稀土铬锆铜合金强化工艺研究

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《金属热处理》 2001 年第 6 期
CrZrCuRE 合金是一种时效析出强化型合金。为了获得 较好的析出强化效果， 同时可以进一步消除合金内偏析， 必须 选择适当的固溶温度。将一组尺寸为 20mm X 20mm X 15mm 的试样分别在 900 ~ 1000C 温度范围内， 每隔 20C ， 取一只试 样在一个确定的温度下加热保温 1.5h， 水淬固溶处理， 然后 测试不同温度固溶处理后的性能， 结果见图 2。
下服役的电极合金在使用过程中仍有一个继续时效的作用， 适当的降低时效温度有利于提高合金的使用寿命。图 6 是未 经冷变形的 CrZrCuRE 合金经 470C 1 10C ， 3 ~ 4h 时效处理后 的金相组织。
图5
CrZrCuRE 合金时效时间与性能的关系 Fig. 5 The effect of aging time on the properties of alloy CrZrCuRE
2.2
试验方法
将方锭热锻成 20mm X 20mm 的方棒， 根据要求从上面截
The cast structure of CrZrCuRE aIIoy
3.2
固溶处理
适当的温度进行固溶处理是合金获得良好性能的关键工
取长短不一的试样用作各种试验。在温度准确度 1 5C 的普 通箱式电阻炉内进行各种热处理工艺试验。 根据 GB / T4340—1984 《金属维氏硬度试验方法》 ， 测定不 同状 态 下 合 金 的 硬 度。 参 照 航 空 航 天 工 业 部 标 准 HB / T 《电阻焊电极合金与辅助装置用铜及铜合金》 ， 用 5420—1989
1
引言
电阻焊是利用电极夹 （压） 紧焊件后， 通过电流加热、 熔凝
涡流导电仪测试合金的导电率。
3
3.1
试验结果与分析
合金的铸态组织与性能
母材， 从而获得牢固接头的焊接方法。它广泛应用于航空、 航 天、 原子能、 电子技术、 钢铁及机械制造等领域。合金电极是 电阻焊生产过程中易耗的关键部件， 且关系到被加工构件的 焊接质量。为了提高焊接质量和生产效率， 降低成本， 许多学 者在电极合金的强化方面从理论和实践上进行研究， 取得了
Fig. 4 图2 Fig. 2 固溶温度对合金性能的影响 The effect of solution temperature on
the properties of alloy CrZrCuRE 3.3.2 时效时间对合金性能的影响 根据上述获得的时效 温度的试验结果， 取 3 组试样， 分别在 460C 、 470C 、 480C3 个 温度， 对合金进行不同时间保温， 进行时效处理， 时效时间与 性能关系见图 5。 一般对时效析出强化型合金来说， 时效温度高， 达到时效 强化 （峰值） 的时间短， 但效果比时效温度低、 时间长的合金 差， 且高温时效快， 很容易产生过时效。所以， 通常选择的温 度低于最高时效温度， 再适当延长保温时间， 通过缓慢时效过
稀土铬锆铜合金强化工艺研究
谢春生， 周 健， 任 合， 周海良 （华东船舶工业学院 材料与环境工程系， 江苏 镇江 212003）
摘要： 对加入微量稀土元素的铜铬锆合金的强化工艺及稀土在铜合金中的作用进行了研究。结果表明， 加入微量稀土 （ Ce） 的 经 960 1 10C 固溶、 可以获得良好的综合性能。加入微量稀土， 可 CrZrCuRE 合金， 50% ~ 60% 的冷变形及 460 ~ 480C 时效处理， 以使合金在硬度略有升高的同时， 导电率和软化温度显著升高， 较大地提高合金制件的使用寿命。 关键词： 固溶； 时效； 硬度； 导电率； 稀土元素 中图分类号： TG146.4 文献标识码： A 文章编号： （2001） 0254 - 6051 06 - 0012 - 03
Fig. 6
aged at
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冷变形对合金性能的影响
其硬度低， 塑性高， 比较容 CrZrCuRE 合金经固溶处理后，
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易进行冷变形加工， 使合金内部产生晶格畸变， 位错的密度明 显增加， 由于合金经冷变， 其内能也大大增加， 为时效析出相 提供更多的非自发晶核和应变能， 提高过饱和固溶体的分解 速度和析出物的密度， 得到更为弥散的第二相析出物， 能显著 地提高合金的时效强化效果。但冷变形合金的时效过程比较 复杂， 除了过饱和固溶体脱溶之外还伴随合金的回复和再结 晶。将经 960C 固溶处理的一组试样， 分别进行了不同变形 量的压缩冷变形， 再经 470C X 2h 时效处理， 变形度对合金时 效后的性能影响关系见图 7。随变形度的增大， 合金硬度和 导电率逐步升高， 变形度在 50% 左右时， 合金的硬度和导电 率均处于最大值， 达到较好的配合。随冷变形度进一步增加， 合金时效后的硬度和导电率又有降低。试验结果表明： 合金 固溶处理后经 50% 左右冷变形， 在 470C 时效时间缩短为未 经冷变形的合金时效时间一半， 约 2h， 合金的硬度和导电率 分别提高 30% 和 40% 左右， 且达到良好配合。金相组织较固 溶处理后未冷变形的合金组织更加细小， 见图 8。
图3
CrZrReCu 合金 960C 固溶处理组织 treated at 960C X 100
X 100
Fig. 3
The structure of alloy CrZrCuRE solution
!"!
时效处理
时效过程中有 Cr 和 CrZrCuRE 合金属于析出强化型合金，
Cu3 Zr 粒子析出， Cr 粒子呈均匀分布， Cu3 Zr 粒子呈非均匀分布。 其时效强化效果主要决定于合金时效温度和保温时间。 3.3.1 时效温度对合金性能的影响 时效温度过高过低都 达不到强化效果， 由于时效过程一般是由过渡相向平衡相转 变的过程， 时效温度过低， 析出不充分， 强化效果差； 时效温度 过高， 则容易引起原来析出的细小的 Cr 粒子和 Cu3 Zr 粒子聚 集长大， 使析出相与基体完全脱离共格关系， 使合金的强化效 图6 CrZrCuRE 合金 470C 时效后金相组织 The structure of alloy CrZrCuRE 470C X 100 X 100
合金的强化工艺进行研究。结果表明， 加入微量稀土元素， 改 进合金的加工工艺和方法， 稀土铬锆铜合金得到了比铬锆铜 合金更优越的使用性能。
2
2.1
试验材料和方法
试验材料
本试验用稀土铬锆铜合金 （下简称 CrZrCuRE 合金） 的成 分 （质量分数， 范围是： %） 0.54 ~ 0.83Cr， 0.20 ~ 0.32Zr， 0.05 ~ 杂质含量 < 0.05， 余量为 Cu。为了减少合金元素的氧 0.10RE， 化烧损， 比较准确地控制合金的成分， Cr、 Zr、 RE 等元素以中 间合金的方式加入， 先将电解铜 （1 号） 用石墨坩埚炉快速熔 化， 先后分别加入 （%） 3.7Cu-Cr， 7.2Cu-Zr， 10.14Cu-Ce 的中间 合金， 加入覆盖剂， 熔化后搅拌均匀， 清渣后， 用铁模浇铸成 供作试样。 60mm X 60mm X 160mm 方锭， 图1 Fig. 1 CrZrCuRE 合金的铸态组织 X 500 X 500
Hale Waihona Puke Baidu
Study on Strengthening Process of Cr-zr-Cu-RE Alloy
XIE Chun-sheng， ZHOU Jian， REN He， ZHOU Hai-Iiang
（Dept. of MateriaIs and Environment Engineering， East China ShipbuiIding Institute of TechnoIogy， Zhenjiang 212003， China） ： Abstract The strengthening process of the Cr-Zr-Cu aIIoy that contains a trace of rare earth eIements and the effect of Ce on the aIIoy are studied in this paper. ResuIts indicate that after soIution treatment in 960 1 10C ， coId deformation by 50% ~ 60% and aging at 460 ~ 480C ， the aIIoy takes on good integrated properties. ResuIts aIso show that a trace of rare earth eIements can greatIy improve conductivity and softening temperature of the aIIoy in the condition that the hardness of the aIIoy improved sIight， the service Iife of the aIIoy is enIonged obviousIy. rare earth eIement Key words： soIution； aging； hardness； conductivity；
作者简介： 谢春生 （1948.1—） ， 男， 江苏溧水人， 教授级研究员， 长期从 事材料科学与工程专业的科研和教学工作， 曾获省、 部级科技进步奖 多项， 部 （省） 、 市级 “有突出贡献的中青年专家” ， 发表论文近 30 篇， 现 任金属材料研究所所长。联系电话： 0511-4401188 收稿日期： 2000-10-24
［1， 2］ 较大的进展。 本文主要对加入微量铈元素的稀土铬锆铜
图 1 为 CrZrCuRE 合金的铸态组织， 合金的晶粒比较粗 大， 而且组织中存在明显的晶内偏析和枝晶偏析， 这是由于固 溶体合金在浇铸过程中前后结晶出的固相成分不同， 先结晶 部分含高熔点的元素多， 后结晶的含低熔点元素多， 加上冷速 较快， 合金元素扩散不均匀， 形成晶内和枝晶偏析。合金元素 的偏析使合金强度 （硬度） 、 塑性和韧性降低很多， 导电率明显 下降， 硬度值平均为 60HV30， 且分布不均匀， 导电率为 42.4% 不能满足常用电极合金及辅助设备使用要求。 IACS，
［3］ 程来获得好的强化效果 。因为在较高温度下或反复在高温
the properties of the alloy 由图 2 可见， 随着固溶温度的升高， 溶质元素在 ! -Cu 内 溶解度增加， 由于其晶格畸变增加及溶质原子对位错 “钉扎” 作用加强， 位错运动的阻力增大， 合金的硬度 （强度） 升高， 导 电率也由于一些化合物相溶解溶质原子逐步均匀分布， 合金 的晶粒长大， 逐步上升。在 950C 固溶处理出现硬度和导电 率下降， 960C 固溶处理出现最低值。这说明在该温度固溶处 对合金内部的自 理， 溶质原子充分溶解， 在! -Cu 内均匀分布， 由电子运动产生阻碍， 使合金的电阻增大， 导电率下降， 这时 合金的硬度也有所降低。之后随着固溶温度的升高， 合金的 硬度和导电率又缓慢升高， 晶粒明显长大。从固溶处理的目 的来看， 960C 是 CrZrCuRE 合金最佳固溶处理温度。960C 固 溶处理的组织为单相过饱和!固溶体， 由于淬火应力的作用， 晶粒内产生了许多孪晶， 见图 3。
艺。提高固溶温度， 延长保温时间， 虽然可使合金元素在! -Cu 中固溶度增加， 强度提高， 但固溶温度过高， 保温时间过长， 将 造成合金晶粒粗化， 反而降低合金的强度和塑性， 造成后续的 冷变形或使用过程中产生裂纹。若固溶温度过低， 则合金元 素在合金中的固溶量过少， 且成分均匀性差， 在随后的时效过 程中还容易产生不连续的脱溶， 从而大大降低合金的时效强 化效果。选择固溶温度以合金不产生晶粒粗大为前提， 提高 固溶温度， 保温一定时间后快冷， 保证形成强化相的溶质元素 在! -Cu 中达到最大的固溶度。
果下降， 即产生过时效。图 4 为 CrZrCuRE 合金在不同温度下 时效 3h 后性能关系曲线。由图可见， CrZrCuRE 合金在 470C 时效 3 ~ 4h 能够获得良好的时效强化效果。
图4
CrZrCuRE 合金时效温度与性能的关系 The effect of aging temperature on