1、时效时间对 Cu-0.2Be-0.5Co 合金组织及性能的影响 王迎鲜 贾淑果 周延军 宋克兴 李周 河南科技大学材料科学与工程学院 河南省有色金属材料科学与加工技术重点实验室 中南大学材料科学与工程学院 摘 要： 研究了时效时间对 Cu-0.2Be-0.5Co 合金显微硬度和导电率的影响, 采用透射电子显微镜 (TEM) 观察分析了微观组织随时效时间的变化。结果表明:Cu-0.2Be-0.5Co 合金在 460时效条件下显微硬度和导电率随时效时间的变化规律基本一致:时效初期 (0 2 h) 急剧升高, 时效中期 (2 4 h) 缓慢增加, 时效后期 (4 8 h) 趋于稳定。析出相结构为 B
2、e12Co 化合物相, 与 Cu 基体的位向关系为112011Be12Co。析出相的大量析出和弥散分布导致合金硬度的显著增加, 由固溶态的 97 HV0.1 增加至时效 2 h 后的 243 HV0.1;铜基体晶格畸变程度的恢复导致合金导电率显著增加, 由固溶态的 32.3%IACS 增加至时效 2 h 后的57.1%IACS。在试验范围内, Cu-0.2Be-0.5Co 合金经 9501 h 固溶+4602 h 时效处理后综合性能优良。关键词： Cu-0.2Be-0.5Co 合金; 显微硬度; 导电率; 组织; 作者简介：王迎鲜 (1989) , 女, 硕士研究生, 主要从事高性能铜合金及先
3、进制备加工技术研究, 联系电话:18697792209, E-mail:。作者简介：贾淑果, 教授, 博士, 联系电话:0379-64231269, E-mail:收稿日期：2017-02-16基金：国家重点研发计划 (2016YFB0301401) Effect of aging time on microstructure and properties of Cu-0.2Be-0.5Co alloyWang Yingxian Jia Shuguo Zhou Yanjun Song Kexing Li Zhou School of Materials and Engineering, Hen
4、an University of Science and Technology; School of Materials and Engineering, Central South University; Abstract： Effect of aging time on the microhardness and electrical conductivity of Cu-0. 2 Be-0. 5 Co alloy after aging treatment were studied.Microstructures of the alloy were analyzed by TEM. Th
5、e results show that the microhardness and electrical conductivity of the Cu-0. 2 Be-0. 5 Co alloy aged at 460 have the same regularity with the change of aging time. They increase sharply in the early aging stage ( 0-2 h) , and then increase slowly in the middle stage ( 2-4 h) , and tend to be stabl
6、e in the later stage ( 4-8 h) . The relationship between the matrix and precipitates is112 011Be12 Co. The precipitation in quantity and dispersive distribution of the precipitates result in a significant increase in the hardness of the alloy from 97 HV0. 1 in the solution state to 243 HV0. 1 after
7、2 h aging. Recovery of the lattice distortion results in a significant increase in the electrical conductivity of the alloy from 32. 3% IACS in the solution state to 57. 1% IACS after 2 h of aging. The optimum heat treatment for the Cu-0. 2 Be-0. 5 Co alloy is solution treated at 950 for 1 h and age
8、d at 460 for 2 h.Keyword： Cu-0.2Be-0.5Co alloy; microhardness; electrical conductivity; microstructure; Received： 2017-02-16铍青铜合金作为优良的弹性材料, 经固溶时效处理后具有高强度、高导电导热性、无磁性、耐蚀、耐磨等一系列优点, 广泛应用于电子通讯、汽车制造、航空航天、油气钻探、家用电器、仪器仪表等领域1-6。根据 Be 含量的不同, 可将铍青铜分为高强铍青铜合金 (含铍量为 1.6%2.0%) 和高导铍青铜合金 (含铍量为 0.2%0.6%) 7-9。近年来, 国内外
9、众多学者对高强铍青铜合金时效析出行为进行了广泛深入的研究。英国伦敦大学的 W.Bonfield 等10对 Cu-1.81Be-0.28Co 合金的时效析出机制进行了研究, 发现合金在低于 380连续析出为主导机制, 高于 380为不连续析出机制, 不连续析出物 与连续析出物 具有相同的结构、晶格常数和位向关系。北京科技大学的 Y.C.Tang 等11研究了 Cu-1.9Be-0.3Ni-0.15Co 合金的时效析出行为, 发现合金软态时效和硬态时效的析出转变机制是不同的, 前者为均质形核, 后者为异质形核, 异质形核促进了时效析出转变, 硬态时效形核率在时效 5 min 时达到 21.4%,
10、均质形核 60 min 达到 6.4%。智利大学的 E.Donoso 等12利用 DSC 研究了 Cu-2Be-0.2Mg 合金的时效析出序列。国内外关于铍青铜时效析出行为的研究方面主要集中在高强铍青铜合金, 而对铍含量较低的高导铍青铜合金时效析出方面的研究鲜有报道。因此, 本文针对铍含量较低的 Cu-0.2Be-0.5Co 合金, 从微观组织角度揭示了合金硬度和导电率的变化规律。1 试验材料与方法本试验所用原料为电解铜板、纯 Co 片和 Cu-3.3Be 中间合金, 熔炼前对原料进行表面除锈、烘干等预处理。配料称量后, 采用 KGPT200-2.5 型中频感应炉进行熔炼, 在高纯石墨坩埚中放
11、入电解铜板, 加热到 12001250, 待铜板全部熔化后, 分别加入纯 Co 片和 Cu-3.3Be 中间合金。熔炼过程采用木炭覆盖, 磷铜脱氧, 石墨棒不断搅拌进行除气除渣, 最后在金属型模具中完成浇铸, 合金名义成分和实际成分如表 1 所示。将浇铸后的 Cu-Be-Co 合金经机加工成80 mm130 mm 坯料。采用 XJ-500 金属型材挤压机将坯料挤成 12 mm 棒料, 坯料加热温度为 950并保温 1 h。将挤压态试样进行固溶处理, 固溶处理温度为 (9506) , 保温时间为 1 h, 并在 (4603) 条件下进行不同保温时间 (0.5、1、2、3、4、6、8 h) 的时效
12、处理, 出炉空冷。固溶及时效处理在 KSS-1200间开管式炉中进行, 处理过程采用高纯氮气保护。表 1 Cu-Be-Co 合金的名义和实测化学成分 (质量分数, %) Table 1 Nominal and actual chemical composition of the Cu-Be-Co alloys (mass fraction, %) 下载原表 时效处理后试样在 Sigma2008B/C 数字涡流金属电导仪进行导电率测量, 单位为%IACS, 多次测量求平均值;并通过 HVS-1000A 型数显显微硬度计测量其显微硬度, 加载砝码 100 g, 保载时间 15 s, 多次测量, 以
13、减少误差。利用电火花切割机将时效后试样加工为 0.5 mm 厚的薄片, 在砂纸上进行机械预减薄至 5080m, 冲裁成3 mm 薄片, 将薄片样品通过电解双喷减薄, 电解液为80%CH3OH+20%HNO3 (体积分数) 混合溶液, 工作温度为-30, 工作电流为 85 m A, 最后在 JEM-1200 透射电镜下进行微观组织观察。2 试验结果与分析2.1 时效时间对 Cu-0.2Be-0.5Co 合金性能的影响图 1 为 460时效条件下 Cu-0.2Be-0.5Co 合金显微硬度及导电率随时效时间的变化曲线。从图 1 中可以看出:整体上, Cu-0.2Be-0.5Co 合金经 460时效
14、后的显微硬度在时效初期 (02 h) 快速上升, 2 h 达到 243 HV0.1, 较固溶态的 97 HV0.1 提升了 150.5%, 随时效进行 (23 h) 合金显微硬度缓慢增大, 随时效时间进一步延长 (38 h) , 合金显微硬度没有发生明显变化, 8 h 维持在 248 HV0.1。在时效初期 (02 h) , Cu-0.2Be-0.5Co 合金过饱和程度较高, 析出速度较快, 第二相的数量在短时间内迅速增多, 对位错的阻碍作用增大, 所以显微硬度在时效初期迅速上升;随着时效的进行 (28 h) , 合金内部溶质原子过饱和度明显降低, 第二相析出驱动力不足, 显微硬度缓慢上升,
15、最终保持稳定。图 1 460时效条件下合金显微硬度及导电率随时效时间变化曲线 Fig.1 Microhardness and electrical conductivity of the alloy aged at 460for different time 下载原图此外, 由图 1 知, 经 460时效后 Cu-0.2Be-0.5Co 合金的导电率整体变化趋势与显微硬度类似, 在时效初期 (02 h) 急剧升高, 2 h 达到 57.1%IACS, 较固溶态 (32.3%IACS) 提升了 76.8%;时效中期 (23 h) 导电率增加趋势变缓, 随时效时间进一步延长 (38 h) , 合金
16、导电率基本趋于稳定, 保持在57%IACS58%IACS。固溶于 Cu 基体中溶质元素的种类、数量及晶粒尺寸的大小对合金的导电率影响较大, 溶质原子和晶界会对电子产生散射作用13。时效初期, Cu 基体中溶质原子 Be、Co 过饱和度较高, 促使第二相析出的驱动力较大, 大量合金元素 Be、Co 从 Cu 基体中快速析出, 过饱和固溶体晶格完整性得到明显恢复, 减弱了合金内部晶格畸变程度及对电子的散射作用, 导电率快速上升;随着时效进行, 基体中固溶元素 Be、Co 的浓度减小, 析出驱动力减弱, 析出速度变缓, 导电率趋于稳定。2.2 时效时间对 Cu-0.2Be-0.5Co 合金析出相特征
17、的影响图 2 为固溶态 Cu-0.2Be-0.5Co 合金透射照片。从图 2 中可以看出, 固溶态 Cu-0.2Be-0.5Co 合金以过饱和固溶体为主, 未发现明显的析出相, 结合电子衍射花样发现, 仅有一套 Cu 基体的衍射花样, 如图 2 (b) 所示。图 3 为 Cu-0.2Be-0.5Co 合金 460下时效 2 h 和 4 h 的透射照片。由图 3 (a) 可知, 在 460下时效 2 h 后的 Cu-0.2Be-0.5Co 合金, 晶体内部出现大量椭球形第二相, 析出相尺寸长度在 79 nm 之间, 宽度在 24 nm 间, 较弥散分布在Cu 基体内。图 3 (b) 为对应区域电
18、子衍射斑点, 经分析标定较强衍射斑点为-Cu 基体, 其晶带轴为 , 较弱衍射斑点为 Be12Co, 第二相与基体的位向关系为 。从 3 (c) 中可以看出, 随着时效的进一步进行, Cu-0.2Be-0.5Co 合金在 460下时效 4 h 后, 析出相形貌仍为椭球形, 尺寸较时效 2 h 基本不变, 平均长度在 710 nm 之间, 宽度在 34 nm 间, 分布均匀。对相应电子衍射花样标定, 如图 3 (d) , 图谱中仅存在 Cu 基体和析出相Be12Co 的两套斑点。合金时效过程中第二相的分布、形貌及尺寸等特征是影响其显微硬度的主要因素, 由于时效初期, 第二相 Be12Co 的析出
19、, 使 Cu 基体晶格错配而在析出相周围产生弹性应变场, 弹性应变场的相互交错作用提高了 Cu-0.2Be-0.5Co 合金的显微硬度。而 Cu-0.2Be-0.5Co 合金时效初期具有大量的过饱和浓度空位, 溶质原子 Be、Co 可以通过这些过饱和空位迅速形成溶质富集区, 导致第二相偏聚, 分布不均匀, 且两析出相间距较大, 容易被位错切过14, 故时效初期 Cu-0.2Be-0.5Co 合金显微硬度增幅不大。时效早期, 过饱和固溶体脱溶分解形成Be12Co 第二相, Cu 基体初步得到净化, 减弱对电子散射作用, Cu-0.2Be-0.5Co合金导电率快速上升。Cu-0.2Be-0.5Co
20、 合金 460时效 2 h 后, Cu 基体基本得到净化, 第二相析出动力不足, 显微硬度及导电率缓慢上升, 最后保持稳定。图 2 固溶态 Cu-0.2Be-0.5Co 合金的 TEM 照片和电子衍射斑点 Fig.2 TEM micrograph and electron diffraction pattern of the Cu-0.2Be-0.5Co alloy as solution treated 下载原图图 3 Cu-0.2Be-0.5Co 合金 460时效不同时间后的 TEM 照片 (a, c) 及电子衍射斑点 (b, d) Fig.3 TEM micrographs (a, c)
21、 and electron diffraction patterns (b, d) of the Cu-0.2Be-0.5Co alloy aged at 460for different time 下载原图(a, b) 2 h; (c, d) 4 h3 结论1) Cu-0.2Be-0.5Co 合金 460下导电率及显微硬度随时效时间的变化规律基本一致, 在时效初期 (02 h) 急剧升高, 时效中期 (24 h) 缓慢增加, 时效后期 (48 h) 趋于稳定。2) Cu-0.2Be-0.5Co 合金 460时效条件下, 析出相为 Be12Co, 与 Cu 基体的位向关系为 , 第二相 Be1
22、2Co 的大量析出及弥散分布使Cu-0.2Be-0.5Co 合金显微硬度及导电率较固溶态得到显著改善。3) 试验范围内, Cu-0.2Be-0.5Co 合金经 9501 h 固溶+4602 h 时效处理后的综合性能最佳, 导电率为 57.1%IACS, 显微硬度为 243 HV0.1。参考文献1Behjati P, Dastherdi H V, Mahdavi R.Influence of ageing process on sound velocity in C17200 copper-beryllium alloyJ.Journal of Alloys and Compounds, 201
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