何劍輝

(中銅（昆明）銅業(yè)有限公司，云南 昆明 650102）

Cu-Cr-Zr合金是一種具有優(yōu)異綜合力學(xué)性能和物理性能的功能結(jié)構(gòu)材料[1]，廣泛應(yīng)用于制備電阻焊電極、電纜連接器、點焊機端子器件、集成電路引線框架、高速電氣化鐵路用接觸網(wǎng)導(dǎo)線以及真空開關(guān)觸頭等高強高導(dǎo)材料[2-3]，其主要由Cr、Zr在Cu基體中產(chǎn)生固溶、析出強化[4]效果使材料具備高強、高導(dǎo)的綜合性能，因此熱處理Cu-Cr-Zr合金最終的性能起著至關(guān)重要的作用。近年來，有關(guān)熱處理工藝對

Cu-Cr-Zr合金的性能的影響研究較多，大部分都是真空條件下獲得樣品，然后再進行固溶、形變及時效等特性進行研究[5-8]，也有部分科研單位開展了非真空Cu-Cr-Zr合金的熔鑄工藝研究，部分工廠開展了Cu-Cr-Zr合金線桿“非真空連鑄+連續(xù)擠壓”產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)工藝研究，如：非真空上引連鑄生產(chǎn)Cu-Cr-Zr合金線桿工藝研究[9]、連續(xù)擠壓對Cu-Cr-Zr合金線桿性能的影響研究[10]。這些研究為非真空上引連鑄+連續(xù)擠壓工藝產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)Cu-Cr-Zr合金線材提高寶貴的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，但是對于經(jīng)連續(xù)擠壓后的Cu-Cr-Zr合金線桿熱處理及冷加工工藝研究還比較少見。

本文結(jié)合相關(guān)文獻資料及工廠近年來在Cu-Cr-Zr合金非真空上引連鑄及連續(xù)擠壓工藝研究成果，專門以工廠現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備及工藝條件為基礎(chǔ)，針對采用非真空上引連鑄+連續(xù)擠壓工藝試制出的Cu-Cr-Zr合金線桿后續(xù)熱處理及冷加工工藝進行系統(tǒng)研究，從而為真正實現(xiàn)Cu-Cr-Zr合金線材非真空上引連鑄生產(chǎn)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用提供一些參考經(jīng)驗和支撐數(shù)據(jù)。

1 試驗設(shè)備及試驗方法

1.1 主要試驗設(shè)備

試驗所采用的Cu-Cr-Zr合金線桿減徑設(shè)備名稱為重型拉拔機，規(guī)格型號為SBB4T-100，該設(shè)備從意大利SICTRA公司引進，可將直徑為22mm的銅及銅合金圓線桿減徑至9～19mm，還可以用于生產(chǎn)各種規(guī)格型號的電氣化鐵路用銅及銅合金接觸線，產(chǎn)能8000噸/年。用于測量線桿的抗拉強度設(shè)備名稱為電液式萬能試驗機，型號為WA-300。用于測量線桿的導(dǎo)電率設(shè)備名稱為雙臂電橋電阻測試儀，型號為QJ36。HRB硬度測量設(shè)備名稱為洛氏硬度計，型號為MRD-600TS。時效設(shè)備為利用車間熔銅用中頻爐改造而成。軟化處理設(shè)備為電熱恒溫干燥箱，型號為KSW-8-10。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗材料

試驗材料為成卷的連續(xù)擠壓后Cu-Cr-Zr合金線桿，如圖1所示，總重量3噸，直徑為22mm，主要性能指標為：抗拉強度為342MPa、HRB硬度為69、導(dǎo)電率60%IACS。銅合金桿的主要合金元素含量為：Cr4800ppm、Zr370ppm。

圖1 連續(xù)擠壓后的Cu-Cr-Zr合金圓線桿

1.2.2 試驗方案

試驗研究分為兩部分內(nèi)容：第一部分內(nèi)容為，摸索不同的時效溫度對“連續(xù)擠壓+冷加工”的Cu-Cr-Zr合金線桿抗拉強度、導(dǎo)電率及HRB硬度的影響；第二部分內(nèi)容為，探索時效后的連續(xù)擠壓Cu-Cr-Zr合金桿在經(jīng)不同程度的冷加工后，其導(dǎo)電率、抗拉強度及HRB硬度變化情況。

具體方法為：先將?22mmCu-Cr-Zr合金連續(xù)擠壓桿采用重型拉拔機減徑至18mm，再將減徑后的線桿分別在360℃、390℃、420℃、450℃、480℃時效4小時，最后對得到的試樣進行抗拉強度、HRB硬度及導(dǎo)電率性能指標檢測分析；采用時效試驗得到的最佳時效工藝，對?22mmCu-Cr-Zr合金連續(xù)擠壓桿進行時效處理，然后依次將其減徑至20mm、18mm、16mm、13mm、9mm，再分別取樣檢測其相應(yīng)的軟化前HRB硬度、軟化后HRB硬度、軟化前的抗拉強度及軟化前導(dǎo)電率。最后對時效后再減徑至直徑為13mm線桿的樣品行金相分析。軟化試驗工藝為：電熱恒溫干燥箱爐內(nèi)550℃保溫2小時，然后爐內(nèi)緩冷。

2 試驗結(jié)果

2.1 時效試驗結(jié)果

直徑?22mm的Cu-Cr-Zr連續(xù)擠壓桿減徑至?18mm后在不同溫度時效得到的相應(yīng)抗拉強度、HRB硬度及導(dǎo)電率指標情況如圖2、圖3所示?？傮w上看，相對于連續(xù)擠壓狀態(tài)Cu-Cr-Zr合金桿，經(jīng)減徑時效后，線桿的相應(yīng)指標都大幅度提高，尤其是導(dǎo)電率，其最小值（70%IACS）都遠遠高于連續(xù)擠壓桿的導(dǎo)電率（60%IACS）。

從圖2可以看出，時效溫度對線桿的抗拉強度的影響較大，隨著時效溫度的提高，相應(yīng)抗拉強度先是逐漸增加，在420℃時抗拉強度達到最大值（506MPa），而后抗拉強度逐漸減??；從圖3可以看出，時效溫度對于線桿的導(dǎo)電率和HRB硬度也有較大的影響，導(dǎo)電率隨著時效溫度的升高而增加，但HRB硬度先逐漸提高后逐漸降低，在420℃時HRB硬度達到最高值（77）。由此可見，420℃為最佳時效溫度，在此溫度條件可以同時得到最高的抗拉強度和最高的HRB硬度,其相應(yīng)的導(dǎo)電率為86%IACS。

圖2 時效溫度對抗拉強度的影響

圖3 時效溫度對HRB硬度和導(dǎo)電率的影響

2.2 加工量對時效后的線桿性能影響試驗結(jié)果

將直徑?22連續(xù)擠壓態(tài)Cu-Cr-Zr合金線桿時效后，依次減徑后得到的相應(yīng)軟化前HRB硬度、軟化后HRB硬度、軟化前抗拉強度及軟化前導(dǎo)電率情況如圖4、圖5所示。從圖4中可以看出，時效后的Cu-Cr-Zr合金桿的加工量對軟化后的HRB硬度影響非常小，隨著加工量的增加，軟化后的HRB硬度基本保持73左右。而軟化前的HRB硬度則隨著線桿的直徑逐步減小（加工量逐步增大）而逐漸增大；從圖5可以看出，時效后的Cu-Cr-Zr合金線桿的加工量變化對軟化前導(dǎo)電率影響也比較小，隨著加工量的增大，導(dǎo)電率基本保持在80.2%IACS～82.3%IACS范圍內(nèi)，變化量較小。而軟化前的抗拉強度則隨著加工量的增大而增加。

圖4 加工量對時效后線桿HRB硬度的影響

圖5 加工量對時效后線桿抗拉強度和導(dǎo)電率的影響

2.3 時效后Cu-Cr-Zr合金線桿金相組織分析

?22mmCu-Cr-Zr連續(xù)擠壓桿經(jīng)減徑至?18mm，然后420℃保溫4小時時效處理，最后再將時效后的線桿減徑至直徑13mm，取樣進行顯微組織結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果為：圖6為橫截面金相照片，圖7為縱截面的金相相照片。整體上看，組織致密，無缺陷。圖6中呈顆粒狀或鏈狀分布的組織為時效過程中析出的富Cr相，顆粒大小為1～5μm，白色區(qū)域為Cu基體，在其內(nèi)的分布著長條狀CuZr相。從圖7中可以看出，經(jīng)過拉拔后，析出的Cr相和CuZr相沿著減徑拉拔方向被拉長，被纖維化，形成細長的纖維組織。

圖6 時效后再減徑的Cu-Cr-Zr合金桿橫截面金相組織

圖7 時效后再減徑的Cu-Cr-Zr合金桿縱向截面金相組織

3 結(jié)果討論

采用“非真空上引連鑄+連續(xù)擠壓+冷加工+時效處理”工藝生產(chǎn)的Cu-Cr-Zr合金線桿，主要利用了固溶強化、時效強化及加工硬化的效果。連續(xù)擠壓Cu-Cr-Zr過程較為特殊，有別于純銅及其他合金的連續(xù)擠壓過程，其同時產(chǎn)生了鑄態(tài)柱狀晶粒破碎細化、加工硬化、固溶及時效作用，因此擠壓態(tài)的Cu-Cr-Zr線桿后續(xù)的加工硬化及熱處理工藝所產(chǎn)生的對材料性能的影響也相應(yīng)的有所不同。

3.1 擠壓態(tài)Cu-Cr-Zr合金線桿時效溫度對性能影響分析

Cu-Cr-Zr合金線桿經(jīng)連續(xù)擠壓和拉拔減徑后，形成的固溶體極不穩(wěn)定，將其加熱到一定的溫度，Cr、Zr從飽和固溶體中大量分解和析出，形成強化相彌散分布于Cu基體中，其能有效地阻止位錯和晶界的移動，從而極大地提高線桿的強度和硬度。在較低的溫度范圍內(nèi)，隨著時效溫度的升高，析出的強化相（單質(zhì)Cr相和CuZr相）逐漸增加，從而導(dǎo)致合金抗拉強度和硬度上升，在時效過程中，在強化相析出的同時，Cr顆粒存在再結(jié)晶長大的現(xiàn)象，溫度越高長大速度就越大，導(dǎo)致合金桿的強度降低。在較低的溫度范圍內(nèi)，析出強化效果起主導(dǎo)作用，因此，合金桿表現(xiàn)出強度和硬度持續(xù)升高；當溫度超過臨界值時，析出相的再結(jié)晶長大弱化強度效果起主導(dǎo)作用，隨著溫度的持續(xù)升高，合金桿的強度硬度反而逐漸降低。從圖2、圖3可以看出，合金桿在溫度420℃條件下，抗拉強度和硬度達到峰值。

若繼續(xù)升高溫度，析出相繼續(xù)長大，但由于CuZr相的抑制的作用，析出的Cr長大到一定程度，就不再長大，使相應(yīng)的合金桿硬度、強度保持在一定的穩(wěn)定范圍，從而體現(xiàn)出了Cu-Cr-Zr合金材料的高溫強度較高的優(yōu)點。Zr的含量越高，其抑制作用就越大，其高溫強度越好。Cu-Cr-Zr軟化過程中（溫度為500℃），析出的Cr相已到達最大值，其硬度值達到最低值，且保持較為穩(wěn)定狀態(tài)。因此，也可以看出，Cu-Cr-Zr合金線桿最終軟化后的硬度值，取決于合金元素的含量，含量越高，軟化后的硬度值就越大。

合金元素對銅合金導(dǎo)電性的影響主要是固溶于銅基體中的合金元素引起銅合金中Cu基體晶體發(fā)生畸變而增加對電子的散射作用從而使導(dǎo)電率下降。在時效過程中，固溶在Cu基體的中的Cr、Zr逐漸析出，形成單質(zhì)的強化相和化合物強化相。隨著時效溫度逐漸提高，雖然析出的單質(zhì)Cr相逐漸長大而導(dǎo)致合金桿的強度硬度降低，但是在低于固溶溫度情況下，其析出過程就一直存在，Cu基體的晶格畸變程度就逐漸變小，從而使其導(dǎo)電率逐步提高。

3.2 時效后的Cu-Cr-Zr合金線桿不同加工率對性能影響分析

在減徑過程中，發(fā)生了加工硬化，加工量越大，硬化效果越明顯，因此隨著減徑量增大，合金線桿的軟化前硬度和強度逐步提高。經(jīng)過軟化后，加工硬化效果被完全消除，合金線桿的硬度和強度完全由其合金元素的含量所決定，無論加工量如何變化，其軟化后的硬度和強度基本保持穩(wěn)定。

一般情況，加工硬化后，由于晶格發(fā)生畸變，產(chǎn)生的大量位錯，導(dǎo)致晶格對于電子的散射作用增強，從而使材料的導(dǎo)電性能在一定程度上降低。但是，時效后Cu-Cr-Zr合金經(jīng)大變形拉拔減徑，在拉拔方向，析出的Cr相、CuZr相及Cu基體被拉長，全部纖維化，這樣導(dǎo)致界面的密度在一定程度上減少，導(dǎo)致位錯密度降低，減少了位錯對于導(dǎo)電性的影響，即降低了加工硬化對于導(dǎo)電性的影響。另外，采用非真空上引連鑄工藝批量生產(chǎn)Cu-Cr-Zr合金線桿，很難將合金元素Cr、Zr含量精確控制到某一值，只能控制其在一定的允許范圍內(nèi)波動，從而導(dǎo)致生產(chǎn)出的線桿的導(dǎo)電性發(fā)生小幅度波動。由于以上兩個因素的綜合作用，出現(xiàn)了圖5中減徑后的Cu-Cr-Zr合金線桿導(dǎo)電率與加工率的特殊關(guān)系。

4 結(jié)論

通過一系列試驗，得到了擠壓態(tài)Cu-Cr-Zr合金線桿的時效溫度對合金桿的強度、硬度和導(dǎo)電率的影響規(guī)律，確定了最佳的時效工藝，并且掌握了時效后的Cu-Cr-Zr合金線桿的加工量對于其強度、硬度及導(dǎo)電率的影響規(guī)律，為指導(dǎo)批量生產(chǎn)Cu-Cr-Zr合金線桿提供了數(shù)據(jù)支撐。

（1）在時效溫度小于420℃時，隨著溫度的提高，Cu-Cr-Zr合金桿的硬度和抗拉強度逐漸提高；當時效溫度大于420℃時，隨著溫度的提高，Cu-Cr-Zr合金桿的硬度和抗拉強度逐漸降低。時效溫度420℃、時效時間4小時為最佳的時效工藝。

（2）隨著時效溫度的提高，時效后的Cu-Cr-Zr合金線桿導(dǎo)電率逐步增加；

（3）時效后的Cu-Cr-Zr合金線桿，隨著其加工量的增加，相應(yīng)的軟化前HRB硬度逐步提高，軟化后的HRB硬度基本保持穩(wěn)定，其大小取決于合金元素Cr、Zr含量的大??；

（4）時效后的Cu-Cr-Zr合金線桿，隨著加工量的增加，其軟化前抗拉強度逐漸增加，而其軟化前的導(dǎo)電率基本保持不變。