时效处理对AuCuNi合金的微观结构及力学性能的影响

袁晓虹，李 伟，刘俊峰，武海军 *，孔令娇，甘建壮，陈登权

时效处理对AuCuNi合金的微观结构及力学性能的影响

袁晓虹1, 2，李 伟1，刘俊峰3，武海军1 *，孔令娇1，甘建壮1, 2，陈登权1

(1. 贵研铂业股份有限公司 稀贵金属综合利用新技术国家重点实验室，昆明 650106；2. 贵研检测科技(云南)有限公司，昆明 650106；3. 中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015)

AuCuNi合金常用在各种低电压轻负荷的滑动电接触环境中做电刷、导电环材料，在时效过程中发生无序-有序相变使得合金硬度显著提高。通过显微硬度测试、X射线衍射分析(XRD)以及透射电镜(TEM)显微分析等方法，研究了不同温度和不同时间时效条件下Au-32Cu-13Ni合金的微观结构及力学性能的变化规律。结果表明，200~250℃温度范围内合金获得的时效硬化效果最佳；250℃时效处理1.5 h后，合金发生α0→AuCuI有序相变，且随着时效时间增加，有序相持续析出，晶格畸变减低，基体α0峰位回归Au(200)的标准峰位附近；经TEM分析确认，合金在250℃下时效5天后析出了具有四方结构的AuCuI(L10)有序相，且在有序化的过程中可能形成孪晶。

金属材料；AuCuNi合金；时效硬化；微观结构；力学性能

AuCuNi合金是重要的Au基三元合金，常用于轻负荷电接触材料、精密电位器的电刷材料以及电位器绕组材料等[1-2]。AuCuNi合金通过时效处理会发生无序-有序转变，即从无序结构(立方系)转变到有序结构(非立方系)。而相变导致的晶格畸变等可以使合金的强度性质发生显著提高。在Au-Cu合金系中[3]，AuCu和AuCu3有序相使强度明显提高，Au3Cu也使强度有一定提高[4-9]。当合金尚未完全有序时，会出现最大硬度值，与析出强化效果类似。Ni元素是Au基合金的重要添加元素，常通过固溶强化和调幅分解对基体产生强化。不同的Ni添加量对Au-Cu合金的相变产生显著影响，以Au0.5Cu(0.5-x)-Ni(摩尔分数)合金相图为例，当Ni摩尔分数低于3%时，在385~410℃之间主要为AuCuII有序相；而温度低于385℃，AuCuII完全消失，生成AuCuI有序相[10]。当Ni摩尔分数高于3%时，相转变温度降低，析出相为AuCuI有序相。

因此，研究不同时效处理温度和时间对AuCuNi合金微观结构和力学性能的影响规律及其内在联系，能够更好地解析其强化机制，以改进工艺获得较好的综合性能。

1 实验材料与方法

实验Au-32Cu-13Ni(质量百分数)合金[10]采用真空高频感应熔炼方法制备。铸锭在700℃/4 h均匀化处理后进行冷轧、中间退火等工序后获得2 mm厚的板材并切片。试样经过氩气保护700℃/30 min固溶处理后淬入冰盐水中，随后在马弗炉中进行不同温度、不同时间的时效处理，时效温度分别为150、200、250和300℃，时效时间分别为10 min、30 min、1.5 h、2.78 h、14 h、27.78 h、5 d和20 d。

硬度测试在日本岛津HMV-FA2维氏显微硬度计上进行，载荷为200 g，加载时间为15 s。每个数据点采用5个硬度测量值的平均值。采用日本理学Rigaku DMAX-RB 12 kW旋转阳极X射线衍射仪，Cu Kα靶，步长为0.02°，以分析固溶处理及时效过程中生成物相的种类及结构。而时效处理后合金的微观精细结构表征使用FEI Tecnai G2F30型场发射透射电子显微镜进行观察。

2 结果与讨论

2.1 力学性能变化规律

图1为不同时效处理温度下随着时间的延长，AuCuNi合金硬度(HV0.2)变化的曲线。由图1可见，随着时间延长，合金发生明显的时效硬化现象。在200~250℃(即473~523 K)范围内获得的时效硬化效果最佳。473 K时，时效时间>0.5 h后，硬度迅速提高，在时效1.5 h时达到较高水平320，之后硬度的上升速率减小，硬度缓慢增长；时效2.78 h后，硬度达到最大值334；而时效14 h后，硬度开始缓慢下降，但依然保持在较高的水平(>310)。而更高的时效温度523 K条件下，时效处理1.5 h后硬度达到最大值，随后硬度缓慢下降，但也保持在较高的水平。低温423 K进行时效处理，直到14 h后才体现出显著的时效硬化效果，硬度达到最大值325，之后硬度呈现下降的趋势。而573 K处理反而阻碍了有序化转变的进行，该温度段未能获得较好的硬化效果。

图1 AuCuNi合金随时间的时效硬化曲线

综合图1的时效硬化曲线的变化规律可知，423K时硬度的上升速率较为缓慢，达到硬度最大值所需的时效时间也延长；473~523K时，硬度的上升速率较快，达到最大硬度所需的时间较短，所能达到的最大硬度值也高于423 K，表现出明显的时效硬化特性；而573 K时，时效硬化特性不明显，这与Ni元素对合金的有序化转变影响有关。

2.2 微观结构演变分析

图2为合金在250℃下时效处理不同时间后的XRD图谱。由图2可以看出，固溶(S.T.)处理后AuCuNi合金保持Au的晶体结构，但由于Cu、Ni的加入使得晶格产生畸变，衍射峰向高角度偏移，与纯Au的标准峰对比所有峰位都向高角度偏移近1°左右。其连续固溶体α0的5强峰(111)、(200)、(220)、(311)和(222)均非常明显。

与固溶态相比，在250℃时效处理0.5 h后，α0固溶体基体的(001)峰消失，而其余衍射峰强度均出现大幅度衰减，(200)峰位开始左移。经过250℃时效处理1.5 h后，AuCuI有序相的衍射峰(222)、(311)出现，说明此时已经析出有序相，合金发生α0→ AuCuI的有序相转变，有序相的析出使得合金硬度增加，合金得到强化。但未检测到有序相其他晶面的衍射峰，可能原因为该时间条件下有序相析出的尺寸较小且数量较少。250℃时效至5天后，合金有序相析出数量增加、尺寸增大，不同晶面的衍射峰(001)、(110)、(002)及(220)出现。

与合金固溶态相比，时效后基体α0的(200)衍射峰位随时效时间增加持续向低角度位置偏移，进行局部放大如图3所示。由图3可发现，基体(200)峰位出现了显著的左移。时效0.5 h后峰位左移0.28°至46.48°，而时效1.5 h和5 d后峰位均迁移至45.76°附近，左移了约1°，峰宽逐渐变窄。说明随着时效时间增加，1.5 h后有序相持续析出，晶格畸变减低，峰位回归Au(200)峰位的标准位置附近，Cu原子形成新相脱出过饱和固溶体基体。

2.3 微观精细结构表征

通过对不同时效态合金进行XRD标定，发现合金在时效过程中生成了AuCuI有序相，但是由于合金的成分范围内也有可能生成Au3Cu，且XRD衍射精度有限，一些特别微小的衍射峰也不能精确标定，因此不能确定有序化过程中是同时存在AuCuI、Au3Cu有序相。为了更加准确地确定有序相的种类，利用透射电镜从更微观的层面对样品进行表征分析，如图4所示。通过选区电子衍射标定发现，AuCuNi合金在250℃下时效5天后析出了具有四方结构的AuCuI(L10)有序相。在[001]带轴的选区电子衍射的标定结果如图4(c)所示，图中(200)、(020)、(220)等为有序相与无序结构均有的衍射班点，而(100)、(010)、(110)衍射斑等即为有序相的超点阵行星斑。超点阵斑点较一般的衍射班点强度低，由于这些超点阵斑点的出现，使得有序相的衍射花样与简单立方晶体规律一致。在合金的有序化转变过程中，合金由面心立方结构转变为四方结构的过程中，轴被压缩，但与原来的面心立方结构很接近，某些位置的衍射斑是无序相与有序相共有的。此外，从明、暗场像可以看到局部明暗交替的带，由此推断在有序化的过程中可能形成孪晶，且在条状的部分可以看出反相畴结构。

3 结论

1) 200~250℃ (473~523K)范围内，Au-32Cu- 13Ni合金获得的时效硬化效果最佳，硬度的上升速率较快，达到最大硬度所需的时间较短。

图2 AuCuNi合金250℃时效处理不同时间后的XRD图谱

图3 AuCuNi合金250℃下不同时效时间处理的固基体α0 (200)晶面衍射图谱

2) 250℃时效处理1.5 h后，AuCuI有序相的衍射峰(222)、(311)出现，合金发生α0→AuCuI有序转变。且随着时效时间增加，有序相持续析出，晶格畸变减低，基体α0峰位回归Au(200)的标准峰位附近，Cu原子形成新相脱出过饱和固溶体基体。

3) 经选区电子衍射标定确定，AuCuNi合金在250℃下时效5天后析出了具有四方结构的AuCuI(L10)有序相，且在有序化的过程中可能形成孪晶。

(a). 明场像(BF)；(b) 暗场像(DF)；(c) 衍射斑标定(Diffraction pattern indexing)

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Effects of Aging Treatment on the Microstructure and Mechanical Properties of AuCuNi Alloy

YUAN Xiao-hong1, LI Wei1, LIU Jun-feng3, WU Hai-jun1 *, KONG Ling-jiao1, GAN Jian-zhuang1, 2, CHEN Dengquan1

(1. State Key Laboratory of Advance Technologies for Comprehensive Utilization of Platinum Metals, Sino-Platinum Metals Co. Ltd., Kunming 650106, China; 2. Sino-Platinum Metals Testing Technology (Yunnan) Co. Ltd., Kunming 650106, China;3. AVIC Shenyang Engine Design Institute, Shenyang 110015, China)

AuCuNi alloy is commonly used as brush and conductive ring materials in various low-voltage and light-load sliding electrical contact environments. Disordered-ordered phase transition occurs during the aging process, which significantly increases the hardness of the alloy. Microhardness test, X-ray diffraction analysis (XRD) and transmission electron microscope (TEM) were used to study the microstructure evolution and mechanical properties of the Au-32Cu-13Ni alloy under various aging conditions. The results show that the alloy has the best aging hardening effect in the temperature range of 200~250°C. After aging at 250°C for 1.5 h, the alloy undergoes an ordered phase transition of α0→ AuCuI. As the aging time increases, the ordered phase continues to precipitate, and the lattice distortion is reduced and the matrix α0peak position returns to near the standard peak position of Au (200). TEM analysis confirmed that the AuCuI(L10) ordered phase with a tetragonal structure precipitated after aging at 250°C for 5 days, and twinning may be formed during the ordering process.

metal; AuCuNi alloy; aging hardening; microstructure; mechanical properties

TG146.3

A

1004-0676(2020)02-0021-04

2020-03-04

云南省应用基础研究重大项目(2016FC006)；云南省基础研究计划青年基金项目(202001AU070082)；云南省重大科技项目(202002AB080001-1)；两机专项重大项目(2017-V-0003-0053)

袁晓虹，女，博士，助理研究员，研究方向：材料微结构调控与表征。E-mail：yxh@ipm.com.cn

武海军，男，正高级工程师，研究方向：贵金属精密合金。E-mail：whj@ipm.com.cn