鉻的真實(shí)固溶含量對銅鉻合金硬度的影響

陳春玲，李 強(qiáng)

（1.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，焦作454000；2.北京有色金屬研究總院有色金屬材料制備加工國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100088）

0 引 言

高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金是具有優(yōu)良綜合物理性能和力學(xué)性能的功能材料，它既具有高的強(qiáng)度和良好的塑性，又具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，是制備電阻焊電極，縫焊滾輪，焊炬噴嘴，電氣工程開關(guān)觸橋，發(fā)電機(jī)的集電環(huán)、電樞、轉(zhuǎn)子，電動工具換向器，連鑄機(jī)結(jié)晶器內(nèi)襯，集成電路引線框架，電力機(jī)車架空導(dǎo)線等的優(yōu)良材料。目前常用的高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金電導(dǎo)率達(dá)到75%IACS，強(qiáng)度達(dá)到550MPa，然而隨著社會的飛速發(fā)展，對材料的綜合性能提出了新的更高的要求，比如大規(guī)模集成電路引線框架需要電導(dǎo)率大于80%IACS，強(qiáng)度大于600MPa的，具有優(yōu)良綜合性能的新型材料。

高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的強(qiáng)度和導(dǎo)電性能是相互矛盾的兩個(gè)重要性能［1］，溶質(zhì)元素的固溶對合金的強(qiáng)度和電導(dǎo)率都有重要的影響，其影響機(jī)理研究有助于更加清楚地理解和預(yù)測各種工藝過程中兩個(gè)性能的變化。最新文獻(xiàn)表明［2－10］，新型銅合金有可能在電導(dǎo)率少量損失甚至不損失的情況下大幅提高其強(qiáng)度，甚至有可能使強(qiáng)度和電導(dǎo)率同時(shí)得到提高；綜合性能的提高是通過將固溶體進(jìn)行分解，固溶元素轉(zhuǎn)化為合適的析出相而實(shí)現(xiàn)的。在此類合金的制備、加工、熱處理的流程中，溶質(zhì)元素的固溶含量是一個(gè)重要參數(shù)，因此對材料熱處理過程中的溶質(zhì)元素遷移和強(qiáng)化機(jī)理都有重要的意義，所以定義并精確測定其真實(shí)的溶質(zhì)元素固溶含量（原子分?jǐn)?shù)）、研究其對性能的影響就顯得尤為重要。

在常用的研究中，通常使用名義成分或者化學(xué)成分作為固溶含量，其實(shí)它們之間是有很大差別的。為此，作者將真正溶解在基體中的元素的含量稱為真實(shí)固溶含量，用來區(qū)別名義成分，并以銅鉻合金為例，研究了鉻真實(shí)固溶含量對其顯微硬度的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試樣制備采用真空吸鑄法，原料為真空熔煉、金屬型鑄造的銅鉻合金。具體工藝：將純度為99.96%的電解精煉銅除表面氧化皮后，加入到真空中頻感應(yīng)爐在2×10－3Pa高真空的保護(hù)下于1 350℃下進(jìn)行熔煉，待銅完全熔化后按照不同比例要求加入純度為99.8%的小塊狀金屬鉻，保溫2h時(shí)間，使鉻完全且均勻地溶解在銅液中，然后使用金屬型鑄模鑄成直徑80mm的鑄錠；將鑄錠切去冒口、底端，車掉外皮，加工成20g左右的正方形試樣備用；然后使用真空非自耗電弧爐，將加工后的正方形試樣在真空環(huán)境下進(jìn)行電弧熔煉與吸鑄，熔煉過程翻轉(zhuǎn)4次，吸鑄試樣直徑為8.0mm。對吸鑄鑄錠試樣進(jìn)行顯微組織觀察，沒有看到可見的析出和偏聚，可以認(rèn)為吸鑄的冷卻速率主足夠大，已經(jīng)能夠?qū)⒑辖鹬械脑赝耆倘艿搅嘶w中。

用D／8ADVANCEX型射線衍射儀進(jìn)行物相分析，采用銅靶Kα輻射，波長為0.154 056nm，管電壓35kV，管電流20mA，選用步進(jìn)掃描方式，步長為0.02°，掃描速度為0.1（°）·s－1。用Jade5.0對衍射數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過拋物線法確定峰位，采用納爾遜函數(shù)（sin－1θ＋θ－1）cos2（θ／2）進(jìn)行外推，計(jì)算晶格常數(shù)。硬度測定在HVC－5A型數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)上完成。試樣中鉻元素的固溶含量用化學(xué)分析法測定，分析方法按照國標(biāo)GB／T 5121.16－1996《銅及銅合金化學(xué)分析方法：鉻量的測定》執(zhí)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同鉻固溶含量合金的XRD譜

由圖1可見，不同鉻原子分?jǐn)?shù)的銅鉻合金的XRD譜只出現(xiàn)了面心立方銅的衍射峰，而鉻因?yàn)楹枯^少，沒有明顯的衍射峰出現(xiàn)。衍射峰的位置隨鉻元素含量的增多有向低角度移動的趨勢；依據(jù)布拉格衍射理論和晶體學(xué)理論，可以知道其晶格常數(shù)在變大，晶體體積在膨脹。相同晶面衍射峰的強(qiáng)度隨鉻元素含量的增加而變?nèi)酰f明其晶格隨固溶含量的增加受到了更大的破壞。

圖1 鉻固溶含量不同銅鉻合金的XRD譜Fig.1 XRD patterns of the Cu－Cr alloys with different Cr contents in solid solution

2.2 不同鉻固溶含量合金的晶格常數(shù)

由表1可見，與純銅的晶格常數(shù)0.361 48nm相比，銅鉻合金的晶格常數(shù)發(fā)生明顯變化，隨銅鉻合金鉻固溶含量的增加，晶格常數(shù)增大，當(dāng)鉻原子分?jǐn)?shù)為0.96%時(shí)達(dá)到0.361 67nm，鉻含量繼續(xù)增加，晶格常數(shù)變化不大。銅、鉻的原子半徑分別為0.128，0.125nm［11］，其相對原子半徑比約為2.344%，原子半徑比約為0.976 6，滿足形成置換式固溶體的條件。因此，合金晶格常數(shù)的變化是鉻替代銅形成置換式固溶體引起的，晶格常數(shù)沒有收縮反而膨脹，是因?yàn)轶w心立方固溶后變?yōu)槊嫘牧⒎揭鸬摹?/p>

當(dāng)鉻原子分?jǐn)?shù)在0.96%以下時(shí)，其晶格常數(shù)與溶質(zhì)原子的固溶量呈良好線性關(guān)系，鉻原子分?jǐn)?shù)為0.96% 以 上 時(shí) 稍 微 加 大。 對 Cu，Cu0.25Cr，Cu0.50Cr，Cu0.70Cr合金用最小二乘法進(jìn)行擬合得晶格常數(shù)a0與固溶含量x間的線性方程：a0＝0.361 49＋0.022 122x。依據(jù)銅鉻相圖，鉻在銅中的固溶度為0.89%，可以認(rèn)為鉻含量在低于固溶度時(shí)，鉻在銅中是完全固溶的，與Vegard定律吻合良好，超過固溶度時(shí)，鉻在銅中是部分固溶的，與Vegard定律產(chǎn)生了較大的偏離。

表1 不同鉻固溶含量銅鉻合金的晶格常數(shù)擬合結(jié)果Tab.1 Fitted results of lattice constants of Cu－Cr alloys with different Cr contents in solid solution

2.3 不同鉻固溶含量合金的顯微硬度

由圖2可見，鉻原子分?jǐn)?shù)在0～0.70%時(shí)，隨鉻固溶含量的增加銅鉻合金的的維氏硬度快速提高，由純銅的37.00HV增加到50.24HV；鉻原子分?jǐn)?shù)在0.70%～1.20%時(shí)維氏硬度呈緩慢升高的趨勢，由50.24HV增加到51.98HV；鉻原子分?jǐn)?shù)在1.20%～1.49%時(shí)維氏硬度呈緩慢下降趨勢，由51.98HV降低到51.68HV。可見，鉻原子分?jǐn)?shù)在0.70%以下時(shí)鉻元素對合金的固溶強(qiáng)化作用較明顯，鉻原子分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加到1.20%時(shí)固溶強(qiáng)化作用不明顯，當(dāng)鉻原子分?jǐn)?shù)的繼續(xù)增加到1.49%時(shí)固溶強(qiáng)化作用不占主導(dǎo)地位，反而降低了原有合金的維氏硬度。這是因?yàn)檫^多的鉻元素超出了試驗(yàn)條件下合金的固溶度而無法溶入基體，在合金內(nèi)形成第二相，第二相的大量析出在一定程度上又降低了合金的固溶含量，而第二相的析出強(qiáng)化作用低于固溶強(qiáng)化作用，從而使合金硬度降低。

圖2 銅鉻合金鉻固溶含量與維氏硬度的關(guān)系Fig.2 The relationship between Cr content in solid solution and Vickers－h(huán)ardness of Cu－Cr alloys

第二相的析出降低了合金的固溶含量的判斷與文中晶格常數(shù)的測量結(jié)果基本吻合，說明合金的維氏硬度、溶質(zhì)的固溶度、合金的晶格常數(shù)三個(gè)量具有良好的相關(guān)性。固溶含量是影響合金硬度的最主要因素，而晶格常數(shù)又在微觀尺度上反映了合金的固溶含量，故通過XRD測定晶格常數(shù)可以間接估算銅鉻合金中真實(shí)的固溶含量。

3 結(jié) 論

（1）銅鉻合金在鉻固溶含量低于固溶度時(shí)，固溶含量與晶格常數(shù)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系；超過固溶度后，晶格常數(shù)變化不大。

（2）銅鉻合金在鉻固溶含量低于固溶度時(shí)，固溶含量與顯微硬度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，超過固溶度時(shí)，溶質(zhì)含量的進(jìn)一步增加并沒有明顯提高銅鉻合金的顯微硬度。

（3）銅鉻合金在鉻固溶含量低于固溶度時(shí)，顯微硬度和晶格常數(shù)呈現(xiàn)線性關(guān)系，可以用晶格常數(shù)估計(jì)顯微硬度和溶質(zhì)元素含量。

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