Micro-structures and properties of ultra-high strength Cu-Ni-Si-Mg-Cr alloy
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摘要: 通过光学显微镜、维氏硬度计、涡流电导仪、X射线衍射仪、透射电子显微镜等仪器设备对Cu-6.0Ni-1.4Si-0.15Mg-0.1Cr合金的组织结构和性能进行了表征与测试.结果表明：合金铸态组织为发达的树枝晶组织，并可分为白亮的枝晶区、灰色的中间过渡区及非平衡凝固相粒子.非平衡凝固相主要为δ-Ni2Si和β-Ni3Si.合金主要的强化机制为时效析出强化，主要强化相为δ-Ni2Si.合金经过适当的形变热处理后，硬度为353 HV，抗拉强度为1 010 MPa，屈服强度为930 MPa，伸长率为3.8%，电导率为29.7%IACS.
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关键词:
- Cu-Ni-Si合金 /
- 固溶处理 /
- 沉淀析出 /
- 超高强 /
- 弹性材料
Abstract: Microstructure and properties of the Cu-6.0Ni-1.4Si-0.15Mg-0.1Cr alloy are studied by optical microscope, X-ray diffractometer and transmission electron microscope observation, and by Vickers hardness tester, eddy-current electrical conductivity measurement. Results show that the developed dendrite which can be divided into dendrite area, the middle transition region and non-equilibrium solidification phase particles, appears in the casting ingot. The non-equilibrium solidification phases are δ-Ni2Si and β-Ni3Si. The main strength mechanism for designed alloy is precipitation strengthening and the strengthening phases are δ-Ni2Si. After appropriate thermo-mechanical treatment, the hardness of the alloy can be 353 HV, tensile strength can reach 1 010 MPa, and yield strength is 930 MPa with enlogation being 3.8% and electrical conductivity being 29.7% IACS.-
Keywords:
- Cu-Ni-Si alloy /
- solution treatment /
- precipitation /
- super strength /
- elastic materials
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0 引言
导电弹性材料广泛应用于航空航天、电子电器、机械仪表、汽车及家用电器等领域.传统的导电弹性材料主要有锡磷青铜和铍青铜.但是锡磷青铜强度低，一般不超过800 MPa；而铍铜合金本身有剧毒元素铍且高温下强度和弹性显著下降，因此已经不能满足需求[1-2].近年来国内外研究人员开展了大量的研究工作以寻求新的导电弹性材料，Cu-Ni-Sn系、Cu-Ni-Zn系、Cu-Ni-Al系和Cu-Ti系合金被相继开发出来，强度在1 000 MPa以上，但是它们的电导率较低，均低于15%IACS，因此也难以满足高端产品的需求[3-4].
既提高铜材料的强度同时又要保持其较好的导电性能，铜合金中采用的常见方法是沉淀析出强化[5-6].Cu-Ni-Si合金经适当的形变热处理后可以在基体中形成弥散的纳米级粒子[7-9]，使材料的强度显著提高，另外，由于溶质原子以纳米级金属间化合物粒子的形式从基体中析出，使其同时具有良好的导电性能.Cu-Ni-Si合金产品已经应用于引线框架材料、高速列车接触线、集成电路、继电器、连接器等工业领域[10-11]，但是其强度低于850 MPa，难以满足功率型继电器等高端产品对材料性能的要求 [12].本文作者结合Cu-Ni、Cu-Si和Ni-Si相图，优化选取了Ni、Si元素比例，并添加了微合金化元素Mg和Cr[13-14]，设计出一种新型的Cu-Ni-Si-Mg-Cr合金，使其强度超过1 000 MPa，电导率超过25%IACS（QBe2的电导率），以期替代毒性铍青铜合金.本文对该合金制备工艺、组织演变和相关性能进行了系统的研究.
1 试验方法
试验用的Cu-6.0Ni-1.4Si-0.15Mg-0.1Cr（wt%）合金在中频感应炉中进行熔炼，并浇铸成长×宽×厚为150 mm×65 mm× 35 mm的扁坯.经铣面后在940 ℃下均匀化退火处理4 h.然后在900 ℃保温1 h后进行热轧，将30 mm厚板材轧至约6 mm厚（总变形量80%）.热轧板材经980 ℃×4 h固溶热处理后再冷轧50%（或80%），冷轧板材样品在450 ℃的盐浴炉中进行时效热处理.利用HV-5型小负荷维氏硬度计、D60K型数字金属电导率涡流测量仪，对时效不同时间样品的硬度和电导率进行了测试，并借助Leica DM ILM HC型金相显微镜、D/max 2500型X射线衍射仪和JEM-2100F透射电镜对合金的微观组织结构进行表征.
2 结果与讨论
2.1 铸态组织结构分析
Cu-6.0Ni-1.4Si-0.15Mg-0.1Cr合金的铸态组织如图 1所示.合金铸态组织为发达的枝晶组织，晶粒内部可见白亮的枝晶、灰色过渡区和枝晶间的非平衡凝固相粒子.
为了确定合金中铸态组织中的物相成分，将预磨抛光的样品进行了XRD分析，结果如图 2所示.由此可见，合金铸态组织中主要含有Cu、Ni2Si和Ni3Si相.熔体在凝固过程中，Ni和Si原子具有较强结合力，易形成金属间化合物.
2.2 形变热处理显微组织
图 3为Cu-6.0Ni-1.4Si-0.15Mg-0.1Cr（wt%）合金经过940 ℃均匀化4 h后，再在900 ℃进行热轧变形后的显微组织.由图 3可以看出，合金经过80%热轧变形后，合金发生了再结晶，组织呈等轴状，平均晶粒尺寸约为30~50 μm.
图 4所示为热轧合金板材经980 ℃固溶处理2 h和4 h后的显微组织.由图 4可以看出，随着保温时间延长，非平衡凝固相粒子基本固溶入基体之中，形成了过饱和固溶体.同时，再结晶晶粒也随之增大[15]，980 ℃/2 h固溶处理，平均晶粒尺寸约为60~80 μm，980 ℃/4 h，平均晶粒尺寸约为90~110 μm.
2.3 硬度和电导率
图 5是合金的硬度和电导率随时效时间的变化规律.固溶后分别冷轧50%和80%的合金，在450 ℃时效处理的硬度随时效时间的变化规律大致相同，都是先迅速增加并达到峰值，接着缓慢下降.固溶后冷轧50%的合金经过450 ℃时效处理60 min后，硬度由时效前的276 HV增加到峰值时的353 HV；冷轧80%的合金经过450 ℃时效处理50 min后，硬度由时效前的300 HV增加到峰值时的346 HV.由图 5（b）可以看出，合金的电导率随着时效时间的延长增加，早期增加很快，后期增加缓慢.固溶后冷轧50%的合金经过450 ℃时效处理60 min后，合金的电导率约为29.7%IACS，时效20 h后电导率为36.2%IACS.固溶后冷轧80%的合金经过450 ℃时效处理60 min后，合金的电导率约为35.4%IACS，时效20 h后电导率为42.6%IACS.
2.4 合金的透射电镜分析
固溶后冷轧50%的合金板材在450 ℃时效60 min后的透射电子显微分析结果如图 6中所示.图 6（a）的明场像显示出合金在时效过程中共格析出了大量的第二相粒子，图 6（b）是图 6（a）的选区电子衍射花样，结合Ni和Si的化合物的相关晶格参数[16]，对图 6（b）花样进行了标定，结果如图 6（c）所示.选区电子衍射花样指数化结果表明合金中主要的析出相粒子主要为δ-Ni2Si，其次是β-Ni3Si.
将经过940 ℃×4 h、900 ℃热轧80%、980 ℃×4 h、冷轧50%、并在450 ℃时效60 min后的Cu-6.0Ni-1.4Si-0.15Mg-0.1Cr合金样品进行室温拉伸结果表明：合金的抗拉强度1 010 MPa，屈服强度930 MPa，伸长率为3.8%.实验设计合金的主要性能接近铍铜合金，有望成为替代铍铜的新型导电弹性材料.
3 结论
1）Cu-6.0Ni-1.4Si-0.15Mg-0.1Cr（wt%）合金铸态组织都为发达的树枝晶状组织，并分为白亮的枝晶区、灰色的中间过渡区及非平衡凝固相粒子.非平衡凝固相主要为δ-Ni2Si和β-Ni3Si.
2）合金铸锭经940 ℃×4 h、900 ℃热轧80%、980 ℃×4 h、冷轧50%、并在450 ℃时效60 min后的样品的硬度为353 HV，抗拉强度为1 010 MPa，屈服强度为930 MPa，伸长率为3.8%，电导率为29.7%IACS.
3）合金主要的强化机制为时效析出强化，主要强化相为δ-Ni2Si，同时还有少量的β-Ni3Si.
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