超高强CuNiSi系弹性导电铜合金制备及相关基础研究

【摘要】摘要：铍青铜虽具有高强度、高弹性、高硬度、高耐磨性和优良的导电性能,并在模具、导电簧片、导电弹性元器件上获得了广泛的应用。但该合金由于含铍这一剧毒元素,在生产过程中严重危害人们的健康。同时铍青铜在高于200℃环境下服役使用时,其强度、弹性急剧降低,应力松弛率甚至高达40%以上,影响器件使用甚至工作失效。因此需要开发出新型的超高强、高导电、高抗应力松弛的无铍环保型导电弹性铜合金。本文采用熔铸法研制了一种超高强、高导电、高抗应力松弛Cu-6.0Ni-1.OSi-0.5Al-0.15Mg-0.1Cr合金,并对该合金的成分设计、形变热处理、加工工艺参数、沉淀相变行为、高温应力松弛行为和海水腐蚀行为进行了系统的研究和分析,得出如下主要结论：(1)合金的铸锭组织呈树枝状结构,基本可以分为枝晶骨架、枝晶间的非平衡凝固第二相粒子和过渡区。枝晶骨架主要为α-Cu相,第二相粒子主要为Ni2Si相、Ni3Si(Ni74Si26)和Ni3Al相。Al、Mg、Cr元素则均匀地分布在基体中。(2)合金高温压缩变形的真应力-真应变曲线具有动态再结晶特征,可分为加工硬化、回复和动态再结晶三个阶段。绘制的应变量为0.6时的加工图表明合金适宜的热加工温度范围为850℃-900℃。试样在750℃下热压缩变形后,截面形成了立方织构{001}<100>；800℃变形后形成Gauss织构{011}<100>和旋转立方织构{001}<110>；850℃和900℃变形后则形成Copper织构{112}<111>、S织构{123}<634>和Gauss织构{011}<100>。(3)合金合适的形变热处理工艺为：940℃/4h均匀化退火→900℃热轧80%→980℃/4h固溶处理→冷轧50%→450℃C/1h时效处理,获得的性能为：硬度341HV,电导率26.5%IACS,抗拉强度1090MPa,屈服强度940MPa,伸长率3.5%。合金在450℃时效具有很好的抗过时效能力,即使时效20小时后硬度值仍有330.1HV。峰时效态合金在室温、100℃和200℃下加载100小时后的应力松弛率分别为4.05%、6.52%和9.74%。(4)合金过饱和固溶体在450℃时效相变贯序为：过饱和固溶体→L12有序化(Ni3Si)→β-Ni3Si相→β-Ni3Si相+δ-Ni2Si相。在450℃时效5min后即发生沉淀析出,析出相尺寸约为3-4nm；时效15min后,析出相尺寸长大为4-5nm；时效60min后,析出相为β-Ni3Si和δ-Ni2Si相,尺寸为6-8nm；时效480min后,析出相为β-Ni3Si,δ-Ni2Si和δ’-Ni2Si相,尺寸为13-15nm。(5)过饱和固溶体在500℃C时效处理5min后,即出现了Ni3Si相L12有序化,时效处理10min后合金中出现了条带状的不连续胞状析出。550℃时效处理5min后即发生了不连续胞状析出。600℃C时效处理10min后,合金发生了沉淀析出,主要沉淀析出相为8-Ni2Si,时效1h后,δ-Ni2Si分布上出现了存在不同方向的变体。650℃等温时效10min后,合金发生了δ-Ni2Si析出相沉淀析出,粒子呈棒状,尺寸约为100nm,时效30min后析出相尺寸长大到约150nm,时效60min后析出相长大至200nmo。700℃等温时效10min后,合金发生了8-Ni2Si相沉淀析出,粒子尺寸约为100nm。750℃等温时效10min后,合金发生了8-Ni2Si相沉淀析出,析出相粒子呈棒状,尺寸约为150nm。时效30min后,粒子呈圆盘状,尺寸约为250nm。(6)欠时效、峰时效和过时效态三种状态下,合金的静态腐蚀速率分别为0.033226mm/a,0.022975mm/a和0.0019456mm/a,合金的耐蚀能力大小为：过时效>峰时效>欠时效。XPS定量分析结果表明合金样品表面的腐蚀产物主要由Cu2O、CuO和Cu2(OH)3Cl构成。在NaCl溶液的浸泡过程中,铜氧化生成Cu2O,部分Cu2O进一步氧化成为CuO,部分Cu2O、H2O和CuCl结合形成Cu2(OH)3Cl。合金在氯化钠溶液中浸泡后生成了成分为碱式氯化铜Cu2(OH)3Cl和CuCl2·3Cu(OH)2的腐蚀产物,对合金表面具有一定的保护作用。
【作者】雷前；
【导师】李周；
【作者基本信息】中南大学，材料科学与工程，2014，博士
【关键词】导电弹性材料；时效处理；超高强；应力松弛；腐蚀；相变；

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