直流電流時效對Cu-0.33Cr-0.06Zr合金顯微硬度的影響

白 寧，張彥敏，羅 鈞，王海艷，宋克興

（1.河南科技大學a.材料科學與工程學院；b.河南省有色金屬材料科學與加工技術重點實驗室，河南洛陽471023；2.廣州銅材廠有限公司，廣東廣州510990；3.廣東省工業技術研究院金屬加工與成型技術研究所，廣東廣州510650）

0 引言

Cu-Cr-Zr合金綜合性能優良，是典型的析出強化型銅合金，冷變形、固溶時效工藝對材料的微觀組織及力學性能有很大的影響，為此，材料工作者對其處理工藝及作用機理展開了許多研究［1－4］，研究結果表明：Cr和Zr的加入，形成了納米級的彌散強化相，對合金的強度和導電性產生重要影響［5－6］。Cu-Cr-Zr合金廣泛應用于各種電焊電極、集成電路的引線框架、電力火車空架導線、電氣工程開關的觸頭等環境中，除了對合金的導電性有較高要求外，對合金的力學性能也有較高要求。高強高導銅合金服役條件越來越苛刻，對合金力學性能的要求也越來越高。

國內外關于電流對合金的熱處理和組織性能有一些研究。文獻［7－8］研究發現：直流電流能夠促進Cu-0.86Cr合金的時效析出，使合金時效后導電率和抗拉強度達到最大值所需的時效時間較短。文獻［9］研究發現：直流電流可以促進冷變形α-Ti的再結晶速率，并獲得了尺寸較小的再結晶晶粒。文獻［10］發現：電脈沖促進冷變形銅在等溫退火過程中回復和再結晶。文獻［11－12］研究發現：直流電流促進Cu-Cr-Zr合金中Cr的析出，直流電流下時效較無電流情況可獲得較高的硬度。由此可知：電流會影響合金的時效熱處理，進而影響合金的性能。但電流對合金時效性能的影響機理的解釋尚未達成統一。本文以Cu-0.33Cr-0.06Zr合金為研究對象，研究固溶＋冷變形＋不同電流密度直流電流下時效工藝對材料的力學性能的影響。

1 試驗材料與方法

試驗材料為Cu-0.33Cr-0.06Zr合金φ7 mm拉拔態棒材，截取φ7 mm×300 mm進行固溶、冷變形和直流電流下時效處理。試樣在KSS-1200℃真空氣氛管式爐內加熱至990℃，保溫1 h后水淬；然后進行變形量為80%的多道次冷拉拔變形，再截取成φ3 mm×300 mm的試樣。

直流電流下時效試驗是在改造的KSS-1200℃真空氣氛管式爐內進行的，裝置如圖1所示，時效溫度為450℃，時效時間分別為0.25 h、0.50 h、1.00 h、2.00 h、4.00 h、6.00 h。為比較不同電流密度的直流電流對合金時效后導電性能的影響，試樣分別施加0 Acm－2、100 Acm－2、200 Acm－2、300 Acm－2和400 Acm－2的直流電流；時效過程通入氬氣進行保護；為更好對比不同時效工藝的差別，時效完成后水冷。選取試樣的橫截面，采用HV-1000型數顯顯微硬度計測量顯微硬度，載荷為1 N，加載時間為5 s，每個試樣測量不少于6次，誤差控制在5%以內。顯微組織觀察在JEM-2100型高分辨透射電鏡上進行。

圖1 電流下時效處理裝置示意圖

2 結果與分析

2.1 合金顯微硬度變化趨勢

圖2是450℃下時效Cu-0.33Cr-0.06Zr合金顯微硬度隨時效時間變化曲線，由圖2可以看出：隨著時效時間的增加，合金的硬度先迅速升高，再緩慢下降；電流下時效時，電流密度越大，合金到達硬度峰值的時間越短，合金在電流密度為400 Acm－2下時效0.25 h就到達峰值227HV，而且峰值要高于無電流下時效的206HV。而300 Acm－2的峰值反而比200 Acm－2的低，說明電流密度對合金時效硬度峰值的影響并不是線性關系。時效時間為2.00 h和4.00 h時，除100 Acm－2外，無電流時效的硬度均大于有電流時效。時效時間為6 h時，無電流時效的硬度均大于有電流時效。時效過程中，初期固溶原子先聚集形核形成細小彌散的析出相，合金硬度顯著提高，隨著時效時間的延長，析出相聚集長大，合金的硬度也隨之降低。較大密度的直流電流會加速時效初期析出相的析出速度，所以能顯著提高合金的硬度；同時也會促進后期析出相的粗化，所以大電流密度時效的合金后期的硬度低于無電流時效。

圖3是450℃下時效Cu-0.33Cr-0.06Zr合金顯微硬度隨電流密度變化曲線，由圖3可以看出：時效初期（0.25 h），較大電流密度的直流電流能大大提高合金的硬度，特別是電流密度為400 Acm－2時；除4.00 h、100 Acm－2參數外，時效后期（4.00 h，6.00 h）合金的硬度隨電流密度的增大而呈降低的趨勢。

圖2 合金顯微硬度隨時間變化曲線

圖3 合金顯微硬度隨電流密度變化曲線

2.2 合金顯微組織及析出相分析

圖4a是Cu-0.33Cr-0.06Zr合金時效之前經過固溶＋冷變形處理的微觀照片，由圖4a可以看出：晶內無明顯未溶相，溶質元素已基本完全固溶進銅基體。圖4a中還可以看到大量的位錯纏結（如圖4a中的黑色區域），大冷變形產生的位錯纏結是合金硬度提高的主要原因之一。時效前期合金處于過飽和狀態，固溶元素析出動力大，直流電流產生的焦耳熱及電子風力［11］的影響，加速了固溶元素的析出，彌散分布的析出相能快速提高合金硬度，甚至提高合金的硬度峰值。圖4b是合金在450℃無電流下時效1.00 h的析出相形貌，由圖4b可以看到大量納米級彌散分布的析出相，細小彌散分布的析出相是合金硬度提高的另一個原因。時效后期，隨著時效時間的延長析出相粗化，較大密度的直流電流產生的焦耳熱及電子風力的影響會使合金發生回復再結晶，位錯密度的降低會降低合金的硬度。圖4c是合金在450℃電流密度為400 Acm－2下時效4.00 h的析出相形貌，從圖4c中可以看到位錯向晶界聚集的明顯的回復及再結晶特征，析出相略大于圖4b。

圖4 合金在450℃下的析出相形貌

3 結論

（1）Cu-0.33Cr-0.06Zr合金在450℃下時效，合金的硬度先迅速升高，再緩慢下降；電流密度越大，合金到達硬度峰值的時間越短，合金在電流密度為400 Acm－2下時效0.25 h就到達峰值227HV，高于無電流下時效峰值206HV。大密度的直流電流在時效初期能大大提高合金的硬度，時效后期則會降低合金的硬度。

（2）Cu-0.33Cr-0.06Zr合金固溶后，經大冷變形產生的位錯纏結和經時效產生的納米級彌散分布的析出相是合金硬度提高的主要原因。時效后期，大密度的直流電流會使合金發生回復及再結晶，使合金的硬度進一步降低。

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