李宁宁，宋克兴，周延军，张彦敏，何　霞

(1.河南科技大学 a.材料科学与工程学院；b.有色金属共性技术河南省协同创新中心；c.河南省有色金属材料科学与加工技术重点实验室，河南 洛阳 471023；2.西安交通大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710048)

热处理对Cu-0.23Be-0.84Co合金性能和组织的影响

李宁宁1a,1c，宋克兴1a,1b，1c，周延军1c，2，张彦敏1a,1b,1c，何霞1a,1c

(1.河南科技大学 a.材料科学与工程学院；b.有色金属共性技术河南省协同创新中心；c.河南省有色金属材料科学与加工技术重点实验室，河南 洛阳 471023；2.西安交通大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710048)

摘要：利用硬度计、导电仪和金相电子显微镜，分析了固溶和时效对Cu-0.23Be-0.84Co合金性能和组织的影响。研究结果表明：Cu-0.23Be-0.84Co合金经950 ℃×1 h固溶、480 ℃×4 h时效处理后，综合性能指标较好，其中，硬度可达117.0HB，导电率达71.6%IACS；在试验范围内，随着固溶温度的升高，晶粒结构形貌相似，未溶物逐渐减少，晶粒尺寸逐渐增大；950 ℃时，晶粒呈等轴状，大小均匀，固溶较完全；时效后，试验合金内部保留着较清晰的应变孪晶，强化相在晶界处不连续析出、集聚而产生黑色组织，且黑色组织数量随着时效时间的延长不断增多。

关键词：Cu-Be-Co合金；热处理；硬度；导电率；显微组织

基金项目：国家自然科学基金项目(51345011);河南省杰出人才基金项目(134200510011);河南省科技攻关基金项目(112102210177);教育部团队发展计划基金项目(IRT1234)

通信作者

作者简介：李宁宁(1988-),女,河南开封人,硕士生;宋克兴(1967-),男,,教授,博士,硕士生导师,主要研究方向为有色金属材料-成型-工艺一体化开发和高强高导铜合金的研制.

收稿日期：2014-08-29

文章编号：1672-6871(2015)02-0010-04

中图分类号：TG146.1

文献标志码：志码：A

0引言

铍青铜是含铍(Be质量分数为0.20%～2.75%)的铜基合金，根据铍的含量可分高导(电、热)铍青铜(Be质量分数为0.20%～0.60%)和高强铍青铜(Be质量分数为1.60%～2.00%)。铍青铜具有典型的时效析出强化特征，即经固溶+时效析出强化处理后，具有较高的硬度、导电率等综合性能，其力学性能即强度、硬度、耐磨性和耐疲劳性能等居铜合金之首，是所有铍合金中用途最广的一种，其用量在当今世界已超过铍消费总量的70%。铍青铜广泛应用于制造精度高、形状复杂的模具的镶嵌件、焊接电极材料、耐磨耐蚀工作及电子产品等，是国民经济建设不可或缺的工业材料[1-3]。

目前，国内外针对普通国标牌号(如QBe2)高强铍青铜合金热处理工艺方面的研究较多，如文献[4-6]对高强铍青铜的真空时效、分级时效等不同的热处理工艺进行了研究，而针对铍含量较少的高导铍青铜热处理强化方面的研究则相对较少。本文旨在研究Cu-0.23Be-0.84Co合金不同固溶、时效热处理工艺对导电率和硬度的影响，使其获得优良的综合性能，并确定其最佳热处理工艺，以期为该合金后续相关研究提供参考。

1试验材料和方法

合金的制备采用非真空中频感应熔炼炉熔炼、金属模脱模，经扒皮、锯切后热锻成φ20 mm圆棒，并冷拉拔至φ16 mm。在圆棒上截取长度为15 mm的圆柱试样，固溶和时效在管式电阻炉中进行，炉子正常工作时温度波动为±5 ℃。固溶温度分别为890 ℃、910 ℃、930 ℃、950 ℃、970 ℃，固溶时间为1 h，固溶处理后水淬；时效温度分别为460 ℃、480 ℃、500 ℃，时效时间为0.5~8.0 h，冷却方式为空冷。

利用化学分析法对制备的合金铸锭进行成分检测；用D60K数字金属电导率测试仪测定合金的室温导电率，导电率用国际退火铜标准(%IACS)表示；使用 HB-3000型硬度计测量布氏硬度，压头直径为φ5 mm，加载载荷为250 N，加载时间为30 s，每个试样多次测量并取其平均值；试样用FeCl3、无水乙醇和浓盐酸混合液进行侵蚀处理后，在倒置式光学金相显微镜(OLYMPUS PMG3型)下观察其微观组织。

2试验结果与分析

2.1　合金化学成分

制备的Cu-Be-Co合金试样最终化学成分为Cu-0.23Be-0.84Co(质量分数)。

2.2　固溶温度对合金硬度和导电率的影响

在进行合金固溶时应选择合理的固溶工艺，以便在热处理后获得较好的析出强化效果，同时消除合金内的偏析。图1为合金经不同温度固溶处理后的硬度和导电率变化曲线。由图1可见：保温时间一定时，随固溶温度的升高，合金硬度逐渐降低而导电率则逐渐升高。随着固溶温度的升高，溶质原子进入铜基体中数量逐渐增多，铜基体中第二相逐渐增多，此时溶质原子的固溶强化大于第二相的强化作用，所以硬度逐渐下降；晶界对传导电子有散射作用，随着固溶温度的增加，合金晶粒急剧长大，晶界面积减少，传导电子的活动能力加强，合金的导电率上升。综合考虑，选择固溶温度为950 ℃较为合理。

图1　固溶温度对合金硬度和导电率的影响

2.3　时效温度对合金导电率和硬度的影响

图2是合金经950 ℃固溶，在不同温度、不同时间时效处理后，导电率与时效时间的关系曲线。从图2中可看出：在时效初始时至时效2 h内，不同时效温度下合金导电率均快速增加，随时效时间的延长，导电率上升缓慢，至时效4 h时达到最大值后有小幅度降低。固溶体中导电率的变化主要与固溶体中合金元素的多少和空位等缺陷有关[7]。试验合金固溶处理后得到过饱和固溶体，因此时效初期晶体内部缺陷密度较高，合金元素有较高的自由能而快速析出，进而降低试验合金内部晶格畸变程度，减弱对传导电子的散射作用，导电率以较快速度上升；随着时效时间的延长，试验合金基体中合金元素浓度降低，析出动力减弱，导电率的上升趋势缓慢；当时效温度过高时，部分溶质原子发生固溶。因此，当时效时间为4 h时，合金导电率达到峰值，时效4 h之后合金导电率有所下降，其原因可能是时效温度选择过高。

图3是合金在不同温度下，时效处理后的硬度与时间关系的曲线。由图3可看出：在试验温度范围内，合金硬度随时效时间的延长先迅速升高，至峰值(460 ℃、480 ℃、500 ℃的峰值分别为123.0HB、117.0HB、112.3HB)后有所下降。这是由于时效初始时，析出物快速析出，第二相的密度迅速增大，对位错的阻碍作用增大[8]，合金硬度和强度较快升高；随着时效时间的延长，析出物微粒粗化，间距增大，强化效果降低，硬度开始下降。对于时效析出硬化型合金来说，在一定的条件下，时效温度越高，达到时效峰值的时间越短，但温度过高时容易出现过时效现象，使峰值降低[9-10]。因此，温度越高，上升速度越快，对应的峰值越低。

图2 时效处理对合金导电率的影响 图3 时效处理对合金硬度的影响

为使合金符合实际生产条件，需找到合金强度和导电率的最佳组合，以确定该合金的的最佳形变热处理工艺。以上述不同温度和时间时效后的硬度和导电率为基础，对其分别进行标准化(硬度·导电率标准值=(硬度/硬度最大值)×(导电率/导电率最大值))。以硬度·导电率标准化值为纵坐标，以时效时间为横坐标[11]，绘制出如图4所示的曲线。从图4中可以看出：当时效480 ℃×4 h时合金硬度和导电率的组合最优，此时合金硬度为117.0HB，导电率为71.6%IACS。

图4　时效处理对合金硬度·导电率标准化值的影响

2.4　热处理对合金显微组织的影响

图5为合金在不同保温温度固溶1 h的金相微观组织。由图5可以看出：晶粒结构形貌相似，且有孪晶出现，随着固溶温度的升高，晶粒尺寸逐渐增大。温度较低(见图5a和图5b)时，富铍相不能完全固溶于基体中，晶粒均匀性差，易在时效时出现不连续脱溶；随着固溶温度的升高(见图5c)，合金残留的未溶物相相对减少，晶粒大小仍不均匀；在950 ℃、970 ℃(见图5d和图5e)时，晶粒呈均匀等轴状，固溶较完全，但温度过高(970 ℃)导致晶粒尺寸有增大的趋势。从图1中可以看出：导电率一直降低而硬度逐渐升高，由此可知固溶温度越高固溶效果越好，但970 ℃时晶粒已经开始长大，有向过烧发展的趋势，故此合金固溶温度选在950 ℃为宜。

图5　试验合金经不同温度固溶处理后的显微组织

铍青铜固溶处理后得到过饱和α相固溶体，α相固溶体不稳定，在随后的时效过程中沉淀析出，溶质原子在α晶内先经过铍的富集形成面心集合态，即吉尼尔·普雷斯顿区(G.P.区)。G.P.区尺寸随着时效温度的提高和时效时间的延长急剧长大，其内的溶质原子有序化而形成亚稳定状态的γ’相，最后变成稳定的平衡态γ相析出并长大[12]。其过程可表示为：

α→G.P.区→α+γ’→α+γ。

形成G.P.区和γ’亚稳相促使α晶格产生畸变，即引起铍青铜的沉淀硬化；稳定的平衡态γ相会破坏与α相的共格关系，因此，当稳定的γ相开始形成并聚集长大时，合金的机械性能开始下降和恶化，即进入过时效状态。

时效强化型合金的时效过程一般分为3个阶段：欠时效、峰值时效和过时效。合金在时效温度为480 ℃时，保温0.5 h、4.0 h、8.0 h的显微组织如图6所示。从图6中可以看到:晶粒内均保留着较明显的孪晶，这种孪晶是前期冷变形时应力未消除留下的，合金晶粒内的这种特征有利于在第二相析出时获得更加细小弥散的析出相，当析出相的数量和尺寸达到理想状态时，时效强化效果最佳；另外，在晶界附近有随着时间延长逐渐增多的黑色瘤状组织，即γ相[13-14]，形成黑色瘤状组织的原因是析出相在晶界内的不连续析出，造成合金硬度值先升高后降低(硬度分别达到82.3HB、117.0HB和110.0HB) (见图2)。结合试验合金不同时效时期的硬度及黑色瘤状组织数量可以看出：图6a处于欠时效阶段，图6b为峰值时效，而图6c则为过时效。

图6　试验合金在480 ℃不同时效阶段的显微组织

3结论

(1) Cu-0.23Be-0.84Co试验合金最佳的热处理工艺为：950 ℃×1 h固溶+480 ℃×4 h时效，可获得117.0HB的硬度和71.6%IACS的导电率。

(2)在试验范围内，晶粒结构形貌相似，且有孪晶出现，随着固溶温度的升高，晶粒尺寸逐渐增大；950 ℃时，晶粒呈均匀的等轴状，固溶较完全。

(3)合金在时效后保留着较清晰的应变孪晶，强化相优先在晶界处不连续析出而产生黑色瘤状组织，且其数量随着时效时间的延长不断增多。

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