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热处理对Cu-Cr合金接头铸件性能的影响 |
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作者：洛阳船舶材料研究所 张化龙 |
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摘 要：研究了热处理对Cu-Cr合金接头铸件性能的影响，并确定了最佳工艺参数。
关键词：热处理；Cu-Cr合金；性能
1 前言
Cu-Cr合金接头铸件是为国内某厂生产大型发电机组配套的主要部件，其技术要求难度高，力学性能和导电性能应符合美国西屋电气公司标准和ASTM E272的要求，化学成分：0.4%～1．2%Cr，余量Cu，杂质Pb≯0．015%，P≯0．04%，杂质总量≯0.15%；力学性能：σb≥207MPa，σ0．2≥138MPa，δ5≥10%，硬度≥70HB；相对导电率：IACS≥80%。经过对该铸件的热处理试验，完全满足了用户的要求，为其国产化提供了一个有效的途径。
2 试验材料和试验方法
Cu-Cr合金接头铸件所采用的炉料是电解铜Cu-2和金属铬Cr-1。采用中频感应电炉熔炼，箱式电阻炉热处理。拉伸试样和导电率试块均采用砂型铸出；前者按GB 228的规定加工成直径(d0)为10mm的短比例试样，后者根据室温电阻测试装置的要求加工成120mm×6mm×5mm的试块。
Cu-Cr合金接头铸件的熔铸工艺为：先加入电解铜和覆盖剂，待电解铜完全熔化达到一定温度后再将铬以纯金属的形式(颗粒状)直接加入到铜液中，保温一段时间，铜液达到1300～1350℃时出炉浇注。
3 试验结果与分析
3.1 铬在合金接头铸件中的作用
从铜铬二元相图可知，铬在铜中的最大固溶度在1076.2℃时可达0.7%，在450℃时为0.04%。这说明，固溶度随温度下降而减少，而其减少得越多，淬火后所获得的固溶体过饱和程度就越大，时效强化的效果也就越显著。因此，在铜基体中加入少量铬对铜起到固溶强化作用，铸件的强度显著提高。但由于铬固溶于铜基体中会造成严重的晶格畸变，使铸件导电性能恶化。时效处理后，过饱和固溶体得以分解，铬从固溶体中大部分析出，形成弥散分布的沉淀物，产生时效硬化，同时仍有微量铬固溶于铜基体中形成固溶强化。由于铬大部分析出，从而使铸件的导电性能得到大幅度提高。这也就是Cu-Cr合金铸件不仅具有高强度同时也具有高导电性的根本原因[1]。
3.2 Cr含量对铸件性能的影响
试验表明，过高或过低的Cr含量对铸件的性能都是不利的。当Cr在Cu中的固溶量超过某一数值时，再增加Cr含量，强度就不再提高，导电性能反而下降。当加入Cr含量太低时，导电性能虽然没有什么损失，但肯定达不到应有的强化效果。
Cr含量对Cu-Cr合金铸件性能的影响见图1。
图1 Cr含量Cu-Cr合金对铸件性能的影响
1.导电率2.抗拉强度
从图1中可以看出，为使铸件获得良好的综合性能，Cr含量控制在0.4%～1．0%的范围内为宜。
3.3 固溶温度对铸件强度和导电性能的影响
Cu-Cr合金接头铸件的热处理工艺包括固溶和时效这两个环节，其性能的好坏主要取决于合金基体中铬粒子析出物的大小和分布。提高固溶温度，延长保温时间，虽然可增加铬在铜基体中的固溶量，使基体金属位错密度增大，同时发生晶格畸变，从而使铸件的强度得到提高。但过高的温度和时间将造成合金晶粒粗大，铬粒子聚集在晶界，产生过烧现象。而过烧铸件在随后的加工过程中易产生裂纹，并增大铸件表面脱落层和氧化损耗，从而降低铸件的强度和导电性。相反，如果固溶温度过低，保温时间过短，则铬在铜基体中的固溶过程不充分，固溶量就过少，且成分不均匀，在随后的时效过程中还容易产生不连续脱溶，从而也会降低铸件的强度和导电性[2]。
将同一条件下的铸坯分别在920～1000℃保温1h，每隔20℃进行固溶处理，然后水淬，再经480℃保温1h，然后随炉冷却，加工成试样(块)后测得的性能如图2、图3。
图2 固溶温度对Cu-Cr合金铸件强度和伸长率的影响
1．抗拉强度2．屈服强度3．伸长率
图3 固溶温度对Cu-Cr合金铸件导电率和硬度的影响
1．导电率 2．硬度
从图2和图3可知，随着固溶温度的提高，铸件的力学性能和导电性也随之提高，但达到一定温度时，两者会随之下降。因此，固溶温度选择的原则，是在不产生过烧的前提下尽量高一些，使铬尽可能多地固溶于基体中，使其固溶量达到最大值。试验证明，Cu-Cr合金接头铸件的固溶温度以980～1000℃保温1h为宜。
3.4 时效温度和时间对铸件强度和导电性能的影响
Cu-Cr合金是兼有固溶强化加时效硬化，即析出强化型合金，时效时有铬粒子析出且呈均匀细密分布。时效效果，取决于合金成分、固溶体特性、时效温度和时间、过饱和度、析出过程特性和强化相结构等。对同一成分的过饱和固溶体来说，时效温度和保温时间是影响时效效果的主要因素。
将同一条件下的铸坯，采用不同温度而时间相同或相同温度而时间不同进行时效，然后随炉冷却，加工成试样(块)后测得的性能见表1、表2。表1 时效温度不同而时间相同时对铸件性能的影响
试样
编号 | 时效
温度／
℃ | 时效
时间／
h | 性能 | σb
／MPa | σ0．2
／MPa | δ5
(%) | HB | IACS
(%) | 1
2 | 420 | 1 | 250
245 | 169
164 | 18.5
17 | 119.5
116 | 77.8
78.2 | 1
2 | 440 | 1 | 284.5
280 | 196
191.5 | 20
18.5 | 128
124 | 78.9
78.3 | 1
2 | 460 | 1 | 325
320 | 233.5
228 | 23
21 | 135.5
132 | 80.8
81.2 | 1
2 | 480 | 1 | 370
365.5 | 280
275 | 28
26 | 145
142 | 86
85 | 1
2 | 500 | 1 | 318
313.5 | 230
224 | 22
20 | 131.5
128 | 80.5
80.2 |
表2 时效温度相同而时间不同时对铸件性能的影响
试样
编号 | 时效
温度／
℃ | 时效
时间／
h | 性能 | σb／
MPa | σ0．2／
MPa | δ5
(%) | HB | IACS
(%) | 1—1
1—2
1—3 | 420 | 1
2
3 | 247
242
233 | 166
160
151 | 17.5
16
14.5 | 118
115
110 | 78
77.6
77.1 | 2—1
2—2
2—3 | 440 | 1
2
3 | 282
276
268 | 194
189
180 | 19.5
18
16 | 126
122
116 | 78.6
78.4
77.8 | 3—1
3—2
3—3 | 460 | 1
2
3 | 323
317
307 | 230
226
217 | 22
20
17.5 | 133.5
130
124 | 81
80.6
80.2 | 4—1
4—2
4—3
4—4 | 480 | 1
2
3
4 | 368
363
356
346 | 278
273
264
250 | 27
24
20
15 | 143.5
140
135
130 | 85.8
85.6
85
84.8 | 5—1
5—2
5—3 | 500 | 1
2
3 | 316
310
292 | 227
222
213 | 21
19.5
17 | 129
125
120 | 80.4
80
79.4 |
从表1和表2可以看出，当时效温度不同而时效时间相同时对铸件各种性能的影响较为显著。反之，当时效温度相同而时效时间不同时除对铸件的力学性能影响稍大外，对导电性能的影响却不明显，相差最多不过1%。试验证明，Cu-Cr合金接头铸件的时效温度和时间以480℃×1h为宜。
4 结论
(1) 试验证明，Cu-Cr合金接头铸件的Cr含量以0.4%～1．0%为宜。
(2) Cu-Cr合金接头铸件的最佳热处理工艺是980℃保温1h，然后水淬，再在480℃保温1h，随炉冷却。
(3) 在上述两种条件下，该铸件的综合性能均可远远满足美国西屋电气公司的标准和ASTM E272的要求。
(4) 从该铸件装机运行试验表明，Cu-Cr合金是一种力学性能好且导电性优异的铜基材料，在机电行业中前景看好，值得推广。
参考文献：
[1]王深强等．高强高导铜合金的研究概述[J]．材料工程，1995(7)：3～6．
[2]黄雄辉．铜铬锆电极合金的热处理[J]．上海金属(有色分册)，1986，7(6)：16～21．(end)
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(5/6/2005) |
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