微量元素 B 对 CuNiMnFe 合金铸态组织与性能的影响1.doc
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1、精品论文微量元素 B 对 CuNiMnFe 合金铸态组织与性能的影响1赵建平,邹军涛,范志康西安理工大学材料科学与工程学院,西安 (710048)摘要:研究了微量元素B对CuNiMnFe合金铸态组织与硬度的影响。结果表明,CuNiMnFe 合金中B的添加量在00.15wt%范围内,随着B元素的添加量的增加,合金组织中树枝晶逐 渐细化,共晶组织减少并向球状变化,枝晶内颗粒状析出相明显增多,B元素的添加量达到0.10wt%时枝晶组织细化明显,板条状离异共晶相相明显减少,颗粒状相明显增多;B元 素的添加量达到0.10wt%时,CuNiMnFe合金布氏硬度达到最高值139。关键词:CuNiMnFe 合
2、金;B 元素;组织;变质处理 中图分类号:TG146. 11文献标识码:A1 引言高强高导电铜合金既具有高强度和良好的塑性,又继承了紫铜的优良导电、导热性能1, 已被广泛应用于电器工程开关的触头、发动机的集结环、电枢、转子,以及冶金工业中的高 炉风口等。在纯铜钟加入适量的镍、锰、铁等元素可制成CuNiMnFe合金,CuNiMnFe合金 是一种新型结构合金,具有很好的物理性能、力学性能和化学性能,在400下仍然具有接近铍青铜的室温性能2-5。该类型的合金在国外主要是美俄两国曾进行开发研制工作,主要应用于军事领域,在国内有西安理工大学、长安大学、北京有色金属研究院等三家科研院6-8 所也有相关方面
3、的研究,但关于微量元素B元素对CuNiMnFe合金的影响尚未有所报道。而B 元素作为合金的“维生素”,在合金中可以起到强烈的变质剂的作用。此外,B大量偏聚于晶 界,还能改变界面能量,有利于改变晶界上第二相的形态,使之更易于球化,提高晶界强度。 本文研究了不同添加量的B对CuNiMnFe合金铸态组织及性能的影响。2 试验过程本试验以 CuNiMnFe 合金为研究对象,其原始成分:20wt%Ni, 20wt%Mn,5wt%Fe,余量 为 Cu。在 CuNiMnFe 合金熔炼前按合金成份分别称取 Ni、Mn、Fe 金属粉末进行配料,其 中微量元素 B 的添加量分别为 0、0.025、0.05、0.1
4、0、0.15(wt %),然后在混料机上搅拌10 小时使金属粉末充分混合均匀,然后混合粉末置入石墨坩埚中,并将纯铜棒放入粉末上, 最后将其放入烧结炉中进行熔炼。熔炼设备采用热压烧结炉,熔炼温度为 1250,熔体保 温 60 min,然后随炉冷却。采用 HB-3000 布氏硬度计测量 5 种不同添加量的 CuNiMnFe 合 金铸锭的硬度,并在铸锭的相同部位制取金相试样,采用腐蚀 剂(5gFeCl3+20mlHCl+100mlH2O )腐蚀,最后通过 JSM-6700F 场发射扫描电子显微镜、JEM-3010 透射电子显微镜和 Oxford INCA 能谱仪进行组织观察和相分析。3 实验结果与分
5、析3.1B 元素对 CuNiMnFe 合金组织的影响未添加元素B制备的CuNiMnFe合金组织形貌如图1(a)所示。其中树枝状是基体相, 枝晶间是共晶相(+)以及枝晶杆上较为细小的析出相。经分析,相是MnFe4金属间化1本课题得到高等学校博士点基金(20050700002)的资助。- 4 -合物,合金中分布于枝晶间成光板状形态的相也是MnFe4金属间化合物,使离异共晶相。合金在凝固过程中由于显微偏析,枝晶间富集溶质的含量达到共晶成分点时,发生共晶反应, 形成蜂窝状共晶相(+)如图1(c)所示经分析可知,通常在非平衡凝固条件下,结晶后 组织中初晶很多,共晶体数量较少,且共晶体中的相依附于初晶相生
6、长,将共晶体中的 相推到最后凝固的晶界处,从而使共晶体两组成相相间的组织特征消失。a)(+)(b)c)10m图 1 CuNiMnFe 合金组织形貌Fig 1 the microstructure of CuNiMnFe alloy图2为CuNiMnFe合金TEM照片图2(a)、基体衍射花样图2(b)及晶体结构图图2(c)。经投射电镜分析,相是铜镍的固溶体,并含有一定量的Mn、Fe等元素,基体衍射花样与铜 较为接近,为面心立方结构。(a)(b)(c)(220)(020) (200)(000)图 2 基体相 的 TEM 照片(a)、衍射花样(b)及004晶带轴方向的衍射花样(c)Fig.2 The
7、 TEM image, appearance of superlattice reflections and crystal structure of matrixCuNiMnFe合金添加不同量B(wt)条件下的低倍枝晶形貌如图4所示。由图4(a、b、c、d 、e)可以看出,B元素的添加量在0.000.15wt%范围内时,随着B元素的添加量的增加, CuNiMnFe合金枝晶组织开始细化;B元素的添加量达到0.10wt%时,枝晶组织细化效果明显; 当B元素的添加量达到0.15wt%时,枝晶组织又开始粗化;进一步增加含量,枝晶组织异常 粗大并且产生大量缺陷如图4(e)所示。随着B元素含量得增加,树
8、枝晶间的共晶相明显减 少,当B元素的添加量达到0.10%时共晶相最少,以上可以看出,添加B能够明显细化枝晶组 织,提高了合金的结晶温度,从而在很大程度上减轻了枝晶偏析。a)(b)(e)(c)(d)图 4 添加不同含量 B(wt%)合金的组织Fig.4 The microstructure of alloy with different B additive(a)0.00 wt %B (b) 0.025wt % B (c)0.05wt % B (d) 0.10 wt% B (e) 0.15 wt% B随着B元素添加量的增加,图5所示,基体上析出相明显增加,未添加元素B的合金析出相较少,且存在偏聚
9、现象,随着B元素的添加,析出相明显增多,当B元素的添加量增加 到0.10%时,相大量析出,且分布相对均匀,共晶相明显减少,且(+)共晶相有向球状 发展的趋势。当继续增加B元素添加量时,析出相开始减少,枝晶又开始粗化。当B的添加 量达到0.15wt%时,CuNiMnFe合金组织中出现较多杂质相,严重影响了合金的力学性能。(a)(b)(b)(d)(e)图 5 添加不同含量 B(wt%)合金弥散分布于 基体上的 相形貌Fig.5 The morphology of phase in thematrix with different B additive. (a)0.0wt % B(b) 0.025
10、wt % B (c)0.05 wt % B (d) 0.10 wt % B (e)0.15wt%B实验结果表明,添加一定量的B元素能够明显细化枝晶,使组织明显细化,主要原因是B元素起到了强变质剂的作用,其变质机理是:合金在凝固过程中,由于偏析使固/液界面前 沿液体的平衡液相线温度降升高,界面处成分过冷度减大,致使界面上晶体的生长受到抑制, 枝晶根部出现缩颈而易于断开游离,而且B元素能强化上述过程9另一方面,B元素在铜镍合 金中是表面活性元素,易吸附在固态晶核表面,阻碍了晶体生长所需的原子供应,从而降低 了晶体长大率;同时,在氢、碳、氮、氧这样一些典型的间隙元素中,B元素原子半径最大, 具有强烈
11、的微观和宏观偏析倾向。在晶粒尺度的微观范围内,B元素强烈向晶界和枝晶间偏 聚。变质剂的偏析程度可用偏析系数|1-k|来表示11-12。|1-k|值越大,则变质剂越易偏析,变 质效果越好。B在Fe中的偏析系数|1-k|值为0.950.988,可见B元素的偏析程度很大。B元素 的强偏析作用,促使更多的枝晶缩颈及晶体游离,因而晶核大量增殖,晶粒显著细化。当过多加入B元素时,将会减小B元素原子的成分过冷作用,使得B元素的偏析作用过于强烈,过早地包住晶核,抑制稳定晶核形成,反而导致有效晶粒数目减少,晶粒粗化。CuNiMnFe合金在随炉冷却的过程中,从基体上脱溶出来的相形态及分布都与溶质元 素Mn、Fe扩
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