時(shí)效處理對(duì)Cu-Be合金組織及性能的影響

金美玲

（遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110161）

0 引言

Cu-Be合金是一種典型的析出強(qiáng)化型合金，因其具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性及良好的耐蝕性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于彈性元件、高速高溫工作條件下的軸承等，與此同時(shí)對(duì)Cu-Be合金的綜合性能要求也在不斷提高，選用合理的熱處理工藝參數(shù)對(duì)提高Cu-Be合金力學(xué)性能、導(dǎo)電性能有重要影響[1-3]。Cu-Be合金按其鈹含量的不同可分為低鈹合金（0.2%～0.7%）和高鈹合金（1.6%～2.0%），與低鈹合金相比，高鈹合金具有性能更加優(yōu)越[4]。如：國(guó)外學(xué)者Watanabe[5]對(duì)Cu-Be合金時(shí)效析出過(guò)程進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，合金在時(shí)效過(guò)程的四個(gè)階段：GP區(qū)→γ″相→γ′相→γ相中，主要強(qiáng)化相為基體中的γ′相，提高了合金的性能[6]。進(jìn)一步地，彭麗軍等[7]研究發(fā)現(xiàn)，時(shí)效初期階段Cu-Be合金發(fā)生的調(diào)幅分解以及γ′相的形成致使合金的強(qiáng)度和電導(dǎo)率均升高。

由此可見(jiàn)，時(shí)效工藝對(duì)Cu-Be合金性能具有較大影響，不僅可提升合金的高溫性能，也可調(diào)控其綜合性能，使之滿足更多種環(huán)境下的服役要求[8-13]。然而，該類(lèi)合金時(shí)效后，其顯微組織及性能之間的關(guān)系鮮有報(bào)道?；诖?，選用了鈹含量為2.0%的Cu-Be合金為基礎(chǔ)材料，對(duì)時(shí)效處理過(guò)程中Cu-Be合金組織及性能的變化規(guī)律進(jìn)行研究，研究發(fā)現(xiàn)時(shí)效時(shí)間和時(shí)效溫度對(duì)該合金的影響尤為顯著，為擴(kuò)大其實(shí)際應(yīng)用范圍提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)用原料為C17200合金棒材，其化學(xué)成分：Be為2.0%，Ni為0.2%，Co為0.4%，余量為Cu。合金棒材在馬弗爐（KSL-1200X）中進(jìn)行固溶處理，固溶溫度為850℃、固溶時(shí)間為30 min，固溶處理后迅速水冷。隨后在箱式電阻爐中進(jìn)行時(shí)效，時(shí)效溫度分別為420℃、450℃、480℃和510℃，時(shí)效時(shí)間分別為0.5 h、1 h、1.5 h、2 h、3 h、4 h、6 h 和 8 h。

采用D60k數(shù)字金屬電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x測(cè)量合金的電導(dǎo)率；采用UH250型數(shù)顯維氏硬度測(cè)試儀測(cè)量合金硬度，多次測(cè)量取平均值；在S-3400 N掃描電子顯微鏡下觀察合金組織形貌。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖1為不同時(shí)效階段Cu-2.0Be合金的硬度變化規(guī)律。從圖中可以看出，雖然時(shí)效溫度不同，但隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，合金硬度均呈現(xiàn)先增高后下降的趨勢(shì)，且在硬度升高階段隨時(shí)效溫度的升高到達(dá)峰值所需的時(shí)效時(shí)間越短。如在420℃時(shí)效時(shí)，合金的硬度值在時(shí)效4h時(shí)達(dá)到峰值為322HV，而后合金硬度會(huì)隨時(shí)效時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)而下降，這主要是由于合金過(guò)時(shí)效所致，其他時(shí)效溫度下當(dāng)硬度達(dá)到峰值后同樣會(huì)出現(xiàn)過(guò)時(shí)效所致的硬度下降。其中時(shí)效溫度為450℃時(shí)，會(huì)出現(xiàn)最大硬度峰值331HV，達(dá)到最大峰值的時(shí)效時(shí)間也比420℃時(shí)有所縮短。而在時(shí)效溫度為480℃、510℃的時(shí)效過(guò)程中，雖出現(xiàn)峰值的時(shí)間大大縮短，但對(duì)應(yīng)的峰值硬度分別為274HV、239HV，較比450℃下降的很多。

圖1 不同時(shí)效溫度處理下Cu-2.0Be合金硬度圖

為此，可得出：時(shí)效溫度一定時(shí)，合金的硬度均隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)呈先增加，達(dá)峰值后下降的趨勢(shì)。其中合金硬度在達(dá)峰值及之前，經(jīng)較短時(shí)間時(shí)效后，即可獲得相對(duì)大幅提高。

為測(cè)試合金的導(dǎo)電性能，對(duì)不同時(shí)效溫度下不同時(shí)效時(shí)間的電導(dǎo)率進(jìn)行了測(cè)試，如圖2所示。固溶處理之后由于Cu-2.0Be合金處于過(guò)飽和固溶體狀態(tài)，其電導(dǎo)率僅為18.3%IACS。而隨時(shí)效時(shí)間的增加，不同時(shí)效溫度下合金的電導(dǎo)率均出現(xiàn)上升，但當(dāng)達(dá)到峰值后，增加速度隨時(shí)效時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)會(huì)逐漸變得緩慢。其中450℃時(shí)效4 h時(shí)電導(dǎo)率最高為32.1%IACS，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是由于過(guò)高的時(shí)效溫度會(huì)影響原子的自由能，最終導(dǎo)致電導(dǎo)率降低。具體分析如下：一方面合金經(jīng)過(guò)固溶處理后，由于內(nèi)部的原子缺陷，合金中的原子勢(shì)能會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致電導(dǎo)率發(fā)生變化[14]。另一方面，時(shí)效初期Be原子濃度很高，發(fā)生脫溶反應(yīng)后大量溶質(zhì)元素從基體中析出，從而減弱了合金的畸變程度，因此時(shí)效初期的電導(dǎo)率上升較快[15]；隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，Be原子的濃度降低，析出能力也逐漸下降，電導(dǎo)率也會(huì)逐漸降低。故合金的電導(dǎo)率主要與原子缺陷和原子濃度有關(guān)。

圖2 Cu-2.0Be合金不同時(shí)效溫度下不同時(shí)效時(shí)間的電導(dǎo)率

綜合以上合金硬度及電導(dǎo)率，可以得出當(dāng)時(shí)效溫度分別為420℃、450℃、480℃和510℃時(shí)，合金硬度達(dá)到峰值所用的時(shí)間分別為4 h、3 h、2 h和1 h，且合金硬度及電導(dǎo)率均會(huì)隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)呈先增大后降低趨勢(shì)。

Cu-2.0Be合金固溶處理后的顯微組織如圖3所示，固溶處理可使Cu-Be合金中的溶質(zhì)原子逐步固溶進(jìn)合金基體當(dāng)中，直至該溫度下的最大溶解度。水淬之后，合金雖處于過(guò)飽和狀態(tài)，但高溫固溶處理使得合金晶粒有所長(zhǎng)大，以至于其硬度相對(duì)較低。

圖3 固溶處理Cu-2.0Be合金SEM組織圖

圖4分別為420℃、450℃、480℃和510℃時(shí)效溫度下不同時(shí)效階段，欠時(shí)效、峰值時(shí)效及過(guò)時(shí)效的合金顯微組織形貌。從圖4（a）-（c）中可以看出，420℃時(shí)效溫度下，合金三種時(shí)效狀態(tài)有一定程度的差別。欠時(shí)效狀態(tài)下合金的析出相數(shù)量較比峰值時(shí)效下少，且峰值時(shí)效下合金基體中析出相的分布相對(duì)較為彌散，而過(guò)時(shí)效狀態(tài)下的析出相出現(xiàn)偏聚現(xiàn)象，導(dǎo)致硬度及電導(dǎo)率下降；

圖 4（d）-（f）為時(shí)效溫度 450 ℃時(shí)合金的組織形貌，處于該時(shí)效溫度的合金在欠時(shí)效狀態(tài)下，基體中析出相較比420℃欠時(shí)效狀態(tài)下有所增多，但析出相的形狀仍不規(guī)則且有聚集現(xiàn)象，為此硬度及電導(dǎo)率略有提升，當(dāng)達(dá)到峰值時(shí)效時(shí)（如圖4（e）），大量的分布彌散的圓盤(pán)狀析出物出現(xiàn)，此時(shí)過(guò)飽和固溶體繼續(xù)分解，脫溶物增加，強(qiáng)化了合金的力學(xué)性能，其硬度及電導(dǎo)率大幅提升，加之此時(shí)合金中過(guò)渡相的密度增加，也會(huì)對(duì)提升合金硬度起到一定促進(jìn)作用[16]。而合金處于過(guò)時(shí)效狀態(tài)下，隨著時(shí)效的進(jìn)行，過(guò)飽和固溶體繼續(xù)脫溶，析出物長(zhǎng)大粗化，合金的硬度和電導(dǎo)率也隨之下降。

圖 4（g）-（i）和圖 4（j）-（l）分別為時(shí)效溫度480℃時(shí)和510℃下合金三種時(shí)效狀態(tài)的組織形貌。與時(shí)效溫度為450℃時(shí)的三種時(shí)效狀態(tài)下顯微組織形貌相比，時(shí)效溫度的提高不僅未使基體中析出物的數(shù)量增多反而大幅減少，析出物的形狀及分布程度也未見(jiàn)有所改善。尤其是時(shí)效溫度為510℃時(shí)，合金中析出相的粗化現(xiàn)象最為嚴(yán)重，很早就出現(xiàn)了過(guò)時(shí)效現(xiàn)象，即便是在峰值時(shí)效下析出物的數(shù)量、形狀也不及時(shí)效溫度為450℃時(shí)獲得的多和規(guī)則，致使合金的電導(dǎo)率和硬度值大幅降低。因此，過(guò)高的時(shí)效溫度反而會(huì)降低合金性能。

圖4 不同時(shí)效處理下Cu-2.0Be合金SEM組織圖

綜合以上分析，不同時(shí)效溫度下的合金隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，析出物的數(shù)量先增加后減少，析出物形狀由趨于圓盤(pán)狀到不規(guī)則，分布情況由逐漸彌散到偏聚集。相應(yīng)地由于上述析出物的數(shù)量、形狀及彌散程度的影響，合金硬度及電導(dǎo)率呈現(xiàn)圖1和2中先上升后下降的規(guī)律。

3 結(jié)論

對(duì)于Cu-2.0Be合金，時(shí)效溫度對(duì)合金影響較為顯著，當(dāng)時(shí)效溫度較低時(shí)，不能有效形成析出強(qiáng)化效果，而時(shí)效溫度較高時(shí)，又容易使析出相粗大團(tuán)聚進(jìn)而影響綜合性能，因此選用較為合適的時(shí)效溫度是尤為重要的。該合金在450℃時(shí)效處理3 h時(shí)，合金力學(xué)性能及導(dǎo)電性能可達(dá)最佳，此時(shí)合金的硬度和相對(duì)電導(dǎo)率分別為331HV和32.2%IACS。而當(dāng)時(shí)效溫度一定時(shí)，Cu-2.0Be合金的硬度會(huì)隨著時(shí)效時(shí)間的增加先增大后減小，且時(shí)效溫度越高合金硬度達(dá)到峰值所用的時(shí)間越短，而合金的電導(dǎo)率則隨著時(shí)效時(shí)間的增加一直增大，只是增大的速率逐漸降低。