高強(qiáng)高導(dǎo)Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金熱處理前后組織性能變化*

陸冠華，甘春雷，劉 輝，劉宇寧,3，王順成，周 楠，宋東福

1.廣東省材料與加工研究所，廣東 廣州 510650；2.佛山市華鴻銅管有限公司，廣東 佛山 528234；3.湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410082

高強(qiáng)高導(dǎo)Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金熱處理前后組織性能變化*

陸冠華1，甘春雷1，劉 輝2，劉宇寧1,3，王順成1，周 楠1，宋東福1

1.廣東省材料與加工研究所，廣東 廣州 510650；2.佛山市華鴻銅管有限公司，廣東 佛山 528234；3.湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410082

通過(guò)金相組織觀察、SEM、室溫單向拉伸實(shí)驗(yàn)及導(dǎo)電性能測(cè)試等手段，研究了室溫拉拔態(tài)Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金熱處理前后組織性能的變化．結(jié)果表明：與室溫拉拔態(tài)相比，經(jīng)固溶時(shí)效熱處理(950 ℃保溫1 h，水淬， 500 ℃保溫4 h，隨爐冷卻)的Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金組織發(fā)生了再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大，其抗拉強(qiáng)度為395 MPa、屈服強(qiáng)度為247 MPa，分別降低了10%和43%；延伸率及導(dǎo)電率分別為30%和92%IACS，分別提高了114%和119%；經(jīng)熱處理后的Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金拉伸斷口存在平均尺寸變大的延性韌窩，是典型的韌性斷裂，表明合金具有優(yōu)良的塑性加工性能．

高強(qiáng)高導(dǎo)；Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金；固溶時(shí)效熱處理

Cu-Cr-Zr系合金具有強(qiáng)度高、導(dǎo)電率高及良好的耐磨等性能，用作高速列車架空導(dǎo)線、電氣工程開(kāi)關(guān)觸橋、交流電機(jī)整流子、發(fā)電機(jī)導(dǎo)電環(huán)、連鑄結(jié)晶器內(nèi)襯、電阻焊電極和集成電路引線框架等方面，具有廣闊的應(yīng)用前景，是各國(guó)材料工作者重點(diǎn)關(guān)注及研究的熱點(diǎn)．國(guó)內(nèi)外學(xué)者在Cu-Cr-Zr系合金的制備工藝、微觀組織結(jié)構(gòu)與性能等方面開(kāi)展了大量的研究工作[1-5]，并取得較多的研究成果．

Cu-Cr-Zr系合金屬于固溶強(qiáng)化型金屬，熱處理對(duì)這類合金的組織及性能有很大的影響，是提升合金強(qiáng)度及導(dǎo)電率等綜合性能的重要手段[6-9]，合理的熱處理工藝是獲得綜合性能優(yōu)良的Cu-Cr-Zr系合金的關(guān)鍵．近年來(lái)，一些學(xué)者對(duì)添加Mg和Ce元素的 Cu-Cr-Zr合金開(kāi)展了微觀組織與時(shí)效工藝等方面的研究[10]，獲得了不同時(shí)效工藝條件下綜合性能較好的Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金，但是有關(guān)熱處理對(duì)Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金的組織及性能方面影響的研究還不夠完善，還需進(jìn)一步深入研究及提高．本文通過(guò)研究室溫拉拔態(tài)Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金熱處理前后組織及性能的變化，為此類合金的研發(fā)與推廣應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用材料為室溫拉拔態(tài)Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金，其化學(xué)成分列于表1．

表1 實(shí)驗(yàn)用材料化學(xué)成分

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

為了研究熱處理對(duì)室溫拉拔態(tài)Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金組織及性能的影響，進(jìn)行固溶時(shí)效熱處理．其處理工藝為950 ℃下保溫1 h，立即水淬，隨后在500 ℃下保溫4 h，隨爐冷卻．

試樣經(jīng)過(guò)粗磨、細(xì)磨和拋光處理后進(jìn)行化學(xué)腐蝕，所用浸蝕劑配比為40 mL的硝酸+40 mL 的冰醋酸+20 mL的水．用LEICA-DMI3000M型金相顯微鏡觀察試樣的微觀組織，用JSM-5610LV型掃描電鏡進(jìn)行成分分析及觀察試樣拉伸斷口形貌；按照 GB/T228.1-2010國(guó)標(biāo)規(guī)定用GP-TS2000型電子萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸力學(xué)性能測(cè)試，拉伸速度為2.0 mm/min；按照GB/T3048.2-2007國(guó)標(biāo)用QJ36型雙臂電橋電阻測(cè)量?jī)x在室溫下進(jìn)行合金電阻率測(cè)試，然后經(jīng)過(guò)計(jì)算得到導(dǎo)電率，測(cè)量時(shí)保證試樣在無(wú)腐蝕、無(wú)磁場(chǎng)干擾環(huán)境下進(jìn)行，導(dǎo)電率數(shù)值為3次測(cè)試的平均值．

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀組織

圖1為固溶時(shí)效處理前后Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金的微觀組織．從圖1可見(jiàn)：固溶時(shí)效熱處理前Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金的組織由大量的不規(guī)則晶粒組成(圖1(a))，晶粒尺寸約為11 μm；熱處理后的合金組織晶粒變得較粗大(圖1(b))，并伴隨出現(xiàn)孿晶，晶粒尺寸約為60 μm，這說(shuō)明熱處理過(guò)程中合金組織發(fā)生了再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大．同時(shí)從圖1還可以看出：固溶時(shí)效處理前Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金組織中晶界及晶粒內(nèi)均存在顆粒相，并且顆粒相較粗大(圖1(a))；經(jīng)固溶時(shí)效處理后Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金組織中晶界及晶粒內(nèi)同樣存在顆粒相，但晶內(nèi)彌散分布著許多細(xì)小的析出相(圖1(b))．

圖1 Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金固溶時(shí)效處理前后的微觀組織照片(a)熱處理前；(b)熱處理后Fig.1 Microstructures of the Cu-Cr-Zr-Mg-Ce alloy before and after solution and ageing treatment(a) before heat treatment；(b) after heat treatment

對(duì)熱處理后的Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金組織中顆粒相進(jìn)行能譜分析(圖2)發(fā)現(xiàn)，彌散析出相主要為Cr相，說(shuō)明時(shí)效過(guò)程主要是過(guò)飽和固溶體分解析出彌散Cr粒子的過(guò)程．

2.2 合金拉伸斷口形貌

圖3為Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金熱處理前后拉伸斷口的SEM照片．從圖3可以看出，Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金拉伸斷口呈現(xiàn)大量的延性韌窩，并且部分韌窩較深，這表明合金具有優(yōu)良的塑性．進(jìn)一步觀察可發(fā)現(xiàn)，熱處理后的Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金拉伸斷口大部分韌窩的平均尺寸比熱處理前變大，說(shuō)明熱處理后的Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金晶粒尺寸變大，這與合金組織中發(fā)生再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大有關(guān)．同時(shí)從圖3還可以觀察到，韌窩內(nèi)存在不規(guī)則的顆粒物．

對(duì)Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金熱處理后拉伸斷口顆粒物進(jìn)行能譜分析(圖4)發(fā)現(xiàn)，顆粒物主要為富銅Cr析出相及富銅鈰的化合物．這表明合金試樣在軸向拉伸變形過(guò)程中隨著拉伸變形量的增加，Cr相及鈰的化合物與銅基體的變形程度差別不斷增大，致使存在Cr相及鈰的化合物處累積產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中，從

圖2 Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金固溶時(shí)效處理后微觀組織中顆粒相的能譜圖Fig.2 EDXS analysis spectrum of the Cu-Cr-Zr-Mg-Ce alloy after heat treatment.

圖3 Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金熱處理前后拉伸斷口SEM照片(a)拉拔態(tài)；(b)固溶時(shí)效態(tài)Fig.3 SEM images of the tensile fracture surfaces of the Cu-Cr-Zr-Mg-Ce alloy before and after solution and ageing treatment(a) as cold drawn；(b) as solution-treated and aged

圖4 Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金熱處理后拉伸斷口顆粒物的能譜圖(a) 鈰的化合物；(b) Cr相Fig.4 EDXS analysis spectrum of the tensile fracture surface for the Cu-Cr-Zr-Mg-Ce alloy after heat treatment (a) compounds containing Ce； (b) Cr phase

而促使裂紋萌發(fā)或使已有的微裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金就發(fā)生斷裂．

2.3 力學(xué)性能

表2為Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金熱處理前后的力學(xué)性能．由表2可知：Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金的抗拉強(qiáng)度由熱處理前的439 MPa降低為熱處理后的395 MPa，降低了10%；屈服強(qiáng)度由431 MPa降低為247 MPa，降低了43%；延伸率由14%增加至30%，提高了114%．這是因?yàn)樵俳Y(jié)晶軟化效果強(qiáng)于時(shí)效析出效果，從而使得合金的強(qiáng)度降低，延伸率獲得大幅度提高．表明經(jīng)固溶時(shí)效熱處理后Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金具有優(yōu)良的塑性，這對(duì)進(jìn)一步實(shí)施形變加工來(lái)提升Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金的綜合性能特別有利．

表2 Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金的力學(xué)性能

2.4 導(dǎo)電率

圖5為 Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金熱處理前后的導(dǎo)電率．從圖5可見(jiàn)，熱處理前Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金的導(dǎo)電率為42%IACS，經(jīng)固溶時(shí)效熱處理后Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金的導(dǎo)電率為92%IACS，提高了119%，熱處理后的Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金表現(xiàn)出優(yōu)良的導(dǎo)電性能．這是因?yàn)镃u-Cr-Zr-Mg-Ce合金熱處理前經(jīng)室溫拉拔變形，合金中引入了大量的空位、位錯(cuò)和層錯(cuò)等晶體缺陷，這增加了對(duì)電子的散射作用，導(dǎo)致熱處理前的合金具有較低的導(dǎo)電率．經(jīng)固溶時(shí)效熱處理后的Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金的導(dǎo)電性能大幅度提升，一方面是因?yàn)闀r(shí)效過(guò)程中再結(jié)晶軟化導(dǎo)致基體點(diǎn)陣對(duì)電子散射作用減弱，從而使得合金的電導(dǎo)率升高[11-12]；另一方面是因?yàn)楹辖鹬械闹饕辖鹪谻r充分析出，沒(méi)有對(duì)電子造成嚴(yán)重的散射．由Mathiessen理論[13]可知，合金中固溶體對(duì)電子散射能力遠(yuǎn)大于析出相對(duì)電子的散射能力，因此Cr相的不斷析出使得基體固溶體不斷貧化，導(dǎo)致固溶體對(duì)電子產(chǎn)生的散射作用大幅減弱，從而使合金的導(dǎo)電率提高并達(dá)到較高值．此外，合金元素Mg和Ce對(duì)合金也起到凈化作用[14-16]，有利于降低對(duì)電子的散射作用，使固溶時(shí)效熱處理后的Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金有較高的導(dǎo)電率．

圖5 Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金熱處理前后的導(dǎo)電率Fig.5 Conductivity of the Cu-Cr-Zr-Mg-Ce alloy before and after solution and ageing treatment

3 結(jié) 論

(1)經(jīng)固溶時(shí)效熱處理的Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金組織中發(fā)生了再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大．

(2)與室溫拉拔態(tài)相比，經(jīng)950 ℃固溶1 h、水淬、500 ℃時(shí)效4 h處理后，Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金的抗拉強(qiáng)度為395 MPa，降低了10%；屈服強(qiáng)度為247 MPa，降低了43% ；延伸率為30%，提高了114%；導(dǎo)電率為92%IACS，提高了119%IACS．

(3)Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金熱處理前后拉伸斷口均存在延性韌窩，表明斷裂模式為典型的韌性斷裂．

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The variation in microstructures and properties of high strength and high electrical conductivity Cu-Cr-Zr-Mg-Ce alloy before and after heat treatment

LU Guanhua1，GAN Chunlei1，LIU Hui2，LIU Yuning1,3，WANG Shuncheng1，ZHOU Nan1，SONG Dongfu1

1.GuangdongInstituteofMaterialsandProcessing，Guangzhou510650，China；2.FoshanHuaHongCopperTubeLimitedCompany，F(xiàn)oshan528234，China；3.CollegeofMaterialsScienceandEngineering，HunanUniversity，Changsha410082，China

In the present work，microstructures and properties of high strength and high electrical conductivity Cu-Cr-Zr-Mg-Ce alloy before and after heat treatment were investigated by observations of optical microscopy and scanning electron microscopy，and measurements of tensile strength and electrical conductivity. The results showed that recrystallization and grain growth occurred in the solution-treated and aged Cu-Cr-Zr-Mg-Ce alloy(solution-treated at 950℃ for 1 h and quickly quenching into cold water. Subsequently, aged at 500℃ for 1 h and then cooled inside the furnace to room temperature) compared with the drawn alloy. The ultimate tensile strength and the yield strength of the heat treated alloy is 395MPa and 247MPa, reducing by 10% and 43% respectively. However，elongation and conductivity of the heat treated alloy is 30% and 92% IACS，increasing by 114% and 119% respectively. The tensile fracture surface for the heat treated Cu-Cr-Zr-Mg-Ce alloy revealed larger ductile dimples，indicating that the alloy had more excellent plasticity in comparison with the drawn alloy.

high strength and high conductility；Cu-Cr-Zr-Mg-Ce alloy；solid solution treatment and aging

2017-04-18

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013B010204050)；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014B070706027)；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013B010102025)

陸冠華(1963-)，男，廣東信宜人，本科，高級(jí)工程師.

1673-9981(2017)02-0062-05

TG146.1

A