Cu-9.5Ni-2.3Sn-0.25Si合金铸态组织与时效性能的研究

刘东辉，杨胜利

(江西理工大学材料科学与工程学院，江西 赣州 341000)

随着科学技术的发展，人们对广泛应用于弹性材料领域的铜基材料提出了更高的要求：既要提高强度以减小元件尺寸，又要具有高的弹性性能和电导性。Cu-Ni-Sn合金是一种很有发展前途的新型铜基弹性材料，它价格便宜且性能优良，特别是抗高温应力松弛能力强。Sn含量的提高可以提高时效硬化效果并加速时效硬化过程。赵建国[1-2]等人研究发现，随着Ni、Sn含量的增加，合金的硬度、抗拉强度均会提高，并且合金成分为Cu-15Ni-8Sn时达到最大。随后若继续增加Ni、Sn含量，性能指标反而下降[3-4]，同时由于含Sn量高的Cu-Ni-Sn合金在凝固过程中会形成富Sn的偏聚物，导致热轧开裂而无法生产板材[5-6]。因此提高低Sn含量合金的性能将有很大的发展空间。对于低Sn含量的Cu-Ni-Sn合金的研究，国外已有很多报导。当Sn含量小于4%时，Cu-Ni-Sn合金在时效过程中将不发生调幅分解[7-10]。Cu-9.5Ni-2.3Sn合金就是固溶强化型合金，但其强度低而无法替代铍铜。但向Cu中添加Si可以明显抑制Cu-Ni-Sn合金时效后期不连续沉淀的出现，Si主要是与Ni结合，在晶界上形成非常细小的Ni2Si相颗粒，占据了γ-(Cu,Ni)3Sn相的形核位置，抑制了层片状α+γ不连续沉淀物的出现。王艳辉[11]等人曾研究过添加0.4%Si的Cu-15Ni-8Sn合金，发现时效过程中由于Ni2Si的出现，使基体合金元素贫化，电导率升高至12%IACS左右，一定程度上弥补了其电导率的不足。另外，在时效过程中除了调幅分解强化外，还会因为Ni2Si相的沉淀析出而产生额外强化以达到沉淀强化的目的。

本文选择添加0.25%Si的C72500合金进行研究。研究了合金铸态组织与固溶时效工艺，通过对合金的组织结构、时效工艺的分析和研究，以期获得较为合适的热处理工艺，从而对生产实践起指导作用。

1 试验材料及方法

C72500合金成分为(质量分数%)：Ni8.5～10.5，Sn1.8～2.8，杂质Mn≤0.2，Pb<0.05杂质Fe和Zn均不得大于0.5，其它杂质微量(≤0.2)。本实验用电解铜、纯镍(剪成细小薄片)、铜锡中间合金(90wt%Sn)为原材料，采用高纯石墨坩埚，在50kg中频炉中进行熔炼，最后形成100mm×40mm×16mm的坯料。合金铸锭经850℃×0.5h热轧(加工率为80%)后进行800℃×2h固溶，进行70%的形变冷轧后再进行时效处理。金相试样先后经粗磨、细磨、抛光、腐蚀，浸蚀液配比3gFeCl3+2mlHCl(浓)+96mlH2O，浸蚀时间为5-10s，取样品用砂纸表面磨光滑后，应用SIGMASCOPE SMP10型导电仪对试样进行电导率的测试，并在维氏硬度计上进行硬度测定，每个试样测量3次取平均值。采用金相显微镜、扫描电镜对样品的微观形貌进行观察和能谱仪、MinifleX-射线衍射仪进行物相分析。

试验所得合金成分采用帕纳科PW2424型X荧光仪进行检测。检测结果如表1所示，从表中可以看出，合金元素都在合金范围之内。

表1 Cu-Ni-Sn铸锭成分分析结果(质量分数%)

2 实验结果与分析

2.1 铸态组织结构分析

(a) 低倍 (b) 高倍

图2 Cu-9.5Ni-2.3Sn-0.25Si合金微观组织扫描电镜照片(2000X)

图1为Cu-9.5Ni-2.3Sn-0.25Si合金铸态组织低倍与高倍的金相组织照片。从图1(a)可以看出：Cu-9.5Ni-2.3Sn-0.25Si合金铸态组织中具有明显的树枝状偏析特征，其中枝晶非常发达。在低倍下枝晶间与枝晶上的黑白两区分得很明显，在高倍像中(见图1(b)中)可以看出枝晶上并不是完全空白，而是由白色的基体与其上分布的许多白色点状，块状黑色物相所组成的，枝晶间也有许多小黑点或黑色块状物。造成这样现象应是由于元素枝晶偏析的原因。这是因为合金首先结晶出的Cu与Ni原子富集的固溶体呈白亮色树枝状晶体，枝晶间为溶质原子Sn、Si富集的区域(黑色部分)，在黑色部分里面还夹着白亮的第二相析出物，这一组织在扫描电镜相片中清晰可见(图2)。为了祥细的分析Cu-9.5Ni-2.3Sn-0.25Si合金铸态组织构成，对金相样品进行了能谱分析与XRD分析。在图中：A为树枝状枝晶部分，B为枝晶间骨状组织，C为块状白亮色化合物。其中表2为合金铸态组织能谱分析结果，图3为合金铸态组织XRD分析结果。从表2中可以看出，合金中的Sn分布不均匀，其中树枝状枝晶A处为贫Sn区，此处组织中Cu、Ni原子比为6∶1，由此可知应为Cu-Ni固溶体，即为α固溶体。枝晶间骨状组织B区域处Sn的含量为5.47%，Si含量为0.94%，此处Ni、Sn、Si原子百分比为5.4∶1.4∶1，结合图3可推测出此枝晶间骨状组织析出物为固溶Cu的Ni2Si与Ni3Sn相的混合物[12-13]。在C点所示的区域含Sn的含量为3.06%，而原子百分比为1.64，此部分的Ni、Sn原子比为Ni∶Sn∶Si=9.6∶1.4∶1，结合图3可推测出此白亮块析出物为固溶在α固溶体中Ni3Si与Ni4Sn相的混合物[14]。

总之，对于Cu-9.5Ni-2.3Sn-0.25Si合金来说，铸锭存在Sn元素的枝晶偏析，枝晶发达。对于常规的Cu-Ni-Sn合金而言，除了Ni3Sn、Ni4Sn相外，Si元素的加入使合金中产生了新相Ni2Si与Ni3Si。