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熱處理對(duì)Cu-Cr合金接頭鑄件性能的影響

  Cu-Cr合金接頭鑄件是為國(guó)內(nèi)某廠生產(chǎn)大型發(fā)電機(jī)組配套的主要部件，其技術(shù)要求難度高，力學(xué)性能和導(dǎo)電性能應(yīng)符合美國(guó)西屋電氣公司標(biāo)準(zhǔn)和ASTM　E272的要求，化學(xué)成分：0.4%～1．2%Cr，余量Cu，雜質(zhì)Pb≯0．015%，P≯0．04%，雜質(zhì)總量≯0.15%；力學(xué)性能：σb≥207MPa，σ0．2≥138MPa，δ5≥10%，硬度≥70HB；相對(duì)導(dǎo)電率：IACS≥80%。經(jīng)過(guò)對(duì)該鑄件的熱處理試驗(yàn)，完全滿足了用戶的要求，為其國(guó)產(chǎn)化提供了一個(gè)有效的途徑。

2　試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

Cu-Cr合金接頭鑄件所采用的爐料是電解銅Cu-2和金屬鉻Cr-1。采用中頻感應(yīng)電爐熔煉，箱式電阻爐熱處理。拉伸試樣和導(dǎo)電率試塊均采用砂型鑄出；前者按GB　228的規(guī)定加工成直徑(d0)為10mm的短比例試樣，后者根據(jù)室溫電阻測(cè)試裝置的要求加工成120mm×6mm×5mm的試塊。
Cu-Cr合金接頭鑄件的熔鑄工藝為：先加入電解銅和覆蓋劑，待電解銅完全熔化達(dá)到一定溫度后再將鉻以純金屬的形式(顆粒狀)直接加入到銅液中，保溫一段時(shí)間，銅液達(dá)到1300～1350℃時(shí)出爐澆注。

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1　鉻在合金接頭鑄件中的作用

從銅鉻二元相圖可知，鉻在銅中的最大固溶度在1076.2℃時(shí)可達(dá)0.7%，在450℃時(shí)為0.04%。這說(shuō)明，固溶度隨溫度下降而減少，而其減少得越多，淬火后所獲得的固溶體過(guò)飽和程度就越大，時(shí)效強(qiáng)化的效果也就越顯著。因此，在銅基體中加入少量鉻對(duì)銅起到固溶強(qiáng)化作用，鑄件的強(qiáng)度顯著提高。但由于鉻固溶于銅基體中會(huì)造成嚴(yán)重的晶格畸變，使鑄件導(dǎo)電性能惡化。時(shí)效處理后，過(guò)飽和固溶體得以分解，鉻從固溶體中大部分析出，形成彌散分布的沉淀物，產(chǎn)生時(shí)效硬化，同時(shí)仍有微量鉻固溶于銅基體中形成固溶強(qiáng)化。由于鉻大部分析出，從而使鑄件的導(dǎo)電性能得到大幅度提高。這也就是Cu-Cr合金鑄件不僅具有高強(qiáng)度同時(shí)也具有高導(dǎo)電性的根本原因[1]。

3.2　Cr含量對(duì)鑄件性能的影響

試驗(yàn)表明，過(guò)高或過(guò)低的Cr含量對(duì)鑄件的性能都是不利的。當(dāng)Cr在Cu中的固溶量超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，再增加Cr含量，強(qiáng)度就不再提高，導(dǎo)電性能反而下降。當(dāng)加入Cr含量太低時(shí)，導(dǎo)電性能雖然沒(méi)有什么損失，但肯定達(dá)不到應(yīng)有的強(qiáng)化效果。

Cr含量對(duì)Cu-Cr合金鑄件性能的影響見(jiàn)圖1。

   圖1　Cr含量Cu-Cr合金對(duì)鑄件性能的影響
             1.導(dǎo)電率2.抗拉強(qiáng)度 模

從圖1中可以看出，為使鑄件獲得良好的綜合性能，Cr含量控制在0.4%～1．0%的范圍內(nèi)為宜。

3.3　固溶溫度對(duì)鑄件強(qiáng)度和導(dǎo)電性能的影響

Cu-Cr合金接頭鑄件的熱處理工藝包括固溶和時(shí)效這兩個(gè)環(huán)節(jié)，其性能的好壞主要取決于合金基體中鉻粒子析出物的大小和分布。提高固溶溫度，延長(zhǎng)保溫時(shí)間，雖然可增加鉻在銅基體中的固溶量，使基體金屬位錯(cuò)密度增大，同時(shí)發(fā)生晶格畸變，從而使鑄件的強(qiáng)度得到提高。但過(guò)高的溫度和時(shí)間將造成合金晶粒粗大，鉻粒子聚集在晶界，產(chǎn)生過(guò)燒現(xiàn)象。而過(guò)燒鑄件在隨后的加工過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋，并增大鑄件表面脫落層和氧化損耗，從而降低鑄件的強(qiáng)度和導(dǎo)電性。相反，如果固溶溫度過(guò)低，保溫時(shí)間過(guò)短，則鉻在銅基體中的固溶過(guò)程不充分，固溶量就過(guò)少，且成分不均勻，在隨后的時(shí)效過(guò)程中還容易產(chǎn)生不連續(xù)脫溶，從而也會(huì)降低鑄件的強(qiáng)度和導(dǎo)電性[2]。

將同一條件下的鑄坯分別在920～1000℃保溫1h，每隔20℃進(jìn)行固溶處理，然后水淬，再經(jīng)480℃保溫1h，然后隨爐冷卻，加工成試樣(塊)后測(cè)得的性能如圖2、圖3。

             圖2　固溶溫度對(duì)Cu-Cr合金鑄件強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的影響
               1．抗拉強(qiáng)度2．屈服強(qiáng)度3．伸長(zhǎng)率

              圖3　固溶溫度對(duì)Cu-Cr合金鑄件導(dǎo)電率和硬度的影響
                1．導(dǎo)電率　2．硬度

從圖2和圖3可知，隨著固溶溫度的提高，鑄件的力學(xué)性能和導(dǎo)電性也隨之提高，但達(dá)到一定溫度時(shí)，兩者會(huì)隨之下降。因此，固溶溫度選擇的原則，是在不產(chǎn)生過(guò)燒的前提下盡量高一些，使鉻盡可能多地固溶于基體中，使其固溶量達(dá)到最大值。試驗(yàn)證明，Cu-Cr合金接頭鑄件的固溶溫度以980～1000℃保溫1h為宜。

3.4　時(shí)效溫度和時(shí)間對(duì)鑄件強(qiáng)度和導(dǎo)電性能的影響

Cu-Cr合金是兼有固溶強(qiáng)化加時(shí)效硬化，即析出強(qiáng)化型合金，時(shí)效時(shí)有鉻粒子析出且呈均勻細(xì)密分布。時(shí)效效果，取決于合金成分、固溶體特性、時(shí)效溫度和時(shí)間、過(guò)飽和度、析出過(guò)程特性和強(qiáng)化相結(jié)構(gòu)等。對(duì)同一成分的過(guò)飽和固溶體來(lái)說(shuō)，時(shí)效溫度和保溫時(shí)間是影響時(shí)效效果的主要因素。

將同一條件下的鑄坯，采用不同溫度而時(shí)間相同或相同溫度而時(shí)間不同進(jìn)行時(shí)效，然后隨爐冷卻，加工成試樣(塊)后測(cè)得的性能見(jiàn)表1、表2。

表1　時(shí)效溫度不同而時(shí)間相同時(shí)對(duì)鑄件性能的影響

表2　時(shí)效溫度相同而時(shí)間不同時(shí)對(duì)鑄件性能的影響

從表1和表2可以看出，當(dāng)時(shí)效溫度不同而時(shí)效時(shí)間相同時(shí)對(duì)鑄件各種性能的影響較為顯著。反之，當(dāng)時(shí)效溫度相同而時(shí)效時(shí)間不同時(shí)除對(duì)鑄件的力學(xué)性能影響稍大外，對(duì)導(dǎo)電性能的影響卻不明顯，相差最多不過(guò)1%。試驗(yàn)證明，Cu-Cr合金接頭鑄件的時(shí)效溫度和時(shí)間以480℃×1h為宜。

4　結(jié)論

(1)　試驗(yàn)證明，Cu-Cr合金接頭鑄件的Cr含量以0.4%～1．0%為宜。
(2)　Cu-Cr合金接頭鑄件的最佳熱處理工藝是980℃保溫1h，然后水淬，再在480℃保溫1h，隨爐冷卻。
(3)　在上述兩種條件下，該鑄件的綜合性能均可遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足美國(guó)西屋電氣公司的標(biāo)準(zhǔn)和ASTM　E272的要求。
(4)　從該鑄件裝機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)表明，Cu-Cr合金是一種力學(xué)性能好且導(dǎo)電性優(yōu)異的銅基材料，在機(jī)電行業(yè)中前景看好，值得推廣。