基于硬度與導(dǎo)電率協(xié)同優(yōu)化的鉻鋯銅合金制備工藝創(chuàng)新研究——探究微量元素?fù)诫s冷變形量控制及復(fù)合熱處理對合金組織與使用性能的改進(jìn)效果及工業(yè)化應(yīng)用價(jià)值

在現(xiàn)代工業(yè)中，銅合金應(yīng)用廣泛。鉻鋯銅合金由于導(dǎo)電導(dǎo)熱性能良好，具有高的強(qiáng)度和好的耐磨性,可作為電阻焊電極和結(jié)晶器等材料。在汽車、機(jī)車、造船、電力及航空等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用,具有廣闊的市場前景[1]。隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級，對鉻鋯銅合金的綜合性能提出更高的要求，提高該合金的綜合性能引起相關(guān)研究者的關(guān)注。本文通過研究添加微量元素,優(yōu)化鉻鋯銅合金成分;分析不同冷變形量與不同處理工藝對鉻鋯銅合金性能與組織的影響，旨在為提高鉻鋯銅合金的綜合使用性能提供一定的參考。

1、實(shí)驗(yàn)部分

1.1試樣制備

采用電解銅、鉻銅中間合金、金屬鋯、鈮粉或鈷粉等原材料,在25kg真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)熔煉,待坩堝內(nèi)的爐料熔化完加入銅鎂合金,然后提升熔液溫度至1300℃后加入鈮或鈷粉等原材料,出爐前再加入鋯,最后將合金熔液澆注成鉻鋯銅合金鑄錠。添加鈮或鈷微量元素的鉻鋯銅合金鑄錠的化學(xué)成分如表1所示。

表１　 鉻鋯銅合金鑄錠化學(xué)成分 ｗ／ %

鉻鋯銅合金鑄錠先經(jīng)加熱鍛造成坯料,坯料固溶處理后，分別以不同的冷加工形變量制成合金實(shí)驗(yàn)試樣。

1.2處理工藝實(shí)驗(yàn)

鉻鋯銅合金試樣放入箱式熱處理爐進(jìn)行時(shí)效處理,時(shí)效處理工藝為430℃溫度保溫1.5h,爐冷至300℃以下出爐空冷。將部分時(shí)效處理過的試樣放入液氮中,分別浸泡1、2、3、4、5、7h,進(jìn)行時(shí)效處理+深冷處理的工藝實(shí)驗(yàn)。

1.3測試方法

使用HRD-150型電動(dòng)洛氏硬度計(jì)檢測不同處理工藝的合金試樣硬度;使用FD101數(shù)字便攜式渦流導(dǎo)電儀檢測各試樣的導(dǎo)電率;使用萊卡-DMIRM金相顯微鏡和德國蔡司-EVO 18掃描電子顯微鏡觀察合金試樣的顯微組織。

2、結(jié)果與討論

2.1微量元素對鉻鋯銅合金組織與性能的影響

檢測經(jīng)時(shí)效處理后CrZrCoCu與CrZrNbCu合金的硬度和導(dǎo)電率,檢測結(jié)果見表2。

表２　 時(shí)效處理后合金的性能檢測結(jié)果

從表2中合金的硬度與導(dǎo)電率檢測結(jié)果來看，添加微量的鈮或鈷元素至鉻鋯銅合金中,都可以使鉻鋯銅合金達(dá)到較高的硬度和導(dǎo)電率。

使用掃描電子顯微鏡分別觀察CrZrNbCu和CrZrCoCu合金試樣顯微組織及能譜圖,觀察結(jié)果見圖1、圖2。

從圖1b可以看出，CrZrNbCu合金中含有鈮元素;微量鈮元素有效細(xì)化了鉻鋯銅合金中晶粒[2]。從圖2b可以看出,CrZrCoCu合金中含有鈷元素;微量鈷元素增加了銅合金基體晶格畸變。添加微量的鈮或鈷元素均有利鉻鋯銅合金強(qiáng)度的提升。但鈮或鈷元素對鉻鋯銅合金的導(dǎo)電性能均會(huì)產(chǎn)生不良影響，因此需要合理控制添加量。

使用金相顯微鏡分別觀察CrZrCoCu與CrZrNbCu合金時(shí)效處理后的顯微組織,觀察結(jié)果見圖3、圖4。

從圖3和圖4觀察到,CrZrCoCu合金時(shí)效后析出物相對較為分散且均勻，而CrZrNbCu合金時(shí)效后析出物總體上偏大，而且較大的析出物多分布在晶界附近。這主要與鈮元素的熔點(diǎn)較高，不能完全溶解在銅合金中有關(guān)。鈷元素能較好地溶解在銅合金中,能形成較為穩(wěn)定的析出相。

在添加微量的鈮或鈷元素至鉻鋯銅合金內(nèi)的冶煉過程中，對熔煉操作的要求有所不同。相對于添加鈷元素，在鉻鋯銅內(nèi)添加鈮元素對熔煉的要求較高，需要較精細(xì)的操作才能達(dá)到鉻鋯銅合金中的鈮偏析少，收得率高。

2.2冷變形量對鉻鋯銅合金組織與性能的影響

將固溶后CrZrNbCu合金坯料分別采用10%、40%、50%、55%、70%等不同的冷加工變形量,制作實(shí)驗(yàn)試樣;各試樣再經(jīng)過相同的時(shí)效處理,檢測不同冷變形量的CrZrNbCu合金試樣的硬度和導(dǎo)電率,性能檢測結(jié)果見表3。

表３　 不同冷變形量的ＣｒＺｒＮｂＣｕ 合金性能檢測結(jié)果

從表3結(jié)果可以看出，鉻鋯銅合金的導(dǎo)電率隨著形變量的增加而降低，硬度隨著形變量的增加而增加，但形變量增加到一定程度后，合金硬度變化不大。

分別觀察不同冷變形量的CrZrNbCu合金時(shí)效后顯微組織,觀察結(jié)果見圖5、圖6、圖7、圖8、圖9。

從圖5、圖6、圖7、圖8、圖9可以看出，隨著冷變形量增加，鉻鋯銅合金的晶粒得到細(xì)化，促進(jìn)材料中強(qiáng)化相的析出，從而增加材料硬度[3]。但當(dāng)變形量過大，達(dá)到塑性變形或位錯(cuò)的影響極限時(shí)，硬度變化不大。另外，位錯(cuò)和晶界對銅基體間的電子流動(dòng)有散射作用,因此材料導(dǎo)電率隨著變形量增加而降低[4]。

綜合CrZrNbCu合金硬度和導(dǎo)電性匹配以及生產(chǎn)現(xiàn)場的情況，冷變形量控制在50%左右，CrZrNbCu合金的硬度和導(dǎo)電率間能形成良好匹配,綜合性能較佳。

2.3處理工藝對鉻鋯銅合金組織與性能影響

CrZrNbCu與CrZrCoCu合金試樣經(jīng)過時(shí)效處理后,硬度(HRB)與導(dǎo)電率(%IACS)數(shù)值均可達(dá)到80,合金綜合性能較佳。嘗試對時(shí)效處理后的CrZrNbCu與CrZrCoCu合金再分別經(jīng)1、2、3、4、5、7h不同時(shí)間的深冷處理，回復(fù)到常溫后，檢測合金的硬度與導(dǎo)電率，檢測結(jié)果見圖10。

由圖10的數(shù)據(jù)看出，CrZrNbCu和CrZrCoCu合金深冷處理前后的硬度和導(dǎo)電率總體變化不大。

分別觀察深冷處理前后的CrZrNbCu和CrZrCoCu合金的顯微組織，觀察結(jié)果見圖11、圖12、圖13、圖14。

對比觀察合金的顯微組織結(jié)果可以看出，深冷處理前后CrZrNbCu和CrZrCoCu合金顯微組織無明顯的差異。

深冷處理主要使試樣在劇烈的降溫過程中,合金材料體積收縮,這有利于組織變得致密,細(xì)化晶粒;同時(shí)使材料晶格發(fā)生畸變,位錯(cuò)密度增加,為強(qiáng)化相析出提供動(dòng)力;可提高材料硬度,改善材料的導(dǎo)電性能[5]。鉻鋯銅合金加入微量的Nb或Co元素后,合金晶粒已得到充分的細(xì)化,深冷處理產(chǎn)生的劇烈降溫對已經(jīng)細(xì)化的晶粒作用不明顯。另外,鈮或鈷元素都能促進(jìn)鉻鋯銅合金中強(qiáng)化相析出，含有微量Nb或Co元素的鉻鋯銅合金中的強(qiáng)化相析出比較徹底，少有不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu);深冷處理對CrZrNbCu或CrZrCoCu合金的硬度與導(dǎo)電性沒有明顯的影響。

3、結(jié)語

1)添加微量的Nb或Co元素后，鉻鋯銅合金能達(dá)到較高的硬度和導(dǎo)電率,合金都能表現(xiàn)出高強(qiáng)高導(dǎo)的特點(diǎn)。

2)選擇冷變形量在50%附近時(shí)，時(shí)效處理后的鉻鋯銅合金硬度和導(dǎo)電率等綜合性能較佳。

3)含微量Nb或Co元素的鉻鋯銅合金時(shí)效處理后再進(jìn)行深冷處理，合金性能變化不明顯。

參考文獻(xiàn)

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[2]張金利,宋艷琴,王世魁.鈮微合金化銅及銅合金材料[P].中國專利:CN101012520,2007-08-08.

[3]馬旭,王順興,劉勇,等.變形量對Cu-Cr-Zr合金等溫時(shí)效動(dòng)力學(xué)的影響[J].熱加工工藝,2009,38(08):10-12.

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（注，原文標(biāo)題：鉻鋯銅合金組織與性能的研究）

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