稀土铬锆铜合金强化工艺研究

稀土铬锆铜合金强化工艺研究

谢春生, 周　健, 任　合, 周海良(华东船舶工业学院材料与环境工程系, 江苏镇江　212003)

摘要:对加入微量稀土元素的铜铬锆合金的强化工艺及稀土在铜合金中的作用进行了研究。结果表明, 加入微量稀土(Ce ) 的

CrZrCuRE 合金, 经960±10℃固溶、50%～60%的冷变形及460～480℃时效处理, 可以获得良好的综合性能。加入微量稀土, 可以使合金在硬度略有升高的同时, 导电率和软化温度显著升高, 较大地提高合金制件的使用寿命。关键词:固溶; 时效; 硬度; 导电率; 稀土元素中图分类号:TG14614　　文献标识码:A　　文章编号:0254-6051(2001) 06-0012-03

Study on Strengthening Process of Cr 2Zr 2Cu 2RE Alloy

XIE Chun 2sheng ,ZHOU Jian ,REN He ,ZHOU Hai 2liang

(Dept. of Materials and Environment Engineering ,East China Shipbuilding Institute of 　212003,China ) Abstract :The strengthening process of the Cr 2Zr 2Cu alloy that contains a rare the effect of Ce on the alloy are studied in this paper. Results indicate that after solution treatment in ,cold %～60%and aging at 460

～480℃,the alloy takes on good integrated properties. earth elements can greatly improve conduc 2tivity and softening temperature of the alloy in the the alloy improved slight ,the service life of the alloy is enlonged obviously.

K ey w ords :solution earth element

5420—1989《电阻焊电极合金与辅助装置用铜及铜合金》, 用

1　引言

涡流导电仪测试合金的导电率。

电阻焊是利用电极夹(压) 紧焊件后, 通过电流加热、熔凝母材, 从而获得牢固接头的焊接方法。它广泛应用于航空、航3　试验结果与分析天、原子能、电子技术、钢铁及机械制造等领域。合金电极是311　合金的铸态组织与性能电阻焊生产过程中易耗的关键部件, 且关系到被加工构件的图1为CrZrCuRE 合金的铸态组织, 合金的晶粒比较粗焊接质量。为了提高焊接质量和生产效率, 降低成本, 许多学大, 而且组织中存在明显的晶内偏析和枝晶偏析, 这是由于固者在电极合金的强化方面从理论和实践上进行研究, 取得了溶体合金在浇铸过程中前后结晶出的固相成分不同, 先结晶

[1,2]

较大的进展。本文主要对加入微量铈元素的稀土铬锆铜部分含高熔点的元素多, 后结晶的含低熔点元素多, 加上冷速合金的强化工艺进行研究。结果表明, 加入微量稀土元素, 改较快, 合金元素扩散不均匀, 形成晶内和枝晶偏析。合金元素进合金的加工工艺和方法, 稀土铬锆铜合金得到了比铬锆铜的偏析使合金强度(硬度) 、塑性和韧性降低很多, 导电率明显合金更优越的使用性能。下降, 硬度值平均为60HV30, 且分布不均匀, 导电率为

2　试验材料和方法

211　试验材料

本试验用稀土铬锆铜合金(下简称CrZrCuRE 合金) 的成分(质量分数, %) 范围是:0154～0183Cr ,0120～0132Zr ,0105～0110RE , 杂质含量

4214%IACS, 不能满足常用电极合金及辅助设备使用要求

。

212　试验方法

将方锭热锻成20mm ×20mm 的方棒, 根据要求从上面截取长短不一的试样用作各种试验。在温度准确度±5℃的普通箱式电阻炉内进行各种热处理工艺试验。

根据G B/T4340—1984《金属维氏硬度试验方法》, 测定不同状态下合金的硬度。参照航空航天工业部标准HB/T

) , 男, 江苏溧水人, 教授级研究员, 长期从作者简介:谢春生(194811—

事材料科学与工程专业的科研和教学工作, 曾获省、部级科技进步奖多项, 部(省) 、市级“有突出贡献的中青年专家”, 发表论文近30篇, 现任金属材料研究所所长。联系电话:[1**********]8收稿日期:2000210224

图1　CrZrCuRE 合金的铸态组织　×500

Fig. 1　The cast structure of CrZrCuRE alloy 　×500

312　固溶处理

适当的温度进行固溶处理是合金获得良好性能的关键工

α艺。提高固溶温度, 延长保温时间, 虽然可使合金元素在2Cu 中固溶度增加, 强度提高, 但固溶温度过高, 保温时间过长, 将造成合金晶粒粗化, 反而降低合金的强度和塑性, 造成后续的冷变形或使用过程中产生裂纹。若固溶温度过低, 则合金元素在合金中的固溶量过少, 且成分均匀性差, 在随后的时效过程中还容易产生不连续的脱溶, 从而大大降低合金的时效强化效果。选择固溶温度以合金不产生晶粒粗大为前提, 提高

12《金属热处理》2001年第6期

固溶温度, 保温一定时间后快冷, 保证形成强化相的溶质元素在α2Cu 中达到最大的固溶度。

CrZrCuRE 合金是一种时效析出强化型合金。为了获得较好的析出强化效果, 同时可以进一步消除合金内偏析, 必须选择适当的固溶温度。将一组尺寸为20mm ×20mm ×15mm 的试样分别在900～1000℃温度范围内, 每隔20℃, 取一只试样在一个确定的温度下加热保温115h , 水淬固溶处理, 然后测试不同温度固溶处理后的性能, 结果见图2

。

过高, 则容易引起原来析出的细小的Cr 粒子和Cu 3Zr 粒子聚集长大, 使析出相与基体完全脱离共格关系, 使合金的强化效果下降, 即产生过时效。图4为CrZrCuRE 合金在不同温度下时效3h 后性能关系曲线。由图可见, CrZrCuRE 合金在470℃时效3～4h 能够获得良好的时效强化效果

。

图2　Fig. 2　The effect of the of 由图2可见, , 溶质元素在α2Cu 内溶解度增加, 由于其晶格畸变增加及溶质原子对位错“钉扎”作用加强, 位错运动的阻力增大, 合金的硬度(强度) 升高, 导电率也由于一些化合物相溶解溶质原子逐步均匀分布, 合金的晶粒长大, 逐步上升。在950℃固溶处理出现硬度和导电率下降,960℃固溶处理出现最低值。这说明在该温度固溶处理, 溶质原子充分溶解, 在α2Cu 内均匀分布, 对合金内部的自由电子运动产生阻碍, 使合金的电阻增大, 导电率下降, 这时合金的硬度也有所降低。之后随着固溶温度的升高, 合金的硬度和导电率又缓慢升高, 晶粒明显长大。从固溶处理的目的来看,960℃是CrZrCuRE 合金最佳固溶处理温度。960℃固溶处理的组织为单相过饱和α固溶体, 由于淬火应力的作用, 晶粒内产生了许多孪晶, 见图3

。

图4aging temperature on

properties of alloy CrZrCuRE

1　时效时间对合金性能的影响　根据上述获得的时效温度的试验结果, 取3组试样, 分别在460℃、470℃、480℃3个温度, 对合金进行不同时间保温, 进行时效处理, 时效时间与性能关系见图5。

一般对时效析出强化型合金来说, 时效温度高, 达到时效强化(峰值) 的时间短, 但效果比时效温度低、时间长的合金差, 且高温时效快, 很容易产生过时效。所以, 通常选择的温度低于最高时效温度, 再适当延长保温时间, 通过缓慢时效过程来获得好的强化效果[3]。因为在较高温度下或反复在高温下服役的电极合金在使用过程中仍有一个继续时效的作用, 适当的降低时效温度有利于提高合金的使用寿命。图6是未经冷变形的CrZrCuRE 合金经470℃±10℃,3～4h 时效处理后的金相组织

。

图5　CrZrCuRE 合金时效时间与性能的关系

Fig. 5　The effect of aging time on the

properties of alloy

CrZrCuRE

图3　CrZrReCu 合金960℃固溶处理组织　×100

Fig. 3　The structure of alloy CrZrCuRE solution

treated at 960℃　×100

313　时效处理

CrZrCuRE 合金属于析出强化型合金, 时效过程中有Cr 和Cu 3Zr 粒子析出,Cr 粒子呈均匀分布,Cu 3Zr 粒子呈非均匀分

布。其时效强化效果主要决定于合金时效温度和保温时间。

31311　时效温度对合金性能的影响　时效温度过高过低都

达不到强化效果, 由于时效过程一般是由过渡相向平衡相转变的过程, 时效温度过低, 析出不充分, 强化效果差; 时效温度

图6　CrZrCuRE 合金470℃时效后金相组织　×100

Fig. 6　The structure of alloy CrZrCuRE 　aged at

470℃　×100

《金属热处理》2001年第6期13

314　冷变形对合金性能的影响

CrZrCuRE 合金经固溶处理后, 其硬度低, 塑性高, 比较容

) , 而避免这些有害杂质生成低熔点(Cu +1160℃,BiCe1550℃

Pb ) 和(Cu +Bi ) 共晶体, 沿晶界呈网状分布, 从而消除晶界上

易进行冷变形加工, 使合金内部产生晶格畸变, 位错的密度明显增加, 由于合金经冷变, 其内能也大大增加, 为时效析出相提供更多的非自发晶核和应变能, 提高过饱和固溶体的分解速度和析出物的密度, 得到更为弥散的第二相析出物, 能显著地提高合金的时效强化效果。但冷变形合金的时效过程比较复杂, 除了过饱和固溶体脱溶之外还伴随合金的回复和再结晶。将经960℃固溶处理的一组试样, 分别进行了不同变形量的压缩冷变形, 再经470℃×2h 时效处理, 变形度对合金时效后的性能影响关系见图7。随变形度的增大, 合金硬度和导电率逐步升高, 变形度在50%左右时, 合金的硬度和导电率均处于最大值, 达到较好的配合。随冷变形度进一步增加, 合金时效后的硬度和导电率又有降低。试验结果表明:固溶处理后经50%左右冷变形, 在470℃分别提高30%和40%, 见图8

。

有害杂质对性能的不利影响。因此稀土净化了合金的基体和晶界, 提高了合金的强度(硬度) 、塑性和导电率。作者选用含Cr 、Zr 两种元素比例相近的CrZrCu 合金和本试验用的经相同工艺进行热处理和冷变形的CrZrCuRE 合金试验证明:含微量稀土Ce 的CrZrCuRE 合金, 其硬度(强度) 略有升高, 导电率提高10%以上(增加12%IACS ) 。从金相组织观察, CrZrCuRE 合金的晶粒若不经冷变形则比CrZrCu 合金晶粒粗大, 类似的现象在其他稀土铜合金中也存在[5], 其机理尚须作进一步的研究。

, 在高温和应力双重, 这是合金的, 减少了一些低熔合物, 合金的基体和晶界得到净化, 从而提高了沉淀析出相的稳定性[6], 有效地阻碍合金在高温时的软化, 显著地提高了合金的软化温度。根据ISO5182—1978中的定义, 通过试验证实CrZrCuRE 合金的软化温度为650℃。含微量稀土的CrZr 2CuRE 合金比文献[7]中研究的CrZrCu 合金的软化温度提高40～50℃。

4　结论

(1) CrZrCuRE 合金经960℃×115h 固溶处理,470℃×(3～4) h 时效处理后, 合金的硬度≥120HV30, 导电率≥60%IACS , 具有较高硬度和导电率的综合性。

(2) CrZrCuRE 合金经960℃固溶处理和50%左右变形率冷变形后, 只要经(470±10) ℃×2h 左右时效, 硬度导电率

图7　变形率对CrZrCuRE 合金时效后性能影响关系

Fig. 7　The effect of deformation on the

properties of alloy

CrZrCuRE

比未经冷变形的合金分别提高30%和40%左右, 且时效强化时间缩短近一半。

(3) 稀土元素在CrZrCuRE 合金中能净化合金的基体和晶界, 改善和提高合金的硬度(强度) , 显著提高合金的导电率、软化温度, 大大的提高合金的实际使用寿命。但未经冷变形的CrZrCuRE 合金晶粒比CrZrCu 合金的明显增大, 其机理尚待进一步地研究。参考文献:

[1]　温宏权, 等. 高强度、高导电性能铜合金研究现状及展望[J]1功

图8　CrZrCuRE 合金经50%冷变形后

时效的金相组织　×100

Fig. 8　The structure of the alloy with deformation

by 50%after aging 　×100

315　稀土对合金性能的影响

文献[2,4]阐述了稀土元素对铜合金的有益作用。稀土

元素具有很高的化学活性, 在熔炼过程中极易与氧、氮、硫化合生成氧化物、氮化物及氧硫化合物, 起到脱氧、脱硫、脱氢的

) 低于铜(1083℃) , 进入铜作用。稀土元素的熔点(Ce ,798℃

液后生成一些高熔点的稀土氧化物和硫化物, 其密度比铜低CeO 2(7106g/cm 3) 易于上浮, 同时稀土元素还与溶于铜的一些有害杂质Pb 、Bi 和P 形成高熔点的化合物(如PbCe

能材料,1995,26(6) :5532556.

[2]　凌燕平, 等. 稀土合金在导电铜中的应用[J].北京钢铁学院学

报,1988, (7) :354.[3]　[苏]N・N ・诺维柯夫(王子褚译) . 金属热处理理论[M ]1北京:

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[5]　陈复明, 等. 稀土对铍青铜组织性能影响及机理研究[J].天津大

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