劉婉容, 王金海, 田軍

(銅陵有色股份銅冠電工有限公司, 安徽 銅陵244000)

摘要：通過對上引Cu-0.3Cr-0.1Zr合金固溶處理、冷拉拔以及隨后的時效處理工藝,研究冷拉拔形變及時效對材料力學(xué)性能、導(dǎo)電性能及組織結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律.結(jié)果表明:時效前的冷拉拔變形能提高Cu-0.3Cr-0.1Zr合金的力學(xué)性能而保持較高的導(dǎo)電率;合金在950 ℃固溶1 h后,經(jīng)70%冷拉拔變形和500 ℃時效4 h,合金抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電率分別達(dá)到了418 MPa和87 %IACS;時效合金組織轉(zhuǎn)變過程為:固溶體→G.P.區(qū)→Cr+Cu4Zr,析出相對位錯運動的阻礙是合金強(qiáng)化的重要機(jī)制.

關(guān)鍵詞：Cu-0.3Cr-0.1Zr合金; 形變熱處理; 微觀組織; 抗拉強(qiáng)度; 導(dǎo)電率

收稿日期：2014-10-13

作者簡介：劉婉容(1968—),女,高級工程師,主要研究方向為有色金屬材料加工. E-mail:tcc-jsb@tlys.cn

中圖分類號：TG 335; TG 115.21+5.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Effects of Thermo-mechanical Heat Treatment on Microstructure and Properties of Pullingmethod Cu-0.3Cr-0.1Zr AlloyLIU Wan-rong, WANG Jin-hai, TIAN Jun

(Tongling Nonferrous Copper Crown Co., Ltd., Tongling 244000, China)

Abstract：The effects of thermo-mechanical heat treatment on microstructure and properties of Cu-0.3Cr-0.1Zr alloy were studied by means of solid solution treatment and cold-drawing followed by ageing treatments. The aging temperature,time and reduction ratios of cold-drawing affect the mechanical and electrical properties of Cu-0.3Cr-0.1Zr alloy. The result shows that the cold-drawing could improve the mechanical properties and keep the electrical properties at a high level. In optimum treatment,the tensile strength and electrical conductivity reached 418 MPa and 87%IACS respectively. The microstructure transformation of Cu-0.3Cr-0.1Zr alloy is solid solution→G.P. zone→Cr+Cu4Zr. The pinning effect of precipitates on dislocations contribute to the improvement of strength in pullingmethod Cu-0.3Cr-0.1Zr alloy.

Keywords：Cu-0.3Cr-0.1Zr alloy; thermo-mechanical heat treatment; microstructure; tensile strength; electrical conductivity

0引言

電氣化鐵路的高速化是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和鐵路現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一.接觸線是鐵路接觸網(wǎng)中的重要組成部分,隨著車流密度增加,列車牽引質(zhì)量上升,電力機(jī)車功率提高及車速加快,要求接觸線兼具高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性和耐高溫軟化強(qiáng)度[1-3].銅合金接觸線是電氣化鐵道供電系統(tǒng)中的重要材料.隨著鐵路、地鐵和輕軌等項目的不斷新建和改擴(kuò)建,對接觸線的需求越來越大[4-6].且鐵路運輸?shù)囊辉偬崴?一般運行速度在120～160 km/h為中速,160～200 km/h為準(zhǔn)高速,200～400 km/h為高速),對電氣化鐵路用接觸線性能的要求也越來越高[7].

Cu-Cr-Zr合金因為具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性、高塑性等優(yōu)良性能,受到研究者的廣泛關(guān)注.研究發(fā)現(xiàn)這種合金經(jīng)適當(dāng)形變和熱處理后,其各種性能能夠滿足高速電氣化鐵路的需求[8-10].

本文以上引Cu-0.3Cr-0.1Zr合金為研究對象,研究形變熱處理工藝對其組織及性能的影響,優(yōu)化形變熱處理工藝,使其獲得較高的強(qiáng)度和導(dǎo)電率的組合,為制定該合金的形變熱處理工藝提供參考.

1試驗方法

在中頻感應(yīng)爐中熔煉Cu-0.3Cr-0.1Zr合金,材料主要化學(xué)成分為:wCr=0.3%,wZr=0.6%,余量為銅.上引拉拔溫度為1 100～1 200 ℃.上引拉拔后的合金棒材經(jīng)不同變形率的粗拔后,進(jìn)行固溶處理,固溶溫度為950 ℃,保溫時間為1 h,水中淬火.對固溶處理后的合金進(jìn)行時效處理.熱處理工藝在SX-4-10型箱式電阻爐中進(jìn)行.采用5 mL FeCl3+25 mL HCl+100 mL H2O溶液浸蝕試樣.金相組織在XJZ-6Z型金相顯微鏡上進(jìn)行觀察,導(dǎo)電率在SIGMASCOPE SMP 10電導(dǎo)率測量儀上進(jìn)行測試.力學(xué)性能在日本島津AG-50kNE萬能材料試驗機(jī)上進(jìn)行室溫測試.采用JEM-2000透射電子顯微鏡對時效試樣進(jìn)行TEM觀察,來確定析出相的結(jié)構(gòu),利用其附帶的能譜儀對析出相成分進(jìn)行分析,工作電壓為200 kV.TEM試樣的制備過程為:機(jī)械減薄至100 μm—沖成φ3 mm的圓片—雙噴電解拋光,電解液按體積分?jǐn)?shù)配制25%HNO3+75%CH3OH,溫度為-30 ℃,電壓為15～20 V.

2結(jié)果與分析

2.1固溶-冷變形-時效工藝對合金性能的影響

圖1為Cu-0.3Cr-0.1Zr合金經(jīng)過950 ℃×1 h固溶處理后冷拉變形,在不同溫度下時效后抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電率的變化曲線.圖1(a)為抗拉強(qiáng)度與時效時間的關(guān)系曲線,從圖1(a)中可以看出,在500 ℃和550 ℃時效,抗拉強(qiáng)度先隨時效時間的增加而升高,3～5 h后抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值,達(dá)到峰值之后隨時效時間的延長逐漸下降.在400 ℃和500 ℃時效,沒有峰值出現(xiàn).抗拉強(qiáng)度隨時效時間的延長迅速下降,然后趨于平穩(wěn).且時效溫度越高,合金抗拉強(qiáng)度降低速率越大.

主要原因是:低于550 ℃時效處理,抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)峰值,是沉淀強(qiáng)化的結(jié)果.出現(xiàn)峰值之前為欠時效階段,隨時間的延長,析出的沉淀物逐漸增加,抗拉強(qiáng)度也隨之增加.在4 h左右析出物與基體共格,抗拉強(qiáng)度達(dá)峰值.隨時效時間的繼續(xù)延長,析出物與基體失去共格關(guān)系,抗拉強(qiáng)度降低,出現(xiàn)過時效.時效溫度高于550 ℃后,基體組織發(fā)生了再結(jié)晶,因為合金元素含量較少,使得再結(jié)晶對抗拉強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)大于沉淀強(qiáng)化,抗拉強(qiáng)度劇烈下降.隨時效時間的延長,基體內(nèi)部固溶原子析出,位錯密度降低,再結(jié)晶基本完成,合金基體組織不會再有太大變化,抗拉強(qiáng)度趨于平緩[10-11].

圖1(b)為Cu-0.3Cr-0.1Zr合金在400～600 ℃時效處理,導(dǎo)電率隨時效時間的變化曲線.從圖1(b)中可以看出,隨時效時間的延長,合金的導(dǎo)電率逐漸趨于平緩,在400～550 ℃范圍內(nèi)時效,導(dǎo)電率隨溫度的增加而增加,550 ℃時效后可以獲得較高的導(dǎo)電率;600 ℃時效,導(dǎo)電率反而降低[12-13].

影響銅合金導(dǎo)電性的主要因素是固溶原子的散射作用.基體中固溶原子越多,對電子的散射作用越強(qiáng),導(dǎo)電率越低.隨時效時間延長,析出相增多,固溶原子逐漸貧乏并接近純銅基體,合金的導(dǎo)電性能保持在一個較高水平.因此,時效初期,溶質(zhì)原子析出速度較快,導(dǎo)電率快速升高.

圖2為500 ℃時效4 h后,不同冷拉拔變形量對Cu-0.3Cr-0.1Zr合金力學(xué)性能和導(dǎo)電率的影響曲線.從圖2中可以看出,隨著冷拉拔變形量的增加,抗拉強(qiáng)度增加,導(dǎo)電率達(dá)到峰值后下降.這是由于時效前冷拉拔變形量的增加會促使位錯增殖、空位增加、界面面積增大,增加了合金的變形儲能,促使析出相的析出,強(qiáng)化效應(yīng)增加.當(dāng)變形量達(dá)到80%時,缺陷和晶界面積對導(dǎo)電率的影響超過了溶質(zhì)原子對導(dǎo)電率的影響,此時導(dǎo)電率下降.冷拉拔變形量為70%時,合金的導(dǎo)電率仍然達(dá)到87 %IACS.

綜上所述,綜合考慮合金的抗拉強(qiáng)度與導(dǎo)電率性能結(jié)合,試驗合金最佳的形變熱處理工藝是:950 ℃固溶1 h+70%冷拉拔變形+500 ℃時效4 h,在此條件下合金抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電率分別達(dá)到了418 MPa,87 %IACS.

2.2微觀組織觀察與分析

圖3是大氣熔煉下,Cu-0.3Cr-0.1Zr合金鑄態(tài)顯微組織(OM、SEM)及能譜分析結(jié)果.圖3(b)是14 000倍下通過SEM觀察到的鑄態(tài)第二相的形貌.可以看到在基體中存在不連續(xù)的球狀第二相.圖3(c)是該區(qū)域的能譜分析結(jié)果.結(jié)合Cu-Cr及Cu-Zr二元合金相圖可知,該第二相很可能是Zr與Cu的中間合金及Cr的析出物.研究[14]表明,如果在Cu-Cr合金中添加Zr或者在Cu-Zr合金中添加Cr,則Cr與Zr可能生成Cr2Zr.Cr2Zr與β相和Cr的共同作用,會進(jìn)一步提高Cu-Cr-Zr合金的綜合性能[14].在Cu-Cr-Zr合金中Cr、Zr能發(fā)生協(xié)同作用,Zr元素的加入使得Cr在銅中的析出行為受到了影響.加入Zr后,Cr析出物傾向球形,但是Zr和Cr這兩者之間并不形成固溶體.在通常情況下,Cr以單質(zhì)的形式析出于銅基體中,而Zr和Cu易形成中間相從基體中析出.也有研究表明[15],對Cu-0.3Cr-0.1Zr合金鑄態(tài)組織分析,其主要存在三種相,即Cu基體、富Cr相及富CuZr相.合金中Zr元素主要以Cu51Zr14化合物形式存在,Cr元素主要以單質(zhì)塊狀或粒狀形式存在于基體中,部分固溶于Cu51Zr14化合物中,第二相主要在鑄態(tài)組織枝晶間分布.

圖4為Cu-0.3Cr-0.1Zr合金950 ℃固溶處理及不同冷拔時效態(tài)的金相組織照片.由圖4(a)可以看出,固溶處理后的合金為等軸狀再結(jié)晶組織,晶粒內(nèi)部有細(xì)小的未溶相.70%冷拔變形后,晶粒沿拉拔方向拉長,呈纖維狀.由于基體中合金元素含量較少,第二相尺寸較小,不能清楚地觀察到晶粒內(nèi)及晶界處的第二相顆粒.從圖4(c)中可以看出,70%冷拉變形后在500 ℃時效4 h,金相照片中可以清晰地看到晶粒沿變形方向被拉長,未觀察到再結(jié)晶組織.這是因為在冷拉拔變形量大的情況下,或當(dāng)晶界遷移過程受到析出相對位錯的釘扎作用而阻礙再結(jié)晶形核長大時,只發(fā)生極強(qiáng)的特殊回復(fù)過程.與此同時,在500 ℃時效4 h時,銅基固溶體不斷脫溶析出大量尺寸為幾十納米的粒子.大量細(xì)小彌散的第二相分布在銅基體中并與基體共格,而尺寸較小,位錯可以切過第二相.彌散細(xì)小的第二相提高了合金的強(qiáng)度,在500 ℃時效4 h后合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值.

圖3　合金鑄態(tài)組織

圖4　不同處理態(tài)合金的顯微組織

圖5為Cu-0.3Cr-0.1Zr合金在500 ℃時效0.5 h后的TEM圖.入射束方向為[110],從圖5中可以看到,除了明顯的基體衍射斑點外,在主斑點周圍有衛(wèi)星斑點出現(xiàn),此衛(wèi)星斑點于二次衍射形成.在面心立方和體心立方晶體中的二次衍射斑點和一次衍射斑點相重,不出現(xiàn)額外的斑點,僅使衍射斑點的強(qiáng)度發(fā)生變化[16].因此判斷,在此時效階段有沉淀相生成,主斑點上方還有一套弱斑點(如圖中箭頭所示).由其衍射斑可以得知,此過渡相為有序面心立方結(jié)構(gòu),且晶胞大于基體晶胞.

圖6為Cu-0.3Cr-0.1Zr合金在500 ℃時效4 h時的透射電子顯微圖.從圖中可以看出析出相彌散分布在銅基體中,對照其電子衍射圖(圖6(b)),可以發(fā)現(xiàn)其析出相有兩種,一是Cr相,另外是Cu4Zr.細(xì)小彌散的析出相對合金起到沉淀強(qiáng)化的作用,使得強(qiáng)度得到了提高.而析出相從銅基體中析出,使得基體中的固溶體貧化,減少了電子的散射作用,提高了合金的導(dǎo)電率.

圖5　合金經(jīng)過500 ℃時效0.5 h后的透射電鏡組織

圖6　合金經(jīng)過500 ℃時效4 h后的透射電鏡組織

3結(jié)論

(1) 時效溫度升高、時效時間延長,上引Cu-0.3Cr-0.1Zr合金的析出相長大,合金強(qiáng)度下降;導(dǎo)電率升高并保持水平.

(2) 950 ℃固溶1 h后經(jīng)70%冷拉拔變形和500 ℃時效4 h,上引Cu-0.3Cr-0.1Zr合金抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電率分別達(dá)到了418 MPa,87 %IACS.

(3) 70%冷拉拔變形的上引Cu-0.3Cr-0.1Zr合金,500 ℃時效1 h后,在主斑點周圍出現(xiàn)衛(wèi)星斑點,形成了溶質(zhì)富集的G.P.區(qū).隨著時效時間的延長,析出兩種細(xì)小的彌散相,即Cr相和Cu4Zr相.

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