铜镍合金(monel k-500)化学成分特性及应用领域

前言

Monel K-500合金是一种Ni-Cu基耐蚀合金，它保留了Monel合金优异的耐蚀性能，同时通过加入少量AlTi等强化元素，沉淀析出Ni(Al、Ti)相，具有较高的强度、较好的塑性和韧性。该合金因其较好的机械性能及优异的耐蚀性能在冶金、石油化工以及军事领域中应用广泛[2]。

1试验材料和方法

试验用Monel K-500合金采用真空感应炉冶炼，浇铸成φ290电极，随后电渣重熔成φ400的铸锭，锻造成φ140的棒材，其化学成分见表1。热压缩试样的尺寸为φ8×12mm,试验在Gleeble-3800型热模拟试验机上进行。热压缩试验温

度分别为800、850、900、950、1000、1050、1100、1150、1200℃,以一定的速度加热到预定温度后保温30 s,随即进行热压缩，变形量分别为30%、60%、80%,随后空冷，测试合金的应力一应变曲线，用金相显微镜观察其变形后的组织特征。

2试验结果与讨论

2.1应力与应变的关系

合金在不同温度、相同变形量、恒定变形速率下，热压缩过程中的应力一应变曲线如图1所示。从图1可以看出，随着温度的升高，合金的变形抗力及其最大值在降低。应变量较小时，流变应力随着应变量的增加迅速增加，当超过一定应变后，流变应力趋于恒定或略有降低。

上述现象表明，随着温度的升高，合金的变形抗力降低，动态回复或动态再结晶容易发生，进而导致峰值应变随着温度的升高而提前。变形过程中，在微应变阶段，应力上升很快，说明该阶段加工硬化占主导，合金中只发生了部分动态回复或动态再结晶，其硬化作用大大超过软化作用；随着变形量的增加，位错密度不断提高，使动态回复和动态再结晶加快，软化作用增强，加工硬化逐渐被动态回复软化作用抵消，此时表现为曲线斜率逐渐减小；当流变应力达到峰值时，加工硬化和动态再结晶软化达到平衡，随着变形的继续进行，动态再结晶继续发展，使流变应力继续下降，最后达到一稳定值。

2 2变形温度和变形量对组织的影响

在800℃进行试验，当变形量达到80%时，沿原始晶粒边界出现了细于10级的初始再结晶晶粒；在850℃进行试验，当变形量达到60%时，在原始晶粒边界也可见细于10级的再结晶晶粒特征，且随着变形量增大，这种再结晶晶粒增多。

950～1200℃、变形量为30%、60%、80%时，合金的组织特征见图2～4。由图可以看出，在同一温度下变形时，随着变形量的增加，晶粒由原始的扁平状慢慢回复为再结晶的等轴晶粒，变形量越大，就越易获得均匀细小的等轴晶。当变形量为30%时，合金在950℃变形，在原始晶界处的局部区域即开始出现部分动态再结晶形成的等轴晶组织，细小的再结晶晶粒度为10级，约占整个视场的15%左右，其余为畸变的原始晶粒；随着变形温度的升高，再结晶晶粒逐渐加大，所占整个视场的比例也逐步增加，至1100℃时，合金已完成了全部再结晶，晶粒度长大至7级；之后，随着温度的不断升高，晶粒度也开始长大，当变形温度高于1100℃时，晶粒显著长大；变形温度为1200℃时，晶粒度已长大至5级。当变形量为60%时，合金在950℃变形出现的再结晶晶粒增加至25%左右，晶粒度为10级；当变形温度升高至1000℃时，仅有个别的残余晶粒存在，且晶粒度长大为8级；当变形温度为1050℃时，合金完成了全部再结晶，此时的晶粒度为7.5级。当变形量为80%时，合金在950℃变形时得到部分再结晶的晶粒约占整个视场的60%左右；当温度为1000℃时，即可得到全部完成动态再结晶的等轴晶组织，晶粒度为8.5级；此后，随着变形温度的升高，晶粒长大，但长大的趋势明显比30%变形量时小；变形温度为1200℃时，晶粒度为65级。

综上所述，合金的初始再结晶温度和完全再结晶温度均随变形量的增大而降低。30%、60%和80%变形量条件下，合金的初始再结晶温度分别为950、850和800℃左右，完全再结晶温度分别为1100、1050和1000℃左右。同时还可以看出，在相同温度下，完全再结晶晶粒度随变形量的增大而细化，尤其是当变形温度高于1100℃时，这种细化的趋势更加明显。

与一般合金化程度较高的沉淀强化型Ni基合金相比，该合金的初始再结晶温度较低。80%变形量时，在800℃左右的低温度就出现了15%左右的再结晶组织，这可能是该合金Cu含量较高的原因。此外，变形量越大，合金中畸变能也越大，再结晶形核核心越多，因而再结晶晶粒越细。

从变形后的合金组织形貌可看出，变形过程呈现出动态回复、再结晶和晶粒长大等特征。在低温动态回复阶段，没有足够的能量使晶粒发生再结晶，由于未发生大角度晶界的迁移，因而晶粒的形状和大小与形变的相同，仍保持着纤维状或扁平状。而在再结晶阶段，首先是畸变度大的区域产生新的无畸变晶粒的核心，进而逐渐消耗周围的变形基体而长大，直到形变组织完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒为止。最后，在晶界表面能的驱动下，新晶粒互相吞食而长大，从而得到一个在该条件下较为稳定的尺寸。

2.3锻造工艺及应用效果

根据上述试验结果，制订了该合金的锻造工艺。将变形温度和末火变形量控制在合适的范围内，在锻造过程中采用合适的表面保温措施，以防止表面温度过低，所锻造的棒材晶粒度均匀性得到明显改善。图5为φ140锻棒R/2处的组织特征。

3结论

(1) MonelK-500合金的变形行为具有一定的温度敏感性，流变应力随着变形温度的降低而迅速增大。

(2) 变形温度越高，变形量越大，合金的动态再结晶倾向就越大。当变形量为30%时,变形温度需达到1100℃,合金才能形成完全再结晶的组织；当变形量为60%时，完全再结晶的温度下降至1050℃左右；而当变形量为80%时，温度进一步下降至1000℃左右。

(3) 在所研究的变形量范围内，变形量越大，完全动态再结晶晶粒越细，这一现象在1150～1200℃的高温区尤其明显。

(4)合理控制变形工艺参数，特别是变形温度和变形量，获取了完全动态再结晶、且晶粒均匀的该合金锻造棒材。