶液中加入合金元素和第二相顆粒是改善材料性能的一種重要手段。鉑的塑性、導(dǎo)熱性以及化學(xué)穩(wěn)定性都較為良好，耐磨性也不錯。在純銀中添加鉑元素再制成銀鉑合金，可以在不影響其合金塑性的前提下，改善其力學(xué)性能及化學(xué)穩(wěn)定性。

1 高強度銀鉑合金概述

鑄造銀鉑合金是把純銀和其它金屬元素經(jīng)過鑄造工藝加工成毛坯或零件的銀鉑合金材料，在化學(xué)組成及工藝上有別于變形銀鉑合金。高強度銀鉑合金具有高強度、高耐久性、耐腐蝕、經(jīng)濟性良好等特點。國內(nèi)外有關(guān)材料研究者在高強度銀鉑合金中加入多種元素，使其硬度、強度及合金化程度得到提高。同時，采用純凈化冶煉技術(shù)，以確保銀鉑合金中的雜質(zhì)含量不斷降低、純度不斷提高，實現(xiàn)各種元素的最佳配比。但國內(nèi)對高強度銀鉑合金的研究起步較晚[1]。

目前，我國在開發(fā)高強度銀鉑合金方面投入了大量的人力和財力，但與世界先進水平仍舊存在一定的差距。通過多年的實踐，我們在專業(yè)的鑄造和熱處理技術(shù)方面有了長足的進步。

高強度銀鉑合金在航空、民用等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，例如航空發(fā)動機外殼等。銀鉑合金的種類和性質(zhì)各不相同。銀鉑合金具有良好的鑄造性能，中等強度，除共晶合金外，一般具有中等切削和焊接性能，主要用于中等載荷的結(jié)構(gòu)件和形狀復(fù)雜的外殼件。銀鉑合金綜合性能好，強度和塑性高，高溫性能好，方便加工，但存在較大的凝固間隙、合金偏析、熱開裂等缺陷。例如，我國目前最具強度的ZL205A 鑄造銀鉑合金，其強度可達500Mpa，甚至超越某些鋼材的強度，可適用于大負(fù)荷的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。銀鉑合金具有良好的機械性能，即強度高，延伸率好，不僅耐腐蝕穩(wěn)定，而且具有良好的切削性能，主要用于制造耐腐蝕零件。銀鉑合金有AgPt5、AgPt10 和AgPt20 等，具有良好的力學(xué)性能和韌性，接觸電阻小而且穩(wěn)定，抗黏著和抗熔焊能力比純銀好。但鑄造性能和耐蝕性較差，高溫性能不好，密度大，應(yīng)用較少[2]。

2 高強度銀鉑合金的鑄造工藝

高強度銀鉑合金鑄件的制備工藝包括砂型鑄造、金屬鑄造、熔模鑄造、石膏鑄造、泡沫鑄造、低壓鑄造等。砂型鑄造是一種用原砂作為骨料的鑄造工藝。砂型鑄造生產(chǎn)的銀鉑合金鑄件的最大尺寸在2000mm以上。它是目前銀鉑合金鑄件的主要鑄造方法。采用該鑄造方法生產(chǎn)的鑄件尺寸精度為CT8，表面粗糙度Ra ≤12.5μm[3]。但是，在鑄造過程中，粘結(jié)劑的分解會產(chǎn)生大量的氣體，因此對環(huán)境有一定的影響。金屬模鑄造是在重力作用下將液態(tài)金屬注入金屬模中進行凝固的過程。這種方法一般用于生產(chǎn)中小型鑄件，鑄件結(jié)構(gòu)相對簡單。但由于金屬模具導(dǎo)熱性好，液態(tài)金屬凝固速度快，鑄造晶粒細小，銀鉑合金鑄件可塑性強。精模鑄造可以生產(chǎn)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這就可以實現(xiàn)近端成型方式的鑄造，鑄件尺寸精度達到生產(chǎn)水平CT6，表面粗糙度Ra ≤6.3μm，可以實現(xiàn)鑄造加工或小于等于目的，特別適應(yīng)航空航天領(lǐng)域的零部件都是高品質(zhì)、輕量化、集成化的目的，受到業(yè)界的青睞。石膏鑄造是實現(xiàn)大型復(fù)雜薄壁銀鉑合金鑄件的另一種鑄造方法。用這種方法生產(chǎn)的鑄件最小壁厚小于1mm[4]。但由于石膏導(dǎo)熱性差，鑄造過程控制不當(dāng)，容易出現(xiàn)針孔、松脫等缺陷。低壓鑄造是利用氣體壓力使金屬液體進入模具，在金屬液體的壓力作用下，進行充型凝固的鑄造過程，這種方法特別有利于制備復(fù)雜薄壁銀鉑合金鑄件，且鑄件機械性能好，工藝收率高，目前在銀鉑合金鑄造生產(chǎn)中也有大量應(yīng)用。

3 銀鉑合金熱處理工藝

銀鉑合金因其比強度高、加工性能好、耐腐蝕等優(yōu)點，已成為航空航天領(lǐng)域中重要的結(jié)構(gòu)金屬材料。為了進一步拓展銀鉑合金的應(yīng)用領(lǐng)域，滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)制造對銀鉑合金材料性能的高要求，材料工作者主要利用熱處理工藝對銀鉑合金的微觀組織進行控制和優(yōu)化，使銀鉑合金的潛在性能得到充分發(fā)揮。銀鉑合金常用的熱處理工藝有均勻退火、固溶強化和時效處理。

3.1 均勻退火

在凝固過程中容易發(fā)生枝晶偏析，導(dǎo)致材料的化學(xué)成分和組織不均勻，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。為了消除銀鉑合金鑄錠在凝固過程中的內(nèi)應(yīng)力，獲得均勻的組織，通常采用均勻退火工藝處理銀鉑合金鑄錠。均勻化退火是指將合金錠加熱到合適的溫度，保溫一段時間，然后冷卻到室溫，使合金中的一些相和組織溶解，達到組織均勻化和消除材料內(nèi)應(yīng)力的目的，進而提高合金材料的冷熱變形能力。

銀鉑合金均勻退火處理效果的主要影響因素有合金元素、退火溫度、保溫時間、冷卻方式等。以2xxx系列銀鉑合金為例，可以發(fā)現(xiàn)在合金元素方面，2xxx系列銀鉑合金鑄錠中的Cu、Mg、Mn 等元素偏析程度較大，容易富集在合金的晶界上，對合金鑄錠的均勻退火效果有顯著影響。在退火溫度方面，一般選擇低于共晶溫度但高于Cu 溶解度曲線溫度的2xxx 銀鉑合金[5]。在一定的溫度范圍內(nèi)，溫度的升高會加快原子擴散速率，提高均勻化速率和效果。在保溫時間上，退火時間的增加會伴隨著組織的轉(zhuǎn)變，使固溶處理更加充分，但時間不宜過長，防止晶粒異常生長。在冷卻方式上，銀鉑合金均相退火過程中的冷卻方式會影響后續(xù)固溶處理效果，目前多采用空氣冷卻。

銀鉑合金的均質(zhì)退火工藝不僅限于單級均質(zhì)退火，還包括雙級均質(zhì)退火和強化均質(zhì)退火。如7xxx 系列銀鉑合金單級均質(zhì)退火工藝溫度較低，避免了銀鉑合金中低熔點元素的過燒，但均質(zhì)退火效果并不理想。7xxx系列銀鉑合金在單級均質(zhì)退火的基礎(chǔ)上改進了雙級均質(zhì)退火。采用兩種不同的退火溫度，以達到合金中不同共晶相的均勻分散效果。強化均質(zhì)退火比傳統(tǒng)均質(zhì)退火能更好地改善7xxx 系列銀鉑合金的鑄態(tài)組織，但生產(chǎn)效率較低[6]。

3.2 固溶強化

銀鉑合金的固溶強化主要是將Cu、Mg、Si 等硬溶質(zhì)在一定溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻倪^飽和固溶體，同時改變銀鉑合金的晶粒尺寸和過剩相量。固溶處理后的銀鉑合金組織可進行后續(xù)時效處理。銀鉑合金的固溶強化過程不僅包括單溫度單級固溶處理，還包括強化固溶處理和高溫析出處理。

1.銀鉑合金的單級固溶處理是指在單一溫度的作用下，將合金中的Cu、Mg、Si 等硬溶質(zhì)盡可能溶入基體中，形成過飽和固溶體，充分發(fā)揮合金元素的強化作用，從而提高銀鉑合金的強度、硬度和耐腐蝕性。但在單級固溶處理時，要保證合金不過燒，這樣單級固溶處理溫度較低，銀鉑合金固溶強化作用不能充分發(fā)揮。因此，當(dāng)對銀鉑合金的性能要求較高時，單級固溶強化法并不適用[7]。

2.與單級固溶處理方法相比，強化固溶處理方法能更大程度地將硬溶質(zhì)轉(zhuǎn)化為固溶體，從而充分激發(fā)銀鉑合金的強化潛力。增強型固溶處理過程主要分為三步：第一步，將銀鉑合金加熱到一定溫度，并在該溫度保持一段時間；第二步，將銀鉑合金以一定的加熱速率加熱到更高的溫度并保持一段時間；第三步，將銀鉑合金取出并在室溫下冷卻。強化固溶處理不僅提高了銀鉑合金的屈服強度和抗拉強度，而且降低了合金的時效敏感性。

3.銀鉑合金高溫沉淀工藝是在常用固溶強化工藝基礎(chǔ)上的一種熱處理方法，加工時間短，處理后銀鉑合金綜合性能較好。

3.3 時效處理

銀鉑合金固溶處理形成的過飽和固溶體在自然狀態(tài)下或加熱到一定溫度時容易分解，稱為溶解現(xiàn)象。銀鉑合金的時效處理機理源于溶解現(xiàn)象，即溶解現(xiàn)象發(fā)生在銀鉑合金內(nèi)部，第二相析出，或產(chǎn)生硬溶質(zhì)原子偏析區(qū)，從而改變了銀鉑合金的微觀組織和材料性能。

1.銀鉑合金單段時效工藝是指在單溫度下進行熱處理。通過控制溫度、時間等參數(shù)對合金材料的微觀組織進行優(yōu)化，從而提高銀鉑合金材料的綜合性能[8]。

2.銀鉑合金兩階段時效處理需要兩個處理階段：一是低溫處理，主要獲得細小的析出相；二是高溫處理階段，促使粗硬顆粒的形成。

3.與其他兩種時效處理相比，回歸時效處理對銀鉑合金的強化效果顯著增強。主要有三個處理階段：一是低溫預(yù)陳化階段；二是短時高溫回歸處理階段；三是低溫時效處理階段。經(jīng)過這三個階段的處理，將消除合金晶界的富Cu 或富mg 現(xiàn)象，降低材料中的位錯密度[9]。

4 結(jié)語

隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用的要求不斷提高，提高合金材料的綜合性能成為一項重要的研究內(nèi)容。熱處理工藝是提高合金材料性能的重要工藝手段，一直受到材料科學(xué)研究者的重視。在此基礎(chǔ)上，對銀鉑合金、鈦合金、鎂合金等典型合金材料的熱處理工藝進行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，熱處理工藝對合金材料的性能有顯著影響，主要影響因素有溫度、時間、冷卻方式等。同時也發(fā)現(xiàn)了合金材料熱處理工藝研究的不足之處。要想提高高強度銀鉑合金鑄件的鑄造工藝，就必須運用好熱處理技術(shù)自身的優(yōu)勢，為延長鑄件的使用壽命提供可靠的技術(shù)保障。因此，在未來的高強度銀鉑合金生產(chǎn)中，必須加強對其鑄造與熱處理技術(shù)的控制，加強工作人員的責(zé)任心，有效地控制生產(chǎn)過程，推動高強度銀鉑合金加工的持續(xù)改善，推動行業(yè)平穩(wěn)發(fā)展。通過熟練的操作技術(shù)和專業(yè)的理論指導(dǎo)，鑄件能夠達到產(chǎn)品自身的規(guī)范要求。

從上述情況來看，將先進的工藝和理論結(jié)合起來對生產(chǎn)、鑄造工藝具有十分重要的意義。

為了滿足未來工業(yè)發(fā)展中材料性能的應(yīng)用需求，本文結(jié)合目前的研究現(xiàn)狀和工業(yè)生產(chǎn)需求，提出了未來合金材料熱處理工藝的研究方向如下：

1.通過對現(xiàn)有熱處理工藝的分析和結(jié)合，探索一種新型合金材料熱處理工藝，豐富合金材料熱處理工藝方法，提高合金材料的綜合力學(xué)性能。

2.引入計算機仿真技術(shù)，對合金材料的熱處理工藝進行模擬，深入分析材料的具體特性和不同熱處理工藝之間的相關(guān)性，從而合理選擇熱處理工藝參數(shù)。

3.深入分析合金材料熱處理過程中各強化元素的組織變化及特性，優(yōu)化合金材料熱處理工藝體系，以充分發(fā)揮熱處理強化效果。