形變熱處理對Cu－0.3Cr－0.1Zr合金上引鑄坯桿組織性能的影響

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性能、導電性能及組織結構的影響規律.結果表明:時效前的冷拉拔變形能提高Cu-0.3Cr-0.1Zr合金的力學性能而保持較高的導電率;合金在950 ℃固溶1 h后,經70%冷拉拔變形和500 ℃時效4 h,合金抗拉強度和導電率分別達到了418 MPa和87 %IACS;時效合金組織轉變過程為:固溶體→G.P.區→Cr+Cu4Zr,析出相對位錯運動的阻礙是合金強化的重要機制.

關鍵詞：Cu-0.3Cr-0.1Zr合金; 形變熱處理; 微觀組織; 抗拉強度; 導電率

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文獻標志碼： 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濟發展水平和鐵路現代化的重要標志之一.接觸線是鐵路接觸網中的重要組成部分,隨著車流密度增加,列車牽引質量上升,電力機車功率提高及車速加快,要求接觸線兼具高強度、高導電性和耐高溫軟化強度[1-3].銅合金接觸線是電氣化鐵道供電系統中的重要材料.隨著鐵路、地鐵和輕軌等項目的不斷新建和改擴建,對接觸線的需求越來越大[4-6].且鐵路運輸的一再提速(一般運行速度在120～160 km/h為中速,160～200 km/h為準高速,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合金因為具有高強度、高導電性、高塑性等優良性能,受到研究者的廣泛關注.研究發現這種合金經適當形變和熱處理后,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,優化形變熱處理工藝,使其獲得較高的強度和導電率的組合,為制定該合金的形變熱處理工藝提供參考.

1試驗方法

在中頻感應爐中熔煉Cu-0.3Cr-0.1Zr合金,材料主要化學成分為: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不同變形率的粗拔后,進行固溶處理,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行時效處理.熱處理工藝在SX-4-10型箱式電阻爐中進行.采用5 mL FeCl3+25 mL HCl+100 mL H2O溶液浸蝕試樣.金相組織在XJZ-6Z型金相顯微鏡上進行觀察,導電率在SIGMASCOPE SMP 10電導率測量儀上進行測試.力學性能在日本島津AG-50kNE萬能材料試驗機上進行室溫測試.采用JEM-2000透射電子顯微鏡對時效試樣進行TEM觀察,來確定析出相的結構,利用其附帶的能譜儀對析出相成分進行分析,工作電壓為200 kV.TEM試樣的制備過程為:機械減薄至100 μm—沖成φ3 mm的圓片—雙噴電解拋光,電解液按體積分數配制25%HNO3+75%CH3OH,溫度為-30 ℃,電壓為15～20 V.

2結果與分析

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度和導電率的變化曲線.圖1(a)為抗拉強度與時效時間的關系曲線,從圖1(a)中可以看出,在500 ℃和550 ℃時效,抗拉強度先隨時效時間的增加而升高,3～5 h后抗拉強度達到峰值,達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.抗拉強度隨時效時間的延長迅速下降,然后趨于平穩.且時效溫度越高,合金抗拉強度降低速率越大.

主要原因是:低于550 ℃時效處理,抗拉強度出現峰值,是沉淀強化的結果.出現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,抗拉強度也隨之增加.在4 h左右析出物與基體共格,抗拉強度達峰值.隨時效時間的繼續延長,析出物與基體失去共格關系,抗拉強度降低,出現過時效.時效溫度高于550 ℃后,基體組織發生了再結晶,因為合金元素含量較少,使得再結晶對抗拉強度的影響遠大于沉淀強化,抗拉強度劇烈下降.隨時效時間的延長,基體內部固溶原子析出,位錯密度降低,再結晶基本完成,合金基體組織不會再有太大變化,抗拉強度趨于平緩[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,合金的導電率逐漸趨于平緩,在400～550 ℃范圍內時效,導電率隨溫度的增加而增加,550 ℃時效后可以獲得較高的導電率;600 ℃時效,導電率反而降低[12-13].

影響銅合金導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,導電率越低.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,合金的導電性能保持在一個較高水平.因此,時效初期,溶質原子析出速度較快,導電率快速升高.

圖2為500 ℃時效4 h后,不同冷拉拔變形量對Cu-0.3Cr-0.1Zr合金力學性能和導電率的影響曲線.從圖2中可以看出,隨著冷拉拔變形量的增加,抗拉強度增加,導電率達到峰值后下降.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,強化效應增加.當變形量達到80%時,缺陷和晶界面積對導電率的影響超過了溶質原子對導電率的影響,此時導電率下降.冷拉拔變形量為70%時,合金的導電率仍然達到87 %IACS.

綜上所述,綜合考慮合金的抗拉強度與導電率性能結合,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度和導電率分別達到了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合金鑄態顯微組織(OM、SEM)及能譜分析結果.圖3(b)是14 000倍下通過SEM觀察到的鑄態第二相的形貌.可以看到在基體中存在不連續的球狀第二相.圖3(c)是該區域的能譜分析結果.結合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能發生協同作用,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晶組織,晶粒內部有細小的未溶相.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,未觀察到再結晶組織.這是因為在冷拉拔變形量大的情況下,或當晶界遷移過程受到析出相對位錯的釘扎作用而阻礙再結晶形核長大時,只發生極強的特殊回復過程.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.彌散細小的第二相提高了合金的強度,在500 ℃時效4 h后合金的抗拉強度達到峰值.

圖3　合金鑄態組織

圖4　不同處理態合金的顯微組織

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,在主斑點周圍有衛星斑點出現,此衛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,不出現額外的斑點,僅使衍射斑點的強度發生變化[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構,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)),可以發現其析出相有兩種,一是Cr相,另外是Cu4Zr.細小彌散的析出相對合金起到沉淀強化的作用,使得強度得到了提高.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,提高了合金的導電率.

圖5　合金經過500 ℃時效0.5 h后的透射電鏡組織

圖6　合金經過500 ℃時效4 h后的透射電鏡組織

3結論

(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,合金強度下降;導電率升高并保持水平.

(2) 950 ℃固溶1 h后經70%冷拉拔變形和500 ℃時效4 h,上引Cu-0.3Cr-0.1Zr合金抗拉強度和導電率分別達到了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,在主斑點周圍出現衛星斑點,形成了溶質富集的G.P.區.隨著時效時間的延長,析出兩種細小的彌散相,即Cr相和Cu4Zr相.

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