高壓和時效處理對銅鉻合金電導率的影響

段文燕

（秦皇島職業技術學院機電工程系，秦皇島066100）

0 引 言

銅鉻合金具有較高的抗壓強度、優良的抗熔焊性能及載流能力，作為觸頭材料已在真空斷路器中得到了廣泛應用［1－2］。現代工業的迅速發展，對銅鉻合金的性能提出了更高的要求。目前，制備銅鉻合金的方法主要有粉末燒結法、熔滲法、電弧熔煉法、真空感應熔煉法及快速凝固法等［3］。熔滲法制備的銅鉻合金觸頭抗壓強度高，抗電蝕能力好，且含氧量低，是制備銅鉻合金最常用的一種方法，但該方法的缺點是高溫熔滲時，鉻在銅基體中的溶解度較高，冷卻后易形成過飽和固溶體，同時所制備的銅鉻合金致密性較差［4］，影響其導電性能。據資料報道［5－6］，高壓處理能細化金屬材料的組織，增大其致密性，改善其性能。但是涉及高壓處理對銅鉻合金導電性能影響的研究尚未見報道。為此，作者探討了3GPa高壓處理及時效處理對熔滲法制備銅鉻合金電導率的影響及相關機理。

1 試樣制備與試驗方法

試驗所用銅鉻合金由秦皇島通達觸頭材料公司采用真空熔滲法制備，其化學成分（質量分數／%）為50.47Cu，49.41Cr，其余為雜質。將合金加工成尺寸為φ10mm×5mm的高壓試驗用試樣，然后在CS－ⅡB型六面頂壓機上于920℃進行高壓處理，壓力分別為1，3，6GPa，保溫時間20min，施壓示意如圖1所示，采用電阻方式加熱，斷電保壓冷卻至室溫，其冷卻壓頭的循環水流量約為0.8L·min－1。再對不同壓力處理前后的試樣在200，400，500，600℃時效0～3h，然后將其用1200＃砂紙打磨、拋光及清水清洗后，用WD－Z型渦流電導儀測其電導率。試樣經砂紙打磨、拋光后，用由3%FeCl3和10%HCl（體積分數）組成的混合溶液腐蝕，并用Axiovert200MAT型光學顯微鏡觀察顯微組織。

圖1 施壓示意Fig.1 Schematic of pressure applying on sample

2 試驗結果與討論

2.1 高壓處理對顯微組織的影響

由圖2可以看出，3GPa高壓處理前后銅鉻合金的組織特征變化不明顯，鉻相均以不規則的顆粒狀分布于銅基體上，差別僅是高壓處理后的鉻相邊緣更光滑。不同壓力處理前后的組織變形類似，圖略。

圖2 3GPa高壓處理前后合金的顯微組織Fig.2 Microstructure of Cu－Cr alloy before（a）and after（b）high pressure treatment

2.2 高壓處理對電導率的影響

由圖3可以看出，高壓處理前銅鉻合金的電導率為13.75MS·m－1，隨壓力的增大，電導率逐漸減小，當壓力超過3GPa后，電導率的降幅不大。3GPa高壓處理后合金的電導率為12.47MS·m－1。

圖3 高壓處理的壓力與銅鉻合金電導率的關系Fig.3 Electrical conductivity vs pressure for Cu－Cr alloy before and after high pressure treatment

2.3 時效工藝對電導率的影響

由圖4可以看出，高壓處理前后銅鉻合金的電導率均隨時效溫度的升高先增大后降低，時效溫度高于200℃后，高壓處理后合金的電導率高于處理前的；當時效溫度為500℃時，3種合金的電導率均達到峰值，其中3GPa壓力處理后合金的電導率（18.76MS·m－1）最高，較未高壓處理并且未時效處理（13.75MS·m－1）及未高壓處理但經相同時效處理后的電導率（16.12MS·m－1）分別提高了34.44%和16.38%，超過500℃后電導率又開始下降。

圖4 不同狀態銅鉻合金的電導率與時效溫度的關系Fig.4 Electrical conductivity vs aging temperature for Cu－Cr alloy in different state

由圖5可見，在時效初期，3種合金的電導率均增長較快，高壓處理前合金的電導率在時效時間超過0.25h后增速變小，超2h后基本不變；而高壓處理后合金時效時間超過0.5h時，電導率變化不大。另外，時效時間超過0.25h后，高壓處理合金電導率的增加幅度明顯高于高壓處理前合金電導率的，這表明高壓處理能縮短合金電導率達到較高值所需的時效時間，且高壓處理后再經適當的時效處理能顯著提高合金的電導率。

圖5 不同狀態銅鉻合金的電導率與時效時間的關系Fig.5 Electrical conductivity vs aging time for Cu－Cr alloy in different states

銅合金的電導率主要受固溶原子、雜質、空位、晶格畸變及位錯等晶體缺陷對電子散射作用的綜合效應的影響［7］。通常上述晶體缺陷密度越高，對電子的散射作用就越大，電導率就越低。由于高壓處理能造成銅鉻合金晶格畸變，增加了內部位錯等缺陷，加大了對電子的散射作用。故高壓處理后銅鉻合金的電導率有所降低，壓力越大，電導率越低。在隨后的時效處理過程中，銅鉻合金中的晶格畸變及位錯等缺陷得以消除，過飽和固溶體發生分解，鉻以微粒的形式從固溶體中彌散析出［8］。根據Mathiessen理論［9］，合金基體中固溶原子對電子散射能力遠大于析出相對電子的散射能力，故銅鉻合金經時效處理后的電導率有所升高。由于高壓處理后合金內部存在高密度位錯等缺陷，這些缺陷在隨后的時效過程中為鉻相的析出提供了更多的形核部位，促進了鉻原子析出［10］。另外，高壓處理能增大金屬材料的致密性，減少材料內部的顯微孔隙［11］，這大大減小了對自由電子的散射幾率。因此，高壓處理后銅鉻合金的電導率達到較高值所需的時效時間較高壓處理前銅鉻合金的更短，其電導率也較之更高。至于銅鉻合金在500℃時效時可獲得較高的電導率，這是由于時效溫度過低時，原子的活動能力較弱，析出相少；時效溫度過高，析出來的鉻又有一部分重新溶解［12］，出現過時效現象。

3 結 論

（1）高壓處理能降低銅鉻合金的電導率，而高壓處理后再經適當的時效處理能提高合金的電導率，并縮短電導率達到較高值的時效時間。

（2）銅鉻合金在3GPa壓力下加熱至920℃保溫20min并保壓冷卻至室溫后再在500℃時效2h可獲得的較高的電導率（18.76MS·m－1）。

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