复杂锡镍黄铜合金加工硬化及再结晶温度的研究

付博闻，刘 峰，廖骏骏，李宝绵，丁 桦

(1.东北大学 材料科学与工程学院，沈阳 110819；2.宁波兴业盛泰集团有限公司 省级企业技术中心，浙江 宁波 315336；3.东北大学 材料电磁过程研究教育部重点实验室，沈阳 110819)

随着“互联网+”信息时代的到来，被视为“第四次工业革命”的信息革命推动着信息产业的迅速发展，我国的电子信息产业也正以前所未有的机遇迅速发展，已成为国家的支柱产业之一.电子信息领域对电子元器件的使用需求量也越来越大，而弹性材料在其中扮演着越来越重要的角色.弹性合金因其弹性模量温度系数小，易加工成精密件等特性，被广泛应用于制造端子、弹簧、电器接插件等导电弹性元器件[1-3].目前在国内市场，锡磷青铜和铍青铜是最常用的铜基弹性合金.其中，锡磷青铜由于含锡量高，在铸造过程中非常容易产生锡的偏析，铸造后通常需要经过长时间的均匀化处理，另外由于其加工硬化率高，需要经过多次中间退火，导致合金的生产效率大大降低，成本提高.铍青铜被称为“有色金属弹性之王”，以铍为主要添加元素的铍铜合金具有良好的导电导热性和高弹性能.但因其生产成本高，价格昂贵，对生产条件要求十分苛刻，而且生产时产生的粉尘对作业人员的健康有危害，对环境污染非常严重，在一定程度上限制了铍青铜的工业化应用[4].基于以上情形，发展一种新型的铜合金满足当前的市场需求迫在眉睫.

为了获得高弹性的合金材料，在黄铜合金的基础上添加微量元素是一种行之有效的方法.镍在黄铜中可使α相区扩大，另外，添加镍具有提高合金强度、韧性、抗脱锌及抗应力腐蚀开裂的作用，同时可改善合金的加工性能[5].锡的加入不但能提高黄铜的力学性能，还可以抑制黄铜脱锌，增强合金的耐腐蚀性能，使黄铜对淡水、海水、弱酸性水有相当好的耐腐蚀性能，所以锡黄铜有“海军黄铜”的美誉[6-7].将一定量的Sn与Ni元素加入到普通黄铜合金中，能够提高黄铜合金的强度和硬度，获得较好的弹性性能，而且在制备过程中在很大程度上节约成本，提高效率，在导电率方面也具有明显的优势.

本文对Cu-Zn-Sn-Ni合金进行了冷变形，研究了加工硬化对Cu-Zn-Sn-Ni合金力学性能和导电性能的影响，并根据实验数据得出了加工硬化程度与该合金各项性能指标所对应的关系.此外，通过对经不同变形率变形的冷轧合金进行不同温度的退火，研究退火温度对Cu-Zn-Sn-Ni合金组织及性能的影响，得到合金开始发生再结晶的温度范围，以期为Cu-Zn-Sn-Ni合金板带材的产业化提供理论依据.

1 试验材料及方法

试验材料为经过热轧退火的Cu-Zn-Sn-Ni合金带材，厚度为6.0 mm，其具体化学成分如表1所示.由Cu-Ni相图可知，Ni在Cu中可以无限固溶；而由Cu-Zn-Sn三元相图可知，当锌含量质量分数由0增加到38%时，Sn在α固溶体中溶解度由15%下降到0.75%[8].本文中的Zn为10%左右，Sn仅为0.6%，因此可以推断Sn在铸态时固溶于基体.

表1 Cu-Zn-Sn-Ni合金的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of Cu-Zn-Sn-Ni alloy (mass fraction) %

研究不同压下量的冷轧变形对Cu-Zn-Sn-Ni合金各项性能的影响，具体变形量如下：6.0→5.4→4.8→4.2→3.6→3.0→2.4→1.8→1.5→1.2→1.0 mm.对不同厚度的合金带材在200、300、350、400、450、500、550、600 ℃的温度下进行了1 h的退火处理，确定合金开始发生再结晶时的温度.

对经过冷轧变形的试验样品，沿轧向切割金相试样，经研磨、抛光、腐蚀后，在DSX-500光学显微镜下观察其微观组织.另外，对于不同状态下的样品，分别采用SANS CMT-5105型万能电子试验机、MH-5L型数显维氏硬度计和Sigmasope SMP10型涡流电导仪对其抗拉强度、延伸率、硬度和导电率进行测试.

2 试验结果与分析

2.1 变形量与合金性能的关系

图1(a)示出了Cu-Zn-Sn-Ni合金抗拉强度、延伸率与相对变形量的关系曲线.图1(b)为Cu-Zn-Sn-Ni合金维氏硬度、导电率与变形量的关系曲线.从图中可以看出，合金经冷轧变形后，加工硬化效应明显.随着变形量的增加，该合金在硬度方面和强度方面都得到了提升，随之相对应的是合金的延伸率和导电率明显降低.通过实验数据可以看出，当该合金的变形量在大于75%的情况下时，合金的强度和延伸率趋于稳定，强度约为590 MPa，延伸率约为5%左右.对其分析可知，在冷变形中，位错之间发生交互作用，形成位错缠结和割阶等，位错密度会得到很大程度的提升，从而造成合金在强度方面得到了显著增高，但同时塑性大幅度降低.随着变形程度的增加，位错密度达到一定程度后会逐渐稳定，该合金在强度方面也就达到了极限值，合金的强度将处于一个稳定范围.

由图1(b)可知，在加工硬化过程中，Cu-Zn-Sn-Ni合金的维氏硬度与其强度的变化趋势是一致的，但其导电率变化与变形量的变化趋势是相反的.当变形量达到75%之后，合金的导电率趋于稳定，约为28%IACS，不再有大幅度的变化.这主要是因为在冷塑性变形的情况下，导致晶体缺陷增多，并且随着晶格畸变程度的加剧，点阵电场的不均匀程度增大，导致电磁波散射的加剧.当变形量达到75%以后，合金内部的晶体点阵畸变和晶体缺陷增量达到了极限，开始趋于稳定，因此，此后的冷变形对合金导电率的影响不大.

图1 不同相对变形量对Cu-Zn-Sn-Ni合金性能的影响曲线Fig.1 Effect of reduction on properties of Cu-Zn-Sn-Ni alloy(a)—抗拉强度、延伸率； (b)—硬度、导电率

2.2 合金性能与退火温度的关系

图2为Cu-Zn-Sn-Ni合金在不同退火温度下抗拉强度、导电率及延伸率的变化曲线.从图2(a)中可以看出，当退火温度为200 ℃时，合金强度略有上升.这主要是因为当退火温度为200 ℃时，α1有序固溶体开始向α2有序固溶体进行转变，导致合金的强度略有升高.但是随着退火温度的持续升高，变形量为40%、60%、80%的合金强度呈缓慢降低、剧减，最后缓慢减小的变化趋势，而变形量为20%的合金在450 ℃后强度才开始出现缓慢下降的趋势.

从图2(c)可以看出，合金的导电率随退火温度的升高呈现先增加，随后降低的变化趋势，其中在450 ℃导电率达到最高.合金在塑性变形的过程中产生了大量的空位、位错，对电子的散射作用增强，所以加工态材料的导电率较低.随着退火温度的升高，晶体缺陷得以消除，使合金的导电率升高.实验中观察到了析出相的存在，这种析出过程也会使合金的导电率提高.但当温度高于450 ℃后，导电率下降，如图2(c)所示.这可能是由于Cu-Zn-Sn-Ni合金中的析出相在高温时部分重新回溶，使导电率降低.

图2 退火温度对Cu-Zn-Sn-Ni合金抗拉强度、导电率及延伸率的影响Fig.2 The effect of annealing temperature on tensile strength,electrical conductivity and elongation of Cu-Zn-Sn-Ni alloy(a)—抗拉强度；(b)—延伸率；(c)—导电率

2.3 再结晶温度范围的研究

抗拉强度-退火温度曲线斜率变化的最大部分与合金发生再结晶温度的范围是相对应的[9].通过实验结果可以得到变形量80%的合金开始发生再结晶的温度为400～450 ℃，变形量为60%的合金开始再结晶的温度范围为450～550 ℃，变形量为40%的合金开始再结晶的温度范围为500～550 ℃，变形量为20%的合金再结晶温度为550 ℃以上.可以发现，在变形量增大的情况下，合金开始再结晶的温度范围是降低的.这是因为随着冷变形量的增大，合金晶粒的畸变程度随之增加，导致再结晶时所需要的的驱动力随之增大，相应地提高了合金的再结晶形核率和晶核的长大速度，从而使合金开始发生再结晶的温度范围降低[10].

2.4 退火温度对合金组织的影响

图3为80%变形的Cu-Zn-Sn-Ni合金在不同退火温度下保温1h后的显微组织.合金退火过程时微观组织的变化主要分为以下三个阶段：回复、再结晶和晶粒长大.图3(a)为冷加工态，可见晶粒呈现明显的纤维状组织.当退火温度为300 ℃时，晶粒仍呈纤维状，形状大小与原始组织相比变化不大(图3(b)).从图3(c)中可以看出，当退火温度达到400 ℃时，冷轧纤维组织中开始出现非常细小的等轴晶粒，说明合金已开始发生再结晶.当温度达到450 ℃时，变形晶粒逐渐由无畸变的等轴晶粒代替，如图3(d)所示.当温度达到550 ℃时，再结晶基本完成，合金冷轧的纤维状组织已完全转变成等轴晶粒(图3(e)).当进一步升温达到600 ℃时，晶粒组织开始发生一定程度的长大，如图3(f)所示.

图4为80%变形的Cu-Zn-Sn-Ni合金经不同退火温度保温1 h的TEM显微组织.从图中可以看出，在退火初期，位错呈不均匀、局部高密度区，胞壁处位错密度较大，而在位错胞内部较小，如图4(a)所示.随着退火温度的升高，位错密度有所下降，如图4(b)所示.当进一步升温到达500℃时，可以看到无畸变的等轴晶粒代替了变形组织，此时已发生完全再结晶，如图4(c)所示.同时，仍可以观察到一些析出相.

3 结 论

(1)Cu-Zn-Sn-Ni合金经冷轧变形后，加工硬化效果明显.变形量为80%时，其强度可达590 MPa，延伸率为5.6%，导电率为28.2%IACS.

(2)随着冷变形量增大，合金的抗拉强度和维氏硬度逐渐升高，延伸率和导电率降低.而当变形量大于75%时，合金的强度、硬度、延伸率和导电率都趋于稳定.

(3)合金开始再结晶的温度范围随变形量的增大而降低.研究表明，变形量80%的Cu-Zn-Sn-Ni合金开始发生再结晶的温度范围为400～450 ℃，变形量为60%的合金再结晶温度为450～550 ℃，变形量为40%的合金再结晶温度为500～550 ℃，变形量为20%合金的再结晶温度为550 ℃以上.