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高强度高弹性铜合金的组织和性能研究

孙菲  
【摘要】:铍青铜作为一种弹性合金,具有强度和弹性极限高、高温抗应力松弛能力强等优点,已被广泛应用于电子电路、机械制造等行业。但是,铍的化合物或粉尘有剧毒,热稳定性不高。因此,寻求一种无污染、高性能的合金材料来替代铍青铜是十分必要的。 本文选用Cu-5.6Ni-2.5Mn为研究对象,通过添加Sn、Al、Zr元素制成Cu-5.6Ni-2.5Mn-2Sn、 Cu-5.6Ni-2.5Mn-2Sn-Al、 Cu-5.6Ni-2.5Mn-2Sn-2Al、Cu-5.6Ni-2.5Mn-2Sn-2Al-0.2Zr、Cu-5.6Ni-2.5Mn-2Sn-3Al和Cu-5.6Ni-2.5Mn-3Al六种合金,并进行不同的压力加工和热处理。对上述合金试样进行微观组织、力学性能和导电性能进行对比分析,探讨Sn、Al、Zr元素、冷变形和时效工艺对Cu-5.6Ni-2.5Mn微观组织、物理性能的影响,进行确定成分最佳配比和加工工艺。研究表明: 六种不同组分的合金经850℃×1h固溶后,在350℃-600℃条件下进行3-6h的时效处理,对比它们的微观组织与力学和导电性能发现,随着时效温度的增加或时效时间的延长,析出相逐渐增多并弥散分布,使合金得到强化,硬度达到最高,导电率有所上升,若继续升高温度或延长保温时间,将出现过时效现象,硬度和导电率下降;对比经0%-50%的冷变形量后合金的的组织与性能得知,随着变形量的加大,合金晶内出现大量的滑移带和孪晶带,硬度和强度提高,导电率稍有上升,比未经冷变形的同种合金具有更好的综合性能。分析不同热处理工艺和压力加工下各合金的微观组织与力学性能,最终确定了六种合金的较佳热处理工艺。 通过分析不同Al含量的Cu-5.6Ni-2.5Mn-2Sn合金的物理性能和热加工性能,发现随着Al元素的添加,合金的硬度和强度不断升高,导电率下降,若Al元素含量超过3%,在热加工过程中合金易出现裂纹,如Cu-5.6Ni-2.5Mn-2Sn-3Al合金在热轧和拉伸时容易出现裂纹和异常断裂,导电率很低,性能较差;研究了添加Zr元素对Cu-5.6Ni-2.5Mn-2Sn-2Al合金组织与性能的影响,发现微量Zr元素可以细化合金的晶粒,提高铜合金的强度,强化晶界,减少富Sn偏析;研究了Sn对Cu-5.6Ni-2.5Mn-3Al合金组织与性能的影响,发现Sn元素的添加使Cu-5.6Ni-2.5Mn-3Al合金的成分偏析和热脆性几率增加,大大降低了合金的使用寿命。综合对比六种合金,发现添加2%Al和0.2Zr的Cu-5.6Ni-2.5Mn-2Sn-2Al-0.2Zr合金在保证导电率的同时具有较高的硬度和优异的热加工性能。 比较六种合金得知,Cu-5.6Ni-2.5Mn-2Sn-2Al-0.2Zr合金经850℃×1h固溶+46%冷变形+450℃×4h时效处理后,组织均匀,物理性能优异,硬度为272HV,导电率为9.8%IACS,硬度和导电率配比较理想。经测,其弹性模量E为115GPa, e为554MPa, e为1.33MJ·m~(-3),与铍青铜的相当,具有良好的综合性能,可替代铍青铜作为新型弹性材料。


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