高韌性銅鎳合金制備工藝優(yōu)化研究

霍一飛

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空維修工程學(xué)院，陜西西安710089）

當(dāng)前，在新材料合成制備中，銅及銅合金因其良好的導(dǎo)熱性、延展性和導(dǎo)電性，被廣泛的應(yīng)用在各個領(lǐng)域，如航天航空、造船、國防等[1]。而隨著近年來不同領(lǐng)域?qū)Σ牧系男乱?，使得材料開始朝著超低溫、高沖擊、高載荷、耐磨等方向發(fā)展。銅合金也一樣，也開始在這方面有著新的要求，如銅合金在低溫環(huán)境下，對其沖擊韌性有了新的要求。從當(dāng)前的研究來看，當(dāng)溫度從室溫降低的情況下，很多耐磨的銅合金的強(qiáng)度、抗疲勞能力等都有著一定的提高，但是其韌性卻隨著自身結(jié)構(gòu)的不同，有著不同的變化。如銅合金的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為體心立方或者是密排六方時，其沖擊功在溫度下降到一定后出現(xiàn)劇烈的變化，此時銅合金材料也從原來的韌性狀態(tài)，直接變?yōu)榇嘈缘臓顟B(tài)[2-3]。而對于面心立方的銅合金金屬來講，在低溫下仍可能保持韌性狀態(tài)。因此，通過以上的分析看出，制備一種高韌性的銅合金金屬，是當(dāng)前思考和研究的一個重要方向。對此，本文試圖借助相關(guān)的金屬加工制備工藝，構(gòu)建一種高韌性的合金材料，并從性能和結(jié)構(gòu)上對其進(jìn)行驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計

研究認(rèn)為，銅合金金屬在制備的過程中，受應(yīng)變速率、變形溫度等多種因素的影響[4-5]。本文則主要從金屬加工的角度，采用熱擠壓態(tài)銅鎳合金的合成作為基礎(chǔ)，通過熱壓縮模擬法對銅鎳合金材料進(jìn)行加工，并探討不同應(yīng)變速率和變形溫度對銅鎳合金性能的影響。因此，在研究過程中，引入熱加工圖對金屬熱變形的規(guī)律進(jìn)行分析，以此確定銅鎳加工過程中的安全區(qū)和失穩(wěn)區(qū)，并確定不太濃加工區(qū)域的具體變形機(jī)制。在以上鍛造工藝參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對鑄造的銅鎳合金材料進(jìn)行熱處理和深冷處理，最終通過性能檢測和結(jié)構(gòu)觀察，以驗(yàn)證制備合金的性能。上述試驗(yàn)方案見圖1。

圖1 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 主要制備材料

本文主要制備銅鎳合金材料，是在銅鎳合金中加入鐵、錳、鋅等微量元素，以提高其韌性。具體化學(xué)成分如表1所示。

表1 主要成分 %

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 熱壓縮試驗(yàn)

根據(jù)圖1的試驗(yàn)方案，在本合金制備中，主要采用熱模擬試驗(yàn)制備方法，以探討不同條件下的合金材料演變規(guī)律。具體的試驗(yàn)則在Gleeble-1500 型的熱模擬機(jī)上。該模擬機(jī)是由電腦控制，通過調(diào)節(jié)電流的大小來調(diào)節(jié)整個反應(yīng)的溫度。同時根據(jù)銅鎳二元相圖，綜合考慮銅鎳合金的變形速率等，將熱合金的整體制備工藝參數(shù)設(shè)定為如圖2所示。

圖2 熱壓縮工藝參數(shù)設(shè)計(溫度點(diǎn)：700，750，800，850，900，950℃；保溫3 min，變形量60%；應(yīng)變速率0.01，0.1，1.10)

2.2.2 熱鍛試驗(yàn)

通過以上的熱壓縮工藝參數(shù)優(yōu)化，可以得到最佳的制備條件。在熱壓縮制備完成后，將處于擠壓態(tài)的銅鎳合金在一定的溫度下放置一段時間，然后再將其放置到C41-750B的鍛壓機(jī)上進(jìn)行熱鍛。

2.2.3 熱處理和深冷處理

將熱鍛制備好的銅鎳合金在不同的溫度下放置一段時間，以觀察不同溫度的熱處理對合金性能的影響。

2.3 試驗(yàn)評價

在制備的合金進(jìn)行評價的過程中，主要采用結(jié)構(gòu)觀察其自身性能。

3 結(jié)果分析

3.1 合金熱變中流變應(yīng)力行為分析

在金屬變形的過程中，流變應(yīng)力通常作為一個重要的指標(biāo)，被認(rèn)為是對金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和性能的一個綜合反映。同時研究表明，材料自身的缺陷通常會隨著受力狀態(tài)的變化而加劇或者是消失。而在這個過程中，應(yīng)變溫度和速率會直接影響材料的性能。因此，在高溫情況下對材料的流變應(yīng)力進(jìn)行研究，對探討制備合成材料的性能具有極其重要的價值。對此，結(jié)合以上的試驗(yàn)步驟和方法，得到如圖3和圖4所示的在不同流變溫度下的流變應(yīng)力。

圖3 700oC下的銅鎳合金流變應(yīng)力

圖4 750oC下的銅鎳合金流變應(yīng)力

而在不同的流變速率下，可以得到銅鎳鋁合金在不同溫度下的流變應(yīng)力。具體如圖5和圖6所示。

通過上述的結(jié)果可以看出，隨著應(yīng)變溫度和應(yīng)變速率的增加，其流變應(yīng)力在開始的部分都急劇增大，而當(dāng)增加到一定程度后，應(yīng)力開始逐步趨緩。同時，在低應(yīng)變速率的情況下，流變應(yīng)力開始出現(xiàn)緩慢的下降。造成這種變化趨勢的一個主要原因，就是材料在熱塑過程中發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶與加工硬化相互作用的結(jié)果。而通過以上的結(jié)果可以看出，在本文設(shè)定的溫度和速率下，基本可適用于對銅鎳合金制備內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的反應(yīng)。

圖5 0.01 s-1速率下的流變應(yīng)力變化

圖6 0.1 s-1速率下的流變應(yīng)力變化

3.2 熱加工圖的繪制

通過上述熱壓縮模擬搜集到的數(shù)據(jù)，同時采用三次樣條插值法對部分采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行拓展，從而可以得到在不同真應(yīng)變力下的應(yīng)力值，見圖7。

圖7 0.6真應(yīng)變下的銅鎳合金熱加工圖

通過上述的熱加工圖統(tǒng)計可以看出，隨著真應(yīng)變的不斷增加，銅鎳合金的失穩(wěn)區(qū)域在不斷的增加，但是主要的區(qū)域變化不大。

3.3 熱鍛階段銅鎳合金性能

在完成對銅鎳合金的熱擠壓階段，還需要對銅鎳合金進(jìn)行熱鍛處理。對此，結(jié)合以上的熱加工圖和熱流變分析，在熱鍛階段，取始鍛溫度為1 050oC，終鍛的溫度為850oC，同時應(yīng)變的速率設(shè)定為1 s-1，見圖8。

圖8 0.7真應(yīng)變下的銅鎳熱加工圖

3.3.1 拉伸變化

為進(jìn)一步模擬在低溫環(huán)境下的銅鎳合金性能，對不同溫度下的銅鎳合金拉伸應(yīng)力進(jìn)行統(tǒng)計，從而可以得到應(yīng)力變化結(jié)果。圖9 表示在-196oC 液氮環(huán)境下的真應(yīng)力—應(yīng)力變化曲線。

圖9 銅鎳真應(yīng)力變化曲線

通過上述的結(jié)果可以看出，在低溫環(huán)境下銅鎳合金的應(yīng)力隨著真應(yīng)變的增加而不斷增加。說明在低溫環(huán)境下，該合金材料的硬度在不斷提高。

3.3.2 不同熱處理下的合金硬度變化

為進(jìn)一步驗(yàn)證在不同熱處理溫度對銅鎳合金硬度的影響，對銅合金進(jìn)行固溶處理和不同時效溫度處理。具體步驟是將試樣放在900oC 下進(jìn)行保溫，時間為2 h，然后迅速進(jìn)行冷淬火，然后對樣品進(jìn)行時效處理，處理溫度設(shè)定在400～550oC。由此根據(jù)以上的處理，可以得到圖10所示的結(jié)果。

圖10 不同熱處理狀態(tài)下的合金硬度

根據(jù)上述結(jié)果看出，在時效處理2 h 的情況下，溫度設(shè)定在550oC 時，其硬度最大。因此在熱鍛階段，選擇時效處理時間2 h，溫度設(shè)定在550oC。

3.4 不同銅鎳合金耐磨性對比研究

為驗(yàn)證本文制備的銅鎳合金的性能，將上述制備的合金與鋁青銅的耐磨性進(jìn)行對比，進(jìn)而得到如圖11和圖12所示的摩擦系數(shù)圖。

圖11 本文制備銅鎳合金在不同應(yīng)力下的摩擦系數(shù)

圖12 鋁青銅合金在不同應(yīng)力下的摩擦系數(shù)

通過以上結(jié)果看出，在不同的應(yīng)力下，本文制備的銅鎳合金的摩擦系數(shù)要明顯大于鋁青銅合金。由此說明，本文制備的銅鎳合金的耐磨性要好于鋁青銅合金。

4 結(jié) 語

通過以上的研究看出，與傳統(tǒng)的銅合金相比，在銅合金中加入Fe、Zn等元素，可以有效提高合金的硬度，并增加合金的耐磨性。而通過試驗(yàn)也得出，在銅合金制備工藝中，不同工藝階段對溫度的要求不同，結(jié)果表明在熱處理階段，時效設(shè)定為2 h，溫度為550oC 的情況下，其硬度最大。