通过退火硬化来改善烧结和铸造Cu-Ag合金的性能S. Nestorovic*, I. Rangelov and D. Markovic分别用烧结方法和粉末冶金方法制得含Ag4%的铜合金。

将铸造和烧结得到的铜合金进行相同的形变和热处理。

在再结晶温度以上进行退火，然后进行硬度和电导率的测量。

本次试验显示，在160-400℃下进行退火，由于退火硬化效果，冷变形后的Cu-4%Ag合金的硬度和电导率都增加。

研究表明，随着预变形程度的增加，强度（由退火硬化造成的）会增加，并且，烧结方法制得的Cu-4%Ag合金的增加量大于铸造Cu-4%Ag的增加量。

烧结合金的电导率随着冷轧程度的增加而增加，而铸造合金相反，铸造合金的电导率随着冷轧程度的增加而降低。

随着退火过程的进行，两种合金的电导率都缓慢增加。

关键词：Cu-4Ag合金，形变热处理，铜，退火硬化的影响介绍在很多以Cu为基体的合金系中，在再结晶温度以上进行退火，强度性能提高。

这种强化作用被称作退火强化1,2，它主要应用于机电设备中弹簧材料的生产，这种弹簧材料属于铜合金。

在以这种现象为特征的所有合金系中，有三大主体趋势应当引起重视：强度增加的量会随着预变形程度的增加而增加；置换元素的浓度增加，则强度增加；强度增加，这造成塑性应变功能下降。

用于解释这种硬化效应的机制已经被试验过，试验用的金属是以铜为基体的合金，这些合金被冷轧，然后又在150-300℃范围内进行退火。

这种效果主要用于铜基合金，并且一些发现表明，原子排列方式是这种硬化效果的主要原因1。

另一方面，在最近的一份关于Cu-Al合金退火硬化的详细的调查中，得出了一个结论，溶质的偏析以及位错是产生这种强化效果的主要机制。

铜有很好的导电性，但是容易软化并且高温强度低。

这就向设计电气设备的工程师和设计师提出了一个大问题。

在过去的几年里，研究人员付出很多努力，致力于研究改善铜基合金的性能，如导电性，强度以及高温下强度的稳定保持。

很多文章显示出了对铜基合金的极大的兴趣，尤其是在Cu–Al, Cu–Mn, Cu–Sb方面1,2,4-6。

作者决定支持研究Cu-Ag系合金电阻率方面的试验。

在商业用途方面，不仅仅电性能重要，机械性能也是很重要的7,8。

目前研究表明，关于铸造Cu-Al合金以及粉末冶金Cu-Al合金的研究结果已经出来了，这两类合金都通过退火硬化来提高其性能，并且与纯铜相互比较。

实验过程用Cu-4%Ag合金进行实验，研究退火硬化对材料性能的影响。

用两种方式分别制备Cu-4%Ag合金：一般的铸造方法以及类似的热粉末冶金法。

将Cu-4%Ag合金放于实验室电炉中熔化，铸造成65*25*180mm规格的试样，试样在粘土砂模中成型并且在空气中冷却。

原始材料为纯度99.99%的电解铜线和纯度99.99%金属银。

试样被石墨罩保护，在800℃下均匀化24小时。

从已经均匀化的试样上裁出厚度为7mm的样品，经过冷轧变为5mm，3.3mm和2.5mm，加工率为29%，53%和64%。

然后进行固溶退火（在700℃保温1h，然后水淬），最后对样品进行冷轧，分别为20%，40%和60%。

在实验的第二个阶段，用粉末冶金工艺制备Cu-4%Ag合金。

用电解铜粉和银分作为原始材料，电解铜粉的纯度为99.7%，电解银粉的纯度为99.9%。

银粉在混合物中的含量为4%。

粉末混合物压坯高度为6-7mm，宽度为12mm，长度为30mm，挤压机液压为300MPa，挤压压坯。

压块在水平放置在管式炉中烧结，烧结温度为790℃，气氛为高纯度的干燥氢气气氛，时间为1h。

烧结完成后，样品最终被冷轧，冷轧量为20%、40%和60%。

每一次轧制后都测量维氏硬度，显微硬度以及电导率。

下一阶段两套样品（铸造Cu-4%Ag合金以及烧结Cu-4%合金）均在150-600℃温度范围内进行退火30min。

每次退火都测量维氏硬度（加载载荷50N）和电导率。

每种样品都测量五次不同的电导率和硬度，以减小误差。

对这些测量结果取平均值，并且作为单独数据记录下来，它们在合适的误差标准范围内，其中硬度+-0.1%，电导率+-0.2%。

为了比较一些性能，制备一个铸造纯铜锭（OFHC质量标准）和一个烧结铜锭，让它们进行相同的处理。

结果分析预加工由于加工硬化作用，随着预变形程度增加，IM Cu样品和PM Cu-4%Ag合金样品的硬度和显微硬度都增加（图1和图2）。

铜合金的硬度比纯铜的硬度要高些。

图3表示，在预冷轧之后，IM Cu样品和IM Cu-4%Ag样品的电导率的变化。

从图中可以看出，随着变形程度增加，孔隙度降低，导电性缓慢增加。

孔隙是在浇注过程中产生的。

终轧由于加工硬化，随着最终冷变形程度增加，所有样品的硬度和显微硬度都增加（图4和图5）。

经过相同变形程度的冷轧以后，Cu-4%Ag合金的硬度值比纯铜的硬度值要高。

经过60%变形后，IM Cu-4%Ag、PM Cu-4Ag、IM Cu和PM Cu的最高硬度值分别170HV、156HV、124HV、115HV。

尽管经过冷塑性加工后的PM Cu样品和Cu-4Ag样品的硬度比IM样品的对应的硬度值更低，但PM 样品的硬度值增加更为明显剧烈，这是因为加工硬化和孔隙消除同时进行。

图6表示最终冷加工后的IM Cu、PM Cu、IM Cu-4Ag、PM Cu-4Ag 样品的电导率的变化。

从图中可以看出，Cu的电导率比Cu-4Ag的电导率稍微高一些，这是因为合金中银元素比其他金属元素对导电率的影响更小11。

从图6中可可以看出，随着加工率的增加，PM Cu和PM Cu-4Ag的电导率是增加的，而IM Cu和IM Cu-Ag的电导率是下降的。

这是两种相反的结果12。

冷轧过程中样品孔隙的减少会造成电导率的增加（影响1）12-15。

然而，众所周知，变形程度的增加会使得导电率下降（影响2）16。

用粉末冶金方式制得的样品中，第一种影响比第二种影响的作用更为强烈，所以电导率是增加的。

另一反面，用铸造的方法制得的样品中，第二种影响比第一种影响作用更强烈，结果就导致电导率的下降。

退火硬化效应冷轧后的样品的高度下降20%、40%和60%，所有样品都在160至600℃温度范围内进行退火处理。

图7表示，粉末冶金样品及铸造样品经过冷轧以后的硬度随退火温度的变化规律。

从图中可以看出，对于各种变形程度的样品来说，再结晶温度都超过400℃，与纯铜相比，合金元素Ag造成了再结晶温度的提高。

图7表明，在160-400℃范围内，无论是粉末法制得的合金还是铸造法制得的合金，随着变形程度增加，硬度值是增加的。

这种结果主要存在于含少量其他元素的铜合金中，比如Al, Au, Ga, Pd, Rh, Ni 和Zn1,2。

这种结果支持一种解释退火硬化现象的假设，溶质分离形成位错，好像间隙固溶体中形成的Cottrel环境一样1,2。

基于本次试验，冷变形后IM和PM Cu-4Ag合金进行160-400℃范围的退火，可以注意到，退火硬化效应现象出现的原因是溶质银偏析到位错上而造成的硬度增加。

图7表明，同样的变形程度下（20%，40%，60%），在所有退火温度下，IM Cu-4Ag 的硬度均比PM Cu-4Ag的硬度值高。

与经过冷变形的PM Cu-4Ag合金的初始硬度值比较，经过冷变形的IM Cu-4Ag合金的初始硬度值更高。

然而，与IM Cu-4Ag合金相比，PM Cu-4Ag合金的退火强化效果更为密集强烈。

粉末冶金过程中产生了较为细小的晶粒显微组织和大量的缺陷，与铸造的微观结构相比较，粉末法制得的合金更容易实现退火硬化效应。

对于IM Cu-4Ag，在变形20%时候硬度提高最多，为22HV，而此时PM Cu-4Ag为24HV。

IM Cu-4Ag 合金经过40%变形后退火，硬度最大提高了23HV，而此时的PM Cu-4Ag为28HV。

由于退火硬化效应，硬度最大值提高，在IM Cu-4Ag和PM Cu-4Ag合金经过60%变形后，大约为27HV和31HV。

早前的数据被文献所证实1,2,4,5,12,17,18，伴随着退火硬化效应，强度会有所提高，预变形程度增加，导致大量的缺陷，导致更加密集的部分脱位重组，导致退火过程中溶质原子与晶格缺陷相互作用。

冷变形IM Cu和PM Cu样品在退火过程中的行为是相似的。

在240-260℃左右，硬度显著下降，这是因为发生了再结晶。

对于IM Cu和PM Cu而言，最强烈的退火硬化效应发生在260℃。

然而，在相同温度下，IM Cu和PM Cu的硬度显著降低，这是因为回复和再结晶。

图8表示电导率随退火温度的变化规律。

在160-400℃范围内退火，IM Cu-4Ag和PM Cu-4Ag的电导率慢慢上升，此时退火硬化效应出现，因为偏析的银原子离开位错是的固溶效果减弱。

纯态的铜原子半径为128pm19,20,而纯态的银原子半径为144pm20。

这表明，银原子溶入铜原子晶格中，铜的晶格参数会增加。

因此，银发生偏析时，铜晶格将会变得类似于纯铜晶格，此时导电性就提高了21。

进一步退火则由于恢复和再结晶，两种合金的电导率都会增加。

最佳的硬度和电导率的组合是经过60%变形后再经过260℃退火的Cu-4Ag 合金。

结论1在粉末法和铸造法制得的Cu-Ag合金中,银元素对于提高再结晶温度有显著效果。

2.对于Cu-Ag合金，在150-400℃退火温度范围内有退火硬化效应，硬度与预变形程度有关。

3.在强化粉末法制得的Cu-4Ag和铸造法制得的Cu-4Ag中，退火硬化效应扮演了重要角色，退火硬化效应作用于PM Cu-4Ag的效果大于IM Cu-4Ag。

4.Cu-Ag合金中的退火硬化效应可应用于电插头的生产。

鸣谢作者感谢塞尔维亚共和国科学部的财政支持，项目TR 19018.1.铸造样品的维氏硬度随预变形程度变化规律2.铸造样品显微硬度随预变形程度变化规律3.铸造样品电导率随预变形程度的变化规律4.样品IM和样品PM的硬度随总变形程度变化规律5.样品IM和样品PM的显微硬度随总变形程度的变化规律6.样品IM和样品PM的电导率随总变形程度的变化规律7.冷轧IM Cu和PM Cu和Cu-4%Ag合金的硬度随退火温度变化规律8.冷轧IM Cu和PM Cu和Cu-4%Ag合金的电导率随退火温度变化规律参考文献1. M. Bader, G. T.Eldis and H. Warlimont: Metall. Trans. A, 1976, 7A, 249–255.2. J. M. Vitek and H. Warlimont: Metall. Trans. A, 1979, 10A, 1889–1892.3. S. J. Lee, S. W. Lee, K. H. Kim, J. H. Hahn and J. C. Lee: Scripta Mater., 2007, 56, 457–460.4. A.Varchavsky and E. Donoso: Mater. Lett., 1997, 31, 239–245.5. A.Varchavsky and E. Donoso: J. Therm. Anal. Calorim., 1999, 57,607–622.6. J. Groza: J. Mater. Eng. Perform., 1992, 1, 113–121.7. S. Strehle, S. Menzel, H. Wendrock, J. Acker, T. Gemming andK. Wetzig: Microelectron. Eng., 2004, 76, 205–211.8. /13th_papers/docs/EML021.pdf9. J. B. Liu, L. Meng and Z. Y. Weng: Mater. Sci. Eng. A, 2006,A435–436, 237–244.10. F. Lenel: ‘Powder metallurgy principles and applications’, 160–204;1980, Princeton, Metal Powder Industries Federation.11. S. L. Zhang, J. M. E. Harper and F. M. Heurle: J. Electron.Mater., 2001, 30, 11–15.12. S. Nestorovic´ and D. Markovic´: Mater. Trans. Jim, 1999, 40, 22-0–224.13. S. Nestorovic´: Bull. Mater. Sci., 2005, 28, 401–403.14. S. Nestorovic´: Sci. Sinter., 2002, 34, 169–174.15. D. Ravinder, T. S. Rao, V. N. Muley and K. B. Reddy: Cryst. Res.Technol., 1990, 25, 1475–1483.16. S. Ohsaki, K. Yamazaki and K. Hono: Scripta Mater., 2003, 48,1569–1574.17. E. A. Donoso and A. Varchavsky: Mater. Sci. Eng. A, 2004, A369,10–15.18. S. Nestorovic´, D. Markovic´ and L. Ivanic: Bull. Mater. Sci., 2003,26, 601–604.19. D. Louzguine-Luzgin, J. Antonowicz, K. Georgarakis,G. Vaughan, A. Yavari and A. Inoue: J. Alloy. Compd., 2008,466, 106–110.20. W. Y. Liu, H. F. Zhang, Z. Q. Hua and H.Wang: J. Alloy. Compd.,2005, 397, 202–206.21. Q. Liu, X. Zhang, Y. Ge, J. Wang, J. Z. Cui: Metall. Mater. Trans. A, 2006, 37, 3233–3238.。