[科普中国]-钛青铜

简介

铜合金以其优良的导电、传热性能在工程上获得了广泛应用。随着科学技术的进步, 现代工业装备的发展对铜合金的综合性能提出了新的要求, 期望其保持导电性的同时还具备高强度和耐热性。高强度、耐热、导电铜合金的代表材料为CuCo2Be合金, 该材料在国内外已有多年的应用, 但由于合金元素Co、Be的资源紧缺和价格昂贵使得CuCo2Be合金成本一直很高, 且CuCo2Be合金在熔铸过程中产生的铍及其化合物粉尘是毒性最为严重的工业污染物,含铍铜合金的生产对环境和人体健康构成了极大威胁, 促使材料工作者及相关产业致力于研制和开发含铍铜合金的代用材料。目前已见应用报道并形成了行业标准的铍青铜代用材料是CuNi2SiCr合金, 该合金强度较高, 但导电性能较CuCo2Be合金降低了15%左右, 故其应用领域受到一定限制。文中研究的钛青铜的综合性能达到了CuCo2Be合金水平, 但该材料工艺条件要求苛刻, 在工业化生产中质量控制难度大, 因此开展该材料的热加工工艺及组织性能研究意义重大。

钛青铜材料的化学成分中Ni和Ti组成金属间化合物, 通过沉淀析出对基体进行强化, 是合金中的主要强化相;Cr和Zr可细化晶粒、提高材料的热强性, 同时也存在析出强化作用;B和RE在合金中净化晶界、提高合金的导电性能。因此, 钛青铜的热处理主要包含固溶和时效工艺1。

固溶处理钛青铜固溶处理的目的是使第二相粒子充分、均匀地溶入基体内, 并经快冷(水淬)得到过饱和固溶体, 为材料的冷变形和沉淀强化作准备。确定合金固溶的有效性是通过检验溶质原子在基体中的溶解度来实现的, 第二相粒子在基体中的溶解度越大, 所引起的晶格畸变越显著, 致使材料对电子的散射能力增强, 在宏观上表现为导电性能下降, 在冷变形量固定条件下材料成品时的晶粒度与固溶温度相关, 通过测量固溶处理后材料的导电性及成品时的晶粒度来确定最佳固溶温度。材料在940℃ ×1h(水淬)条件下固溶最充分, 但是在冷变形量固定条件下材料成品时的晶粒度与固溶温度相关, 合金晶粒度越大对超声波的衰减越明显, 所以在确定固溶温度时应考虑材料的晶粒度,选择900℃ ×1h(水淬)为固溶处理工2艺。

冷变形合金固溶后的冷变形可增加晶体内部的位错密度, 显著提高其强度和硬度, 为时效析出提供空间,冷变形引起的晶格畸变较少, 因而对合金的电导率影响较小, 钛青铜槽楔等产品多采用自由锻成形。在相同时效温度条件下, 合金硬度的峰值时间与冷变形率成反比, 亦即加大冷变形量可缩短时效时间, 实践表明大变形量时合金的晶粒细小, 但易诱发锻件内部裂纹和析出物的偏聚现象, 变形量太小晶粒不够细, 又不满足超声波探伤的基本条件, 因此材料冷变形量应控制在15% ～ 25%之间。

时效处理合金经固溶和冷变形后的时效处理是沉淀强化合金的关键工艺, 在该工艺下第二相粒子从固溶体内匀分析出, 弥散分布在基体中形成沉淀相, 沉淀相能有效阻止晶界和位错的移动, 从而大大提高合金强度, 同时固溶体脱溶后晶格畸变得以恢复, 材料的导电性能获得提升。钛青铜获得峰值硬度的时间与时效温度呈反比, 而其延伸率随时效温度和时间的提高而增加, 试验表明钛青铜的导电率主要随时效时间延长而提高, 但逐渐呈饱和趋势。钛青铜在欠时效时塑性和导电率偏低, 过时效时塑性和导电率较高, 但晶粒明显长大, 不利于超声波探伤检验, 生产汽轮发电机槽楔时应选择硬度峰值时间, 其时效温度在500 ～ 520℃较为理想3。

合金性能钛青铜在典型的热处理及变形工艺条件下的综合性能达到了美国PDS13411 AL和ASTM B441所规定的铍钴铜合金的性能水平。断口的韧窝内存在细小的粒子, 韧窝形状显示为等轴韧窝, 韧窝尺寸比较均匀, 说明材料的塑性能力较高, 且第二相粒子分布均匀, 体现了弥散强化特征。断口上可以明显看出韧窝的形状, 保持了一定的塑性, 断口氧化也较轻, 说明材料有良好的热强性和抗氧化性。

金相组织钛青铜采用900℃固溶后不同时效工艺条件下的金相组织, 可以看出材料的晶粒度对温度的敏感性较强, 随时效温度升高晶粒明显变大。当固溶温度一定时, 在510 ±10℃范围内时效, 材料的强塑性有良好的匹配, 且晶粒度满足探伤的基本要求,加工方向平行面的金相组织, 该截面上存在许多孪晶, 孪晶对材料有一定的强化作用, 在超声波作用下孪晶相互运动而吸收能量, 使超声波产生衰减, 因此在进行超声波探伤时应考虑这一因素进行适当补偿2。

微观组织及强化机理高强度、耐热、导电钛青铜的合金元素总量小于3.5%, 属于高铜合金, 在固溶强化合金中钛等元素对导电性能的影响比较大, 而时效析出的第二相颗粒对铜合金导电性的影响在3%IACS以下, 合金主要是通过沉淀强化来获得高强度和保持其导电性能。由衍射花样标定显示该相是纯Cr, Cr相的颗粒尺寸在500nm左右。在TEM下观测的铜基体上的弥散析出相, 析出相的尺寸在20 nm左右, 通过对衍射花样的标定, 证明该析出相为Ni3Ti, 基体为纯铜组织。对于析出相的尺寸越大合金的强度和硬度就会越低, 因此钛青铜的主要强化相为金属间化合物Ni3 Ti, 析出的Cr相由于尺寸较大, 对合金强度的贡献量相对有限。在合金中Zr以怎样的形式还有待于研究, 理论研究表明在该合金中还可能存在CuxZr的析出相, 在大量的实验研究中未能找出证明依据, 所以在文中成分特征条件下的钛青铜属于复合析出强化机制。由导电理论可知金属间化合物呈现大电阻特征, 但析出相的体积分数较小, 故材料仍保持良好的导电性能3。

总结1)钛青铜经900℃ ×1h(水淬)+20%(冷变形)+510℃ ×1.5h热处理条件下的室温性能如下:σb为720MPa, σ0.2为640MPa, δ5 为15%, HRB为96, 电导率为50%IACS;在427℃试验条件下的力学性能如下:σb为530MPa, σ0.2为460 MPa, δ5 为5%, 达到了PDS13411 AL和ASTMB441所规定的铍钴铜合金性能指标。

2)钛青铜是以Ni3 Ti和Cr复合沉淀强化, 其中Ni3Ti析出相的尺寸在20nm左右, 在基体上呈弥散分布为主强化相。

3)与铍钴铜相比钛青铜的晶粒度对温度敏感性强, 材料应避免在过时效状态下使用1。