高壓和時效處理對銅鉻合金電導(dǎo)率的影響

段文燕

（秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，秦皇島066100）

0 引 言

銅鉻合金具有較高的抗壓強(qiáng)度、優(yōu)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(yīng)用［1－2］?，F(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)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(jié)法、熔滲法、電弧熔煉法、真空感應(yīng)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(qiáng)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(diǎn)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(dǎo)電性能。據(jù)資料報(bào)道［5－6］，高壓處理能細(xì)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(dǎo)電性能影響的研究尚未見報(bào)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(dǎo)率的影響及相關(guān)機(jī)理。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用銅鉻合金由秦皇島通達(dá)觸頭材料公司采用真空熔滲法制備，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）為50.47Cu，49.41Cr，其余為雜質(zhì)。將合金加工成尺寸為φ10mm×5mm的高壓試驗(yàn)用試樣，然后在CS－ⅡB型六面頂壓機(jī)上于920℃進(jìn)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(huán)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(dǎo)儀測其電導(dǎo)率。試樣經(jīng)砂紙打磨、拋光后，用由3%FeCl3和10%HCl（體積分?jǐn)?shù)）組成的混合溶液腐蝕，并用Axiovert200MAT型光學(xué)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(yàn)結(jié)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(guī)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(dǎo)率的影響

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

圖3 高壓處理的壓力與銅鉻合金電導(dǎo)率的關(guān)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(dǎo)率的影響

由圖4可以看出，高壓處理前后銅鉻合金的電導(dǎo)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(dǎo)率高于處理前的；當(dāng)時效溫度為500℃時，3種合金的電導(dǎo)率均達(dá)到峰值，其中3GPa壓力處理后合金的電導(dǎo)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(jīng)相同時效處理后的電導(dǎo)率（16.12MS·m－1）分別提高了34.44%和16.38%，超過500℃后電導(dǎo)率又開始下降。

圖4 不同狀態(tài)銅鉻合金的電導(dǎo)率與時效溫度的關(guān)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(dǎo)率均增長較快，高壓處理前合金的電導(dǎo)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(dǎo)率變化不大。另外，時效時間超過0.25h后，高壓處理合金電導(dǎo)率的增加幅度明顯高于高壓處理前合金電導(dǎo)率的，這表明高壓處理能縮短合金電導(dǎo)率達(dá)到較高值所需的時效時間，且高壓處理后再經(jīng)適當(dāng)?shù)臅r效處理能顯著提高合金的電導(dǎo)率。

圖5 不同狀態(tài)銅鉻合金的電導(dǎo)率與時效時間的關(guān)系Fig.5 Electrical conductivity vs aging time for Cu－Cr alloy in different states

銅合金的電導(dǎo)率主要受固溶原子、雜質(zhì)、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(yīng)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(dǎo)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(nèi)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(dǎo)率有所降低，壓力越大，電導(dǎo)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(fā)生分解，鉻以微粒的形式從固溶體中彌散析出［8］。根據(jù)Mathiessen理論［9］，合金基體中固溶原子對電子散射能力遠(yuǎn)大于析出相對電子的散射能力，故銅鉻合金經(jīng)時效處理后的電導(dǎo)率有所升高。由于高壓處理后合金內(nèi)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(jìn)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(nèi)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(dǎo)率達(dá)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(dǎo)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(dǎo)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(xiàn)過時效現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

（1）高壓處理能降低銅鉻合金的電導(dǎo)率，而高壓處理后再經(jīng)適當(dāng)?shù)臅r效處理能提高合金的電導(dǎo)率，并縮短電導(dǎo)率達(dá)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(dǎo)率（18.76MS·m－1）。

［1］周志明，雷彬彬，唐麗文，等.冷軋Cu70Cr30復(fù)合材料的顯微組織和性能［J］.熱加工工藝，2012，40（2）：91－93.

［2］魯世強(qiáng)，胡春文，李鑫，等.機(jī)械活化熱壓制備CuCr50觸頭材料的組織與性能［J］.稀有金屬材料與工程，2007，36（6）：1041－1045.

［3］朱建娟，田保紅，劉平.Cu－Cr合金觸頭材料制備技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.鑄造，2006，55（11）：1110－1113.

［4］梁淑華，范志康，胡銳.細(xì)晶CuCr系觸頭材料的研究［J］.粉末冶金技術(shù)，2000，18（3）：196－199.

［5］岳學(xué)慶，段文燕，薛云，等.高壓固溶及常壓時效處理對AM60鎂合金組織及壓縮性能的影響［J］.熱加工工藝，2012，41（2）：195－197.

［6］CHEN Y，LIU L，WANG Y H，et al.Microstructure evolution and thermal expansion of Cu－Zn alloy after high pressure heat treatment［J］.Trans Nonferrous Met Soc China，2011，21（10）：2205－2209.

［7］VERHOEVEN J D，CHUEH S C，GIBSON E D.Strength and conductivity of in situ Cu－Fe alloys［J］.J Mater Sci，1989，24：1748－1750

［8］常立民，肖瑩，郝文光.形變與熱處理對CuCr合金中Cr相形貌及性能的影響［J］.稀有金屬材料與工程，2005，34（12）：1952－1956.

［9］董企銘，蘇娟華，劉平，等.Cu－0.7Cr－0.3Zr合金時效強(qiáng)化行為的研究［J］.材料科學(xué)與工藝，2004，12（6）：630－632.

［10］WU LL，LIU L，LIU J H，et al.Effects of high pressure heat treatment on microstructure and micro－mechanical properties of Cu77.96Al22.04alloy［J］.Matterials Transactions，2012，53（3）：504－507.

［11］方俊鑫，陳棟.固體物理［M］.北京：高等教育出版社，1981：156.

［12］LU W，LIU L，LIU J H，et al.Influence of deformation and heat treatment on electrical conductivity of CuMoCr alloy［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2009，16（4）：485－488.