C18150合金固溶熱處理工藝研究

李積賢，劉 東，張九海，汪 凱，焦紅忠，候繼銀

(1. 寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司，寧夏 石嘴山 753000； 2. 國家鉭鈮特種金屬材料工程技術(shù)研究中心，寧夏 石嘴山 753000；3. 西北工業(yè)大學 材料學院，陜西 西安 710072)

C18150合金固溶熱處理工藝研究

李積賢1,2，劉 東3，張九海1，汪 凱1，焦紅忠1，候繼銀1

(1. 寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司，寧夏 石嘴山 753000； 2. 國家鉭鈮特種金屬材料工程技術(shù)研究中心，寧夏 石嘴山 753000；3. 西北工業(yè)大學 材料學院，陜西 西安 710072)

研究了C18150合金在不同固溶溫度下的力學性能、導電率和顯微組織變化。結(jié)果表明：經(jīng)960℃固溶處理后，合金塑性良好，導電率降至37.89%IACS，組織呈等軸晶、基本沒有第二相，合金達到了較為理想的固溶效果。

C18150合金；固溶工藝；力學性能；導電率；顯微組織

0 前 言

C18150合金屬于Cu-Cr-Zr合金，因具有高強度、高導電性以及優(yōu)良的耐磨性和耐熱性能，被大量應用于制造汽車用自動焊機的電極材料，以及在高溫環(huán)境工況下的零部件[1]，近年來也用來制作高壓開關(guān)的螺旋彈簧觸指部件。Cu-Cr-Zr合金是一種時效析出強化型合金，為了獲得較好的析出強化效果，同時進一步消除合金成分偏析和恢復塑性以實現(xiàn)后續(xù)大變形量的軋制和拉拔等塑性加工，必須選擇合適的固溶溫度。

本文對該合金擠壓態(tài)棒材進行了性能和組織分析，研究了不同固溶溫度對合金棒材力學性能、導電率和顯微組織的影響，旨在獲得適宜的固溶熱處理溫度參數(shù)。

1 實驗部分

1.1實驗原料

實驗材料是用水平連續(xù)鑄造制成的直徑φ180 mm的鑄錠、經(jīng)熱擠壓獲得的直徑為φ36 mm的棒材，合金的化學成分見表1。

表1 C18150合金的化學成分(質(zhì)量分數(shù))/%

1.2實驗方法

借鑒相關(guān)文獻，選擇了900℃、930℃、960℃和990℃ 4種固溶溫度[2]。固溶時間借鑒企業(yè)常用鈹青銅合金棒材固溶加熱制度中的計算方式：加熱時間T=(棒材直徑×1.5+8～10)分鐘，固溶設(shè)備選用箱式電阻加熱爐，控溫精度±5℃，冷卻方式為水淬。在論證確定的固溶溫度適用性時，選擇了將φ36 mm擠壓棒材拉拔至φ7 mm的成品棒材和拉拔至φ2.5 mm的成品絲材。

1.3實驗設(shè)備

WDW-100D微機控制電子式萬能試驗機上；HVS-1000型顯微硬度計上(載荷0.98N)；QJ44型直流雙臂電橋測量儀；OLYMPUS GX51光學顯微鏡。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1擠壓態(tài)棒材的組織和性能

圖1為C18150合金未經(jīng)固溶熱處理的φ36 mm擠壓態(tài)棒材的顯微組織。

圖1 擠壓態(tài)棒材的顯微組織

可以看出，未經(jīng)固溶熱處理的擠壓態(tài)棒材組織具有一定流動方向性；晶粒細小、比較均勻，平均晶粒尺寸0.015 mm；合金中有明顯的第二相，可能是棒材在擠壓后的空冷中有部分Cr粒子和Cu-Zr化合物析出。

表2所列為C18150合金未經(jīng)固溶熱處理的φ36 mm擠壓態(tài)棒材的拉伸性能和導電率?？梢钥闯?，該合金未經(jīng)固溶熱處理的擠壓態(tài)的抗拉強度偏低，在260 MPa左右；擠壓態(tài)的塑性較好，延伸率在40%以上；導電率在70%左右，據(jù)文獻介紹，C18150合金當固溶效果比較理想時，導電率應低于45%，故還需要進一步固溶熱處理[3]。

表2 擠壓態(tài)棒材的拉伸性能和導電率

2.2固溶溫度對合金性能的影響

圖2為C18150合金φ36 mm擠壓態(tài)棒材經(jīng)不同固溶溫度(保溫64 min)處理后的性能趨勢圖。

圖2 不同溫度固溶處理后的性能趨勢圖

從圖中可以看出，隨著固溶溫度的升高，C18150合金的強度、硬度有所升高，延伸率有所下降，在960℃固溶處理時，出現(xiàn)硬度最高值HV78；并且導電率隨著固溶溫度的升高而持續(xù)下降，在960℃固溶處理時導電率降至37.89%IACS。這是因為：Cr和Zr溶質(zhì)元素在Cu基體內(nèi)的溶解度隨著固溶溫度的升高而增加，這些溶質(zhì)原子對基體中位錯的“釘扎”作用得到了加強，繼而增大了位錯運動的阻力，使合金的強度和硬度升高、延伸率下降；同時，基體中溶質(zhì)元素的增多阻礙了合金內(nèi)部自由電子的運動，使合金的電阻增大，導電率下降。

960℃之后，隨著固溶溫度的升高，晶粒長大，使合金的硬度有所降低；溶質(zhì)元素進一步固溶進入基體中，導電率則緩慢降低。

由此，可以初步認為C18150合金適宜的固溶溫度為960℃，此時合金塑性良好，可以進一步進行冷加工；且導電率低于45%，這也符合相關(guān)資料的介紹。

2.3固溶溫度對合金顯微組織的影響

圖3為C18150合金φ36 mm擠壓態(tài)棒材經(jīng)不同固溶溫度(保溫64 min)處理后的的顯微組織?？梢钥闯觯诓煌瑴囟裙倘芎驝18150合金組織形態(tài)呈“回復→再結(jié)晶→晶粒長大”的變化趨勢，從圖3(a)和(b)中可以明顯的看到，在900℃和930℃固溶時C18150合金組織仍然具有一定金屬流動方向性，基體中還有很多第二相，而且很多分布在晶界，這些分布在晶界的第二相使晶界趨于穩(wěn)定，這可能也是導致合金晶粒比較細小的原因[4]。隨著固溶溫度的升高，溶質(zhì)元素越來越多的固溶于基體中，960℃固溶時，組織基本呈等軸晶，C18150合金中基本沒有第二相，見圖3(c)；990℃固溶時，晶粒呈現(xiàn)長大趨勢，見圖3(d)。

(a) 900℃；(b) 930℃；(c) 960℃；(d) 990℃

從以上材料顯微組織觀察，也可以確定C18150合金適宜的固溶溫度為960℃，此時組織基本呈等軸晶，合金中基本沒有第二相，為后續(xù)進行塑性形變創(chuàng)造了良好的組織條件。

2.4固溶溫度適宜性驗證

圖4為C18150合金φ36 mm擠壓態(tài)棒材經(jīng)拉拔加工到φ7 mm和φ2.5 mm成品后，經(jīng)960℃固溶處理后的顯微組織?？梢钥闯?，組織呈等軸晶，合金中基本沒有第二相。導電率測試分別為41.84%IACS和42.28%IACS，小于45%IACS。這也說明，C18150合金采用960℃的固溶溫度是合理的。

(a) φ7 mm；(b) φ2.5 mm

3 結(jié) 論

1)隨著固溶溫度的升高，C18150合金的強度、硬度有所升高，延伸率有所下降；在960℃時，合金出現(xiàn)硬度最高值HV78；然后隨著溫度升高，晶粒長大，強度、硬度有所下降。

2)隨著固溶溫度的升高，C18150合金的導電率持續(xù)下降，在960℃時導電率降至37.89%IACS。

3)隨著固溶溫度的升高，合金組織形態(tài)呈“回復→再結(jié)晶→晶粒長大”變化趨勢。960℃固溶時，組織基本呈等軸晶，合金中基本沒有第二相；990℃固溶時，晶粒長大明顯。

4)綜合分析表明，本實驗C18150合金最佳的固溶溫度為960℃。

[1] 劉關(guān)強. 銅—鉻—鋯合金(C18150)棒材新工藝的研究[J]. 有色金屬加工, 2011(2): 8-9.

[2] 葉權(quán)華, 劉平，劉勇，等. 固溶溫度對Cu-Cr-Zr-RE合金性能和組織的影響[J]. 金屬熱處理, 2005(30): 218-220.

[3] 白常厚, 劉關(guān)強. 高強高導電極材料銅鉻鋯合金新工藝研究[J]. 有色礦業(yè), 2007(2): 34-38.

[4] 丁福厚, 湯文明, 呂君. 影響鉻在急冷銅合金中溶解度的因素[J]. 機械工程材料, 1997, 21(3): 26-27.

ATechnologyofSolutionHeatTreatmentinC18150Alloy

LI Jixian1,2, LIU Dong3, ZHANG Jiuhai1, WANG Kai1, JIAO Hongzhong1, HOU Jiyin1

(1.NingxiaOrientTantalumIndustryCo.Ltd.,Shizuishan,Ningxia753000,China; 2.TheStateofTantalumandNiobiumSpecialMetalMaterialsEngineeringTechnologyResearchCenter,Shizuishan,Ningxia753000,China; 3.SchoolofMaterials,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi'an,Shanxi710072,China)

C18150 alloys were studied at different solution temperatures mechanical properties in conductivity and microstructure changes. Results show that 960℃ after solution treatment will make alloy plastic good conductivity below 37.89% IACS. Organization is cubic with no phase II of effect in alloy to achieve the ideal solution.

C18150 alloy; Solid solution process; Mechanical properties; Electric conductivity; Microstructure

2017-08-03

李積賢(1981-)，男，蒙古族，青海樂都人，本科，工程師，研究方向：有色金屬材料加工工藝，手機：13895023537，E-mail：lijixian@otic.com.cn.

TG166.2

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.05.030