时效处理对Cu-Be合金组织及性能的影响

金美玲

（辽宁装备制造职业技术学院，辽宁沈阳 110161）

0 引言

Cu-Be合金是一种典型的析出强化型合金，因其具有高强度、高导电性及良好的耐蚀性等优点被广泛应用于弹性元件、高速高温工作条件下的轴承等，与此同时对Cu-Be合金的综合性能要求也在不断提高，选用合理的热处理工艺参数对提高Cu-Be合金力学性能、导电性能有重要影响[1-3]。Cu-Be合金按其铍含量的不同可分为低铍合金（0.2%～0.7%）和高铍合金（1.6%～2.0%），与低铍合金相比，高铍合金具有性能更加优越[4]。如：国外学者Watanabe[5]对Cu-Be合金时效析出过程进行研究时发现，合金在时效过程的四个阶段：GP区→γ″相→γ′相→γ相中，主要强化相为基体中的γ′相，提高了合金的性能[6]。进一步地，彭丽军等[7]研究发现，时效初期阶段Cu-Be合金发生的调幅分解以及γ′相的形成致使合金的强度和电导率均升高。

由此可见，时效工艺对Cu-Be合金性能具有较大影响，不仅可提升合金的高温性能，也可调控其综合性能，使之满足更多种环境下的服役要求[8-13]。然而，该类合金时效后，其显微组织及性能之间的关系鲜有报道。基于此，选用了铍含量为2.0%的Cu-Be合金为基础材料，对时效处理过程中Cu-Be合金组织及性能的变化规律进行研究，研究发现时效时间和时效温度对该合金的影响尤为显著，为扩大其实际应用范围提供参考。

1 实验材料和方法

实验用原料为C17200合金棒材，其化学成分：Be为2.0%，Ni为0.2%，Co为0.4%，余量为Cu。合金棒材在马弗炉（KSL-1200X）中进行固溶处理，固溶温度为850℃、固溶时间为30 min，固溶处理后迅速水冷。随后在箱式电阻炉中进行时效，时效温度分别为420℃、450℃、480℃和510℃，时效时间分别为0.5 h、1 h、1.5 h、2 h、3 h、4 h、6 h 和 8 h。

采用D60k数字金属电导率测量仪测量合金的电导率；采用UH250型数显维氏硬度测试仪测量合金硬度，多次测量取平均值；在S-3400 N扫描电子显微镜下观察合金组织形貌。

2 实验结果与讨论

图1为不同时效阶段Cu-2.0Be合金的硬度变化规律。从图中可以看出，虽然时效温度不同，但随时效时间的延长，合金硬度均呈现先增高后下降的趋势，且在硬度升高阶段随时效温度的升高到达峰值所需的时效时间越短。如在420℃时效时，合金的硬度值在时效4h时达到峰值为322HV，而后合金硬度会随时效时间进一步延长而下降，这主要是由于合金过时效所致，其他时效温度下当硬度达到峰值后同样会出现过时效所致的硬度下降。其中时效温度为450℃时，会出现最大硬度峰值331HV，达到最大峰值的时效时间也比420℃时有所缩短。而在时效温度为480℃、510℃的时效过程中，虽出现峰值的时间大大缩短，但对应的峰值硬度分别为274HV、239HV，较比450℃下降的很多。

图1 不同时效温度处理下Cu-2.0Be合金硬度图

为此，可得出：时效温度一定时，合金的硬度均随着时效时间的延长呈先增加，达峰值后下降的趋势。其中合金硬度在达峰值及之前，经较短时间时效后，即可获得相对大幅提高。

为测试合金的导电性能，对不同时效温度下不同时效时间的电导率进行了测试，如图2所示。固溶处理之后由于Cu-2.0Be合金处于过饱和固溶体状态，其电导率仅为18.3%IACS。而随时效时间的增加，不同时效温度下合金的电导率均出现上升，但当达到峰值后，增加速度随时效时间的进一步延长会逐渐变得缓慢。其中450℃时效4 h时电导率最高为32.1%IACS，出现这一现象的主要原因是由于过高的时效温度会影响原子的自由能，最终导致电导率降低。具体分析如下：一方面合金经过固溶处理后，由于内部的原子缺陷，合金中的原子势能会发生变化，导致电导率发生变化[14]。另一方面，时效初期Be原子浓度很高，发生脱溶反应后大量溶质元素从基体中析出，从而减弱了合金的畸变程度，因此时效初期的电导率上升较快[15]；随着时效时间的延长，Be原子的浓度降低，析出能力也逐渐下降，电导率也会逐渐降低。故合金的电导率主要与原子缺陷和原子浓度有关。

图2 Cu-2.0Be合金不同时效温度下不同时效时间的电导率

综合以上合金硬度及电导率，可以得出当时效温度分别为420℃、450℃、480℃和510℃时，合金硬度达到峰值所用的时间分别为4 h、3 h、2 h和1 h，且合金硬度及电导率均会随时效时间的延长呈先增大后降低趋势。

Cu-2.0Be合金固溶处理后的显微组织如图3所示，固溶处理可使Cu-Be合金中的溶质原子逐步固溶进合金基体当中，直至该温度下的最大溶解度。水淬之后，合金虽处于过饱和状态，但高温固溶处理使得合金晶粒有所长大，以至于其硬度相对较低。

图3 固溶处理Cu-2.0Be合金SEM组织图

图4分别为420℃、450℃、480℃和510℃时效温度下不同时效阶段，欠时效、峰值时效及过时效的合金显微组织形貌。从图4（a）-（c）中可以看出，420℃时效温度下，合金三种时效状态有一定程度的差别。欠时效状态下合金的析出相数量较比峰值时效下少，且峰值时效下合金基体中析出相的分布相对较为弥散，而过时效状态下的析出相出现偏聚现象，导致硬度及电导率下降；

图 4（d）-（f）为时效温度 450 ℃时合金的组织形貌，处于该时效温度的合金在欠时效状态下，基体中析出相较比420℃欠时效状态下有所增多，但析出相的形状仍不规则且有聚集现象，为此硬度及电导率略有提升，当达到峰值时效时（如图4（e）），大量的分布弥散的圆盘状析出物出现，此时过饱和固溶体继续分解，脱溶物增加，强化了合金的力学性能，其硬度及电导率大幅提升，加之此时合金中过渡相的密度增加，也会对提升合金硬度起到一定促进作用[16]。而合金处于过时效状态下，随着时效的进行，过饱和固溶体继续脱溶，析出物长大粗化，合金的硬度和电导率也随之下降。

图 4（g）-（i）和图 4（j）-（l）分别为时效温度480℃时和510℃下合金三种时效状态的组织形貌。与时效温度为450℃时的三种时效状态下显微组织形貌相比，时效温度的提高不仅未使基体中析出物的数量增多反而大幅减少，析出物的形状及分布程度也未见有所改善。尤其是时效温度为510℃时，合金中析出相的粗化现象最为严重，很早就出现了过时效现象，即便是在峰值时效下析出物的数量、形状也不及时效温度为450℃时获得的多和规则，致使合金的电导率和硬度值大幅降低。因此，过高的时效温度反而会降低合金性能。

图4 不同时效处理下Cu-2.0Be合金SEM组织图

综合以上分析，不同时效温度下的合金随时效时间的延长，析出物的数量先增加后减少，析出物形状由趋于圆盘状到不规则，分布情况由逐渐弥散到偏聚集。相应地由于上述析出物的数量、形状及弥散程度的影响，合金硬度及电导率呈现图1和2中先上升后下降的规律。

3 结论

对于Cu-2.0Be合金，时效温度对合金影响较为显著，当时效温度较低时，不能有效形成析出强化效果，而时效温度较高时，又容易使析出相粗大团聚进而影响综合性能，因此选用较为合适的时效温度是尤为重要的。该合金在450℃时效处理3 h时，合金力学性能及导电性能可达最佳，此时合金的硬度和相对电导率分别为331HV和32.2%IACS。而当时效温度一定时，Cu-2.0Be合金的硬度会随着时效时间的增加先增大后减小，且时效温度越高合金硬度达到峰值所用的时间越短，而合金的电导率则随着时效时间的增加一直增大，只是增大的速率逐渐降低。