高品质因数恒弹性合金Ni40Cr4Ti2MoNb的研制*

王方军, 刘 璇, 刘应龙, 李永友

(1. 重庆材料研究院有限公司，重庆，400707; 2. 国家仪表功能材料工程技术研究中心，重庆 400707； 3. 耐腐蚀合金重庆市重点实验室，重庆 400707)

0 引 言

随着电子通信、仪器仪表行业的发展，恒弹性合金得到了广泛的应用。一些特殊用途的元件，为保证仪器、仪表的灵敏度和准确度，要求较低的频率温度系数和更高的机械品质因数Q。国内研究主要通过调整成分改善这类合金的性能，上海钢研所研制的Ni43-CrTiZrM合金，改善了机械加工性能，其机械品质因数Q>22 000。后研究者在Fe-Ni-Co基础上添加Mo，使得Q>25 000[1-2]。近代工业由于应用场合多元化，恒弹性合金也要求具有各种较好综合力学性能，如强度和硬度。这类合金多为Fe-Ni-Co基，通过控制热处理和冷变形工艺相结合的生产方法，可获得抗拉强度>1 300 MPa，品质因数约为24 000的3J71合金[3]。研究者也围绕Fe-Ni-Co基材料成分、热处理制度、组织、加工等方面做了恒弹合金一些性能的优化[4-7]。也尝试以扩展至其他合金材料进行研究恒弹合金以优化恒弹合金弹性参数性能[8-9]。但可以看到高品质恒弹合金的研究，除关注弹性性能之外，机械品质因数研究则鲜见>30 000，关注材料力学性能的更少[10-15]。

本文基于重庆材料研究院多年研制恒弹合金的基础，通过微调合金成分，尝试研制了一种高品质因数Ni40Cr4Ti2MoNb恒弹合金，并探究了时效热处理温度和不同冷加工工艺对其机械品质因数Q、弹性模量E、拉伸性能对材料各项性能的影响。

1 实 验

实验材料为Fe-Ni-Co基，使用真空熔炼+电渣重熔的双联冶炼方法获得电渣锭。样品熔炼后使用直读光谱仪分析化学成分，详见表1，所有成分质量分数总和为100%，共6件样品。

表1 试样的成分表(%质量分数)

为了方便后续的试验研究，首先准备试样：电渣锭进行热轧、固溶、最后冷拔成为Ø40 mm直棒，标记为原始态样品。对样品进行了室温拉伸、晶粒度、夹杂物、机械品质因数、弹性模量，确认样品的原始状态。

时效制度研究，将6个成分的试样，各取2组拉伸标准试样，1组为原始态，1组分别按690 ℃×3 h、650 ℃×3 h的时效制度进行热处理，与原始态对比力学性能，分析最优的时效制度。

冷加工变形量研究，研究变形量对恒弹合金的各项性能参数影响情况。Ø40 mm直棒进行拉拔加工，变形量加工参数见表2，每次冷拔完成后截断2件L=130 mm冷拔样，在2件L=130 mm样品棒R/2处取拉伸、弹性模量、机械品质因素样品。其中，拉伸样为Ø8 mm标准拉伸样，在万能力学试验机上进行试验；机械品质因素样为5.5 mm×20.5 mm×75 mm长方体样；弹性模量样品为13 mm×13 mm×15 mm长方体样品，均由RFDA HT650弹性测试仪进行测试。

表2 加工变形量参数

冷加工变形量+时效处理研究，将取下的冷拔样品进行时效处理，以时效制度研究的时效处理结果为准，然后对其拉伸、弹性模量、机械品质因素性能参数进行测试分析。

2 结果与讨论

2.1 原始状态的样品分析

图1为Ø40 mm原始样品的组织形貌图。表3 为原始试样性材料性能分析数据。从表中数据可以看出，6件试样材料的夹杂物控制在较低水平，第一件样品晶粒粗大为1级，系锻造成型过程温度偏差导致；其他样品晶粒度较细小约为4～5级，图中组织均匀弥散分布少量碳氮化物，组织均匀。性能测试结果没有显示突出性能的样品，性能较为均匀表明成分未对试样力学性能产生明显的影响。

图1 原始样品典型组织形貌Fig 1 The typical microstructure of original specimens

表3 原始态试样性能参数

2.2 时效制度对恒弹合金性能的影响

进行热处理试样的力学性能见图2。经过时效热处理以后，材料的力学性能有了较为明显的增加，其中650 ℃×3 h的热处理制度得到的力学性能优于690 ℃×3 h。朱亚辉研究表明弹性合金的机械品质因数在650 ℃的时效处理获得峰值[15]，本文时效制度研究与之类似。在随后的加工量的研究中，时效热处理制度均选用的是650 ℃×3 h。

图2 时效热处理后力学性能对比Fig 2 The comparison of mechanical properties after aging heat treatment

对650 ℃×3 h处理的试样，对其组织、弹性模量、机械品质因数等参数进一步分析。试样热处理后典型组织的示意图见图3，组织主要为变形组织，未见明显孪晶。但可以看出A-1#试样的晶粒度依然明显粗化(图3(a))未通过热处理细化晶粒，与图1原始样品图比，组织点状析出相明显增多。由于1#试样晶粒粗化，A-1#试样时效热处理后力学性能明显比其它的试样差。热处理后样品弹性模量、机械品质因素数据见表4，在相同热处理制度下，样品w(Mo)%成分为变量，经时效处理后可以看出，A-1#、A-2#、A-6#的机械品质因数远高于其他几个试样，但w(Mo)%成分变化对弹性模量E影响不大，但可以明确的是合金的成分对材料的机械品质因数有一定影响的。

表4 650 ℃×3 h热处理样品性能

图3 650 ℃×3 h热处理样品典型组织形貌Fig 3 The typical microstructure of specimens after aging heat treatment

2.3 加工量对恒弹合金力学及弹性性能的影响

对不同冷拔变形后的原始态试样和冷拔+时效热处理后的试样进行综合测试分析。加工后，组织形貌仍为变形组织，随着变形量增加织构特征更明显。通过时效处理以后，进行组织拍照，典型样貌见图4，所选取的图为4#和A-4#样品，与仅冷拔处理的材料组织对比可看到，时效处理的组织晶粒没有回复、重新生长组织特征。冷拔后样品和热处理后样品的力学性能见图5，从图5可以看出，冷拔变形量增加不能明显提升试样的力学性能，说明在本文的变形量下，加工硬化未显著产生。图5为A-3#试样加工态和时效态的电镜扫描形貌图，经过时效处理的样品相对冷加工态样品析出的球状沉淀硬化相，扫描分析析出相经分析为主要富集Nb(Ti)相，也就是γ′相。从3组样品数据来看，时效处理平均提升了28%的力学性能，其中A-2#、A-3#、A-6#号试样的力学性能较好，其抗拉强度分别为1 377、1 366、1 389 MPa，均超过了1 300 MPa。经过时效热处理，材料经过较大变形量产生大量晶体内部缺陷，为γ′相析出提供了较多的形核点，其弥散状分布在基体上产生时效强化效应。又从图6中看出，再一次验证w(Mo)%与改善力学性能没有直接、明显的联系。另外，从成分表1中可以看到2#、3#、6#均为Nb含量较高的试样，或表明Nb含量与改善力学性能可能有一定关系。

图4 试样冷拔原始态和时效热处理后的典型组织形貌图Fig 4 The typical microstructure of cold deformation and aging heat treatment specimens

图5 冷拔加工和冷拔后+时效热处理的A-3#试样SEM照片Fig 5 SEM image of A-3# sample of cold deformation and aging treatment after cold deformation

图6 冷变形和时效热处理对材料力学性能的我影响Fig 6 The effect of cold deformation and aging heat treatment on material mechanical property

对时效处理后的多变形量的样品进行恒弹合金相关参数的测试分析。图7为变形量与机械品质因数Q、弹性模量E的关系图。从图7(a)可以看到，在32%的变形量处，机械品质因数随变形量变化存在一个低谷值，平均Q值为22 920，低于14%变形量的26 387和40%变形量的44 857。根据机械品质因数Q的测试原理，变形量不太大时，位错密度增加对内耗的贡献起主导作用；随着变形量的增加，材料内部产生的位错密度增多，在外力作用下运动产生内耗，降低机械品质因数Q值；当变形量很大时，在位错密度增加，大量位错相互交结而形成位错网，起固定钉扎作用而阻碍位错的运动，使内耗减小[16]。也就是说，如果弹性合金的变形研究范围够大，Q值会存在谷值。在赵玉华等研究的铁磁恒弹合金提到这一临界变形量为20%[4]。本文变形范围涵盖文献所提临界点的研究，虽临界值不一定同为20%，但结果显示，14%～40%之间可能存在临界变形量。

图7 变形量与机械品质因数Q、弹性模量E的关系Fig 7 The relationship between deformation and mechanical quality factor Q and elastic modulus

一般认为，弹性模量对材料组织的变化、组织中存在的弥散第二强化相等组织特性变化是不敏感的[17-18]。也有研究表明，但冷加工变形后，轧制产生的定向织构会使弹性模量产生各向异性。垂直轧制方向，弹性模量小于平行轧制方向的结果[1-2]。从图6(b)中可以看到，在本文研究的冷拔变形范围，沿垂直方向测量的14%的变形量和32%对弹性模量E的变化很小，14%的变形量平均E值为179.9 GPa，而32%为180.9 GPa。在达到40%的变形量以后，略有增加，为187.0 GPa。实际整体无明显区别。轧制产生了变形织构组织，弹性模量E相对于原始态略有下降。

2.4 化学成分对恒弹合金弹性性能的影响

图8为w(Mo)%的变化与恒弹合金相关参数的关系，此时样品为经过冷加工和时效处理后样品。恒弹合金的机械品质因数Q对化学成分的变化比较敏感，通过微调合金成分方法，精确控制这些参数。Fe-Ni-Mo系合金相对Fe-Ni-Cr系合金，适当的添加Mo可提升机械品质因数Q值[2]。从图8(a)中可以看到，机械品质因数Q随着Mo的变化波动较大，其中w(Mo)%=1.84和w(Mo)%=2.37对应的机械品质因数较高。变形量为14%和40%时，增加w(Mo)%含量有利于提升机械品质因数Q值的，但Mo含量与机械品质因素Q关联性远小于机械加工带来的影响。在本文研究样本中，处于临界变形量附近的变形量32%,w(Mo)%增加不会使得机械品质因数Q值增加，反而下降。这表明了本文的研究对象Ni40-Cr4Ti2MoNb合金机械品质因素Q，机械加工影响占主导作用。

从图8(b)中看出，冷加工变形以后，w(Mo)%成分变化依然对弹性模量基本没有影响，基本稳定在180GPa左右，说明冷加工对弹性模量的影响是微小的。

图8 w(Mo)%与机械品质因数Q、弹性模量E的关系Fig 8 The relationship between w(Mo)% and mechanical quality factor Q and elastic modulus

综合研究结果来看，本文3#(w(Mo)%=1.84)变形度40%，热处理650 ℃×3 h的试样，Q值达46 866，弹性模量和力学性能优质，整体综合性能较好，达到高品质机械因数恒弹合金要求的预期。

3 结 论

研制了一种高品质因数的恒弹合金Ni40-Cr4Ti2MoNb，通过考量冷加工、热处理制度研究了其力学性能、机械品质因数、弹性模量参数，得出以下结论：

(1)650 ℃×3 h的热处理制度得到的力学性能优于690 ℃×3 h。材料冷加工以后，配合650 ℃×3 h的时效热处理制度，可以平均提升其原始态28%的力学性能。

(2)仅增加冷加工的变形量不能明显提升合金的力学性能；在14%～40%之间可能存在临界变形量，此时合金的机械品质因数Q最低，而越过该点，Q值会对应增加。弹性模量与冷变形量大小无显著关系

(3)w(Mo)%含量的变化与力学性能、弹性模量无明显的相关关系；变形量为14%和40%时，w(Mo)%含量增加有利于提升Q值；变形量为32%时，w(Mo)%增加反而降低Q值，表明机械加工对Q值得影响占主导影响。

(4)通过对6组不同成分试样的时效、加工工艺研究，经40%变形+650 ℃×3 h时效处理的w(Mo)%为1.84%试样(3#)Q值为46 866，Q>45 000，抗拉强度1 366 MPa，Rm>1 300 MPa，弹性模量E为186.9，E>180 GPa，综合性能较好，达到高品质机械因数恒弹合金要求的预期。