超高强Cu-20Ni-20Mn-0.6Si合金的制备以及力学性能研究

来源:用户上传      作者:唐帅康 肖柱 龚深

　　摘 要：本文制备了一种质量分数为Cu-20Ni-20Mn-0.6Si的合金，并研究了该合金最佳的时效工艺。结果表明，合金最佳的时效处理工艺为350℃时效24h，合金第二相析出物在晶粒内部细小而分布均匀。该时效制度下，合金的抗拉强度为1220MPa，屈服强度为985MPa，伸长率为6.0%。具有优异的强度与塑性，其强塑积几乎是其他各类超高强铜合金的两倍。
　　关键词：超高强铜合金;时效;力学性能;合金組织
　　超高强铜合金不仅拥有高强度、高硬度以及良好的弹性性能，而且其耐海水腐蚀、耐磨损以及抗疲劳断裂等性能也相当不错[1]。近年来开发新型无铍的超高强铜合金就成为了国内外铜合金研究领域的一个重点方向。因此本文设计了一种成分为Cu-20Ni-20Mn-0.6Si的铜合金，旨在开发一种无铍超高强高塑铜合金。采用真空熔炼的方法制备该合金，并通过均匀化处理、热轧、固溶、冷轧、时效等工艺对合金进行加工处理。通过调节时效处理工艺的参数来探索该合金的力学性能。
　　1 实验部分
　　真空熔炼的Cu-Ni-Mn-Si合金铸锭首先被切割成块状，然后通过机械铣削去除表面缺陷。铸锭在920℃下均匀化处理8h，然后在850℃下热轧，厚度由25mm轧至7.5mm。750℃处理2h后冷轧至1.5mm。最后，对轧至后的带材进行630℃×2h固溶和不同温度的时效处理。硬度测试是在HV-5维氏硬度计上进行的，载荷为5kg，加载时间为15s。合金的室温拉伸试验依据GB/T228.1-2010进行测试，拉伸试验在WDW-200电子万能拉伸机上进行试验。使用Sirion200场发射扫描电子显微镜进行了样品的微观结构观察。
　　2 结果与讨论
　　2.1 合金时效前组织观察
　　由于合金熔炼冷却速度较慢，合金中的合金元素含量高，合金元素的扩散不均匀，易在基体内部聚集，形成了枝晶组织[2]。均匀化处理后，这种对后续加工和合金性能不利的枝晶组织基本消失。在后续的热轧以及冷轧的工艺过程中，合金粗大的晶粒得到破碎。固溶处理后所得的组织晶粒细小且均匀，平均晶粒尺寸约为20μm。
　　2.2 合金时效制度研究
　　图1（a）为合金在250℃～500℃时效的硬度曲线，由图可见，合金300℃～420℃的时效-硬度曲线的变化趋势大致相同。在时效时间为24h左右，合金的硬度值达到峰值。其中时效温度350℃时，合金硬度的增长速度最快，且硬度值最高为24h对应的490HV。因此Cu-20Ni-20Mn-0.6Si合金的较佳时效温度和时效时间为350℃和24h。图1（b）为时效态合金经50000倍放大后的扫描照片，可以看出，合金第二相析出物在晶粒内部细小而分布均匀。
　　对350℃时效24h的合金样品进行室温拉伸试验测试，试验结果为合金的抗拉强度为1220MPa，屈服强度为985MPa，伸长率为6.0%。图2（a）和（b）分别为各类超高强铜合金的抗拉强度与强塑积（合金抗拉强度与延长率的乘积）对比图，图中反应出Cu-20Ni-20Mn-0.6Si比其他类型的超高强铜合金具有更加优良的力学性能，尤其是合金的强塑积几乎是其他超高强度铜合金的两倍。其原因为经过一系列的大变形和热处理加工方法得出来的晶粒细小均匀，析出的第二相分散均匀且尺寸为亚微米级的合金组织，对合金的综合力学性能有显著的提高[3]。同时由于合金的基体为微米级的铜合金组织，细晶组织单位体积内大面积的晶界在变形过程中能起到协同变形的作用，因此合金能在高强度的同时保持较好的塑性。
　　3 结论
　　合金最佳的时效工艺为350℃时效24h，合金第二相析出物在晶粒内部细小而分布均匀。该时效制度下，合金的抗拉强度为1220MPa，屈服强度为985MPa，伸长率为6.0%。具有良好的综合强度与塑性，其强塑积几乎是其他各类超高强铜合金的两倍。
　　参考文献：
　　[1]张智强，郭泽亮，雷竹芳.铜合金在舰船上的应用[J].材料开发与应用，2006，21（5）：43-46.
　　[2]钟卫佳，马可定，吴维治.铜加工技术实用手册[M].北京：冶金工业出版社，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.
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