槽楔铜合金CuNiBeZrSi的热处理强化工艺及性能的研究

槽楔铜合金CuNiBeZrSi的热处理强化工艺及性能的研究摘要：本文选用一系列不同固溶强化热处理工艺参数，对应用于汽轮发电机转子槽楔CuNiBeZrSi铜合金进行强化，采用金相显微镜、XRD等测试方法研究了其在不同热处理条件下其性能和组织的变化规律。

研究表明：高强高导CuNiBeZrSi铜合金获得较好综合性能的热处理工艺是：950℃×1.5h固溶+460℃×3h时效，其硬度达到HB259，导电率е达到56%IACS，性能优良，满足槽楔铜合金使用要求，具有很好的经济效益。

关键词：CuNiBeZrSi槽楔铜合金；固溶；时效；导电率中图分类号: TG166. 2文献标识码:ADevelopment of The Propertie and Process of Slot wedge CuNiBeZrSi Copper Alloy Heat-treatment Strengthening((Provincial Key Lab of Advanced W elding T echnology，Jiangsu University of Science and T echnologyZhenjiang Jiangsu 212003, China))Abstract：Strengthening process tests were carried out on the CuNiBeZrSi alloy used for slot wedge in turbo-generator rotor. By EM, XRD anasys ，The results show that: in this experimental conditions, to obtain better overall performance, the heat treatment process of slot wedges copper alloy is: forging - water quenching solution - aging. CuNiBeZrSi alloy got a better overall performance after solid solution 950 ℃×1.5h +460 ℃×3h aging. And the values of hardness and electrical conductivity of the alloy are HB 259 and 56 %IACS. It can meet the requirement of slot wedge copper alloy working, with better economic benefits.Keywords: slot wedge copper alloy CuNiBeZrSi; solution; aging; conductivity高强高导铜合金是一类有优良综合物理性能和力学性能的结构功能材料，广泛应用于电力、电子、机械等工业领域,可用作电气工程开关触桥、连铸机结晶器内衬、集成电路引线框架、大功率异步牵引电动机转子等[1，2]。

本课题组长期从事高强高导铜合金的研制及其强化工艺的探索和研究，开发并投入生产了大量的应用在发电机组及水平连铸结晶器的高强高导铜合金，本文主要研究并探讨了应用在汽轮发电机转子上的CuNiBeZrSi槽楔铜合金的强化工艺及其组织和性能。

1试验材料、试验方法本文试验所用的试样为CuNiBeZrSi槽楔铜合金，其成分如表1：表1 合金成分CuNiBeZrSi槽楔铜合金各元素含量(wt%)Ni Zr Si Be Cr Cu1.75~1.85 0.45~0.56 0.45~0.55 0.35~0.60 ≤0.45 余量在SX2210212箱式电阻炉中进行了合金的热处理工艺试验。

根据HB /T 5420—1989《电阻焊电极合金与辅助装置用铜及铜合金》标准，用涡流导电仪测试不同状态下合金的导电率，选用布氏硬度计测量在不同热处理状态下的硬度值，做出硬度及导电率随不同热处理工艺处理下其变化规律曲线，以此分析获得CuNiBeZrSi最佳的热处理工艺。

金相试样用盐酸三氯化铁溶液侵蚀显示显微组织，用MM6大型金相显微镜观察显微组织形貌。

利用XRD分析时效处理后CuNiBeZrSi合金析出相的情况。

2.试验结果与分析2.1铜合金的锻态组织、硬度、导电率分析CuNiBeZrSi合金经过熔炼铸造后，其铸态组织存在大量的晶内偏析和枝晶偏析，通常为提高固溶处理效果，常在固溶处理前对铸锭进行反复热锻来破碎晶体、细化组织，消除了加工硬化。

该铜合金的锻态组织如图1所示。

从图中可看出经过锻造处理后，合金组织晶粒细化，组织均匀性提高。

图1 铜合金的锻态组织通过测试，得到合金锻态的硬度为HB158，导电率为IACS 22%，试样的硬度及导电率比较低，尚不能满足高强高导槽楔铜合金的使用性能要求，所以为提高材料的强韧性及导电率，需对铜合金通过固溶和时效处理。

2.2合金的固溶组织及其性能研究选用恰当的温度对铜合金进行固溶处理可以消除前期锻造及铸造过程中产生的晶内偏析和枝晶偏析，提高材料的强韧性。

本文根据所选用铜合金成分的所在相变区间，选取固溶处理的工艺参数为：温度区间为890~970℃，每隔20℃选一个试验温度，试样在炉中保温1.5h ，在水中急冷，然后测定其硬度和导电率，绘制变化规律曲线。

图2所示为固溶温度对铜合金硬度和导电率的影响曲线。

6063666972757881848790890910930950970990固溶温度（℃）硬度（H B ）1818.619.219.820.42121.622.222.823.424导电率（%I A C S ）硬度(HB)导电率(%IACS)图2 固溶温度对合金硬度和导电率的影响规律对于铜合金，适当的固溶处理温度应使该合金经保温后析出相能充分固溶于α-Cu 基体中，并且分布均匀，同时该合金经固溶处理后应具有细小的晶粒，才能保证后续时效处理的强化效果。

根据文献[3，4,5,6,7]可知铜合金的固溶处理的过程是在较高的温度下，使固溶体中的溶质原子充分溶解到α-Cu 基体中，随着温度的升高，基体固溶体中溶质原子溶解较充分，对导电电子的散射作用最大致使导电率下降；硬度也是先降低再升高，主要是由于随着温度的升高，固溶程度增加，析出相溶入引起的固溶强化和析出相的减少引起的软化互相抵消而使硬度变化不大，而随着温度的升高，过剩相化合物不断溶解溶入，溶入量已近极限，而此时溶质原子还在不断溶入固溶体中，溶质原子的固溶强化占了主导地位，而且随着温度升高，内氧化强烈，因而合金硬度又开始升高。

由图2可知随着固溶温度的升高，在950℃时，合金的硬度，导电率降到最低，在此温度下固溶处理，大量过剩相溶解，保证了后续的时效析出强化效果。

图3为固溶处理后合金的组织形貌。

固溶后合金基体发生再结晶，第二相部分溶解，仍然残留部分未溶第二相，合金的晶粒也比较粗大。

图3 950℃×1.5h 固溶处理下的铜合金金相组织2.3 合金的时效组织与性能研究时效处理的目的是使固溶处理后的过饱和固溶体，在一定的温度和时间控制下析出细小弥散分布的第二相，达到沉淀硬化的目的，是铜合金强化的重要热处理工艺之一。

为了确定较佳的时效温度，将时效时间定为3h ，通过选取460℃，490℃，520℃，550℃，580℃进行时效处理，其硬度和导电率变化规律如图4所示。

图4 时效温度对铜合金硬度和导电率的影响从图中可看出试样分别在460℃达到峰时效，随着温度进一步升高，硬度值开始下降，而导电率随温度升高呈单调递增趋势。

对铜合金综合考虑硬度与导电42048054060060120180240300360硬 度导 电 率时效温 度(o C)硬 度(H B )203040506070导电率(% I A C S )率的最优匹配，因此试样在460℃左右时效，可获得良好的强化效果。

选用时效温度460℃，时效时间分别为2h，2.5h，3h，3.5h，4h为时效时间进行时效处理。

图5对铜合金的硬度和导电率的影响规律。

由图可知，铜合金在460℃时效3h其硬度达到HB259左右，IACS56%，能获得良好的综合性能。

图5 时效时间对铜合金的硬度和导电率的影响图6为时效460℃保温3h后的铜合金的金相组织。

图 6 时效460℃×3h从图中可见，在460℃的时候晶粒细小，均匀。

而过了这个温度后，晶粒又会长大。

因此，铜合金选择460℃×3h为最佳时效工艺参数，能获得较佳的导电率和硬度，综合性能优异。

2.3时效处理之后铜合金组织中合金相的分析为了深入分析所研究合金的组织，对经较佳热处理工艺处理后的CuNiCrSiBeZr合金分别进行了X射线衍射分析。

如文中图7所示。

从图中可以看出中析出了Cr 、Cr2Zr 、Cu3Cr 、Ni10Zr7、NiSi 等化合物相，可能由于Be 元素含量较低，未出现和Be 元素形成的细小析出化合物粒子的衍射峰。

由于这些多种第二相化合物的析出，正是合金中多元微量元素交互作用的结果，使合金获得比较好的强化效果。

图7 时效后合金的X 衍射分析3.结 论本论文研究的是CuNiBeZrSi 槽楔铜合金，经过不同的热处理工艺后，测定不同状态下的硬度（HB ）和导电率（%IACS ），分析得出以下结论：经较佳的热处理工艺：950℃×1.5h 固溶＋460℃×3h 时效的热处理后，硬度达HB259，导电率е达到56%IACS ，能够满足CuNiBeZrSi 槽楔铜合金使用要求，具有较好的市场前景和经济效益；经过XRD 分析，合金经最佳强化处理后析出了Cr 、Cr2Zr 、Cu3Cr 、Ni10Zr7、NiSi 等化合物相，使合金获得比较好的沉淀强化效果。

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