基于硬度与导电率协同优化的铬锆铜合金制备工艺创新研究——探究微量元素掺杂冷变形量控制及复合热处理对合金组织与使用性能的改进效果及工业化应用价值

在现代工业中，铜合金应用广泛。铬锆铜合金由于导电导热性能良好，具有高的强度和好的耐磨性,可作为电阻焊电极和结晶器等材料。在汽车、机车、造船、电力及航空等行业得到广泛的应用,具有广阔的市场前景[1]。随着我国科学技术的发展和产业升级，对铬锆铜合金的综合性能提出更高的要求，提高该合金的综合性能引起相关研究者的关注。本文通过研究添加微量元素,优化铬锆铜合金成分;分析不同冷变形量与不同处理工艺对铬锆铜合金性能与组织的影响，旨在为提高铬锆铜合金的综合使用性能提供一定的参考。

1、实验部分

1.1试样制备

采用电解铜、铬铜中间合金、金属锆、铌粉或钴粉等原材料,在25kg真空感应熔炼炉内熔炼,待坩埚内的炉料熔化完加入铜镁合金,然后提升熔液温度至1300℃后加入铌或钴粉等原材料,出炉前再加入锆,最后将合金熔液浇注成铬锆铜合金铸锭。添加铌或钴微量元素的铬锆铜合金铸锭的化学成分如表1所示。

表１　 铬锆铜合金铸锭化学成分 ｗ／ %

铬锆铜合金铸锭先经加热锻造成坯料,坯料固溶处理后，分别以不同的冷加工形变量制成合金实验试样。

1.2处理工艺实验

铬锆铜合金试样放入箱式热处理炉进行时效处理,时效处理工艺为430℃温度保温1.5h,炉冷至300℃以下出炉空冷。将部分时效处理过的试样放入液氮中,分别浸泡1、2、3、4、5、7h,进行时效处理+深冷处理的工艺实验。

1.3测试方法

使用HRD-150型电动洛氏硬度计检测不同处理工艺的合金试样硬度;使用FD101数字便携式涡流导电仪检测各试样的导电率;使用莱卡-DMIRM金相显微镜和德国蔡司-EVO 18扫描电子显微镜观察合金试样的显微组织。

2、结果与讨论

2.1微量元素对铬锆铜合金组织与性能的影响

检测经时效处理后CrZrCoCu与CrZrNbCu合金的硬度和导电率,检测结果见表2。

表２　 时效处理后合金的性能检测结果

从表2中合金的硬度与导电率检测结果来看，添加微量的铌或钴元素至铬锆铜合金中,都可以使铬锆铜合金达到较高的硬度和导电率。

使用扫描电子显微镜分别观察CrZrNbCu和CrZrCoCu合金试样显微组织及能谱图,观察结果见图1、图2。

从图1b可以看出，CrZrNbCu合金中含有铌元素;微量铌元素有效细化了铬锆铜合金中晶粒[2]。从图2b可以看出,CrZrCoCu合金中含有钴元素;微量钴元素增加了铜合金基体晶格畸变。添加微量的铌或钴元素均有利铬锆铜合金强度的提升。但铌或钴元素对铬锆铜合金的导电性能均会产生不良影响，因此需要合理控制添加量。

使用金相显微镜分别观察CrZrCoCu与CrZrNbCu合金时效处理后的显微组织,观察结果见图3、图4。

从图3和图4观察到,CrZrCoCu合金时效后析出物相对较为分散且均匀，而CrZrNbCu合金时效后析出物总体上偏大，而且较大的析出物多分布在晶界附近。这主要与铌元素的熔点较高，不能完全溶解在铜合金中有关。钴元素能较好地溶解在铜合金中,能形成较为稳定的析出相。

在添加微量的铌或钴元素至铬锆铜合金内的冶炼过程中，对熔炼操作的要求有所不同。相对于添加钴元素，在铬锆铜内添加铌元素对熔炼的要求较高，需要较精细的操作才能达到铬锆铜合金中的铌偏析少，收得率高。

2.2冷变形量对铬锆铜合金组织与性能的影响

将固溶后CrZrNbCu合金坯料分别采用10%、40%、50%、55%、70%等不同的冷加工变形量,制作实验试样;各试样再经过相同的时效处理,检测不同冷变形量的CrZrNbCu合金试样的硬度和导电率,性能检测结果见表3。

表３　 不同冷变形量的ＣｒＺｒＮｂＣｕ 合金性能检测结果

从表3结果可以看出，铬锆铜合金的导电率随着形变量的增加而降低，硬度随着形变量的增加而增加，但形变量增加到一定程度后，合金硬度变化不大。

分别观察不同冷变形量的CrZrNbCu合金时效后显微组织,观察结果见图5、图6、图7、图8、图9。

从图5、图6、图7、图8、图9可以看出，随着冷变形量增加，铬锆铜合金的晶粒得到细化，促进材料中强化相的析出，从而增加材料硬度[3]。但当变形量过大，达到塑性变形或位错的影响极限时，硬度变化不大。另外，位错和晶界对铜基体间的电子流动有散射作用,因此材料导电率随着变形量增加而降低[4]。

综合CrZrNbCu合金硬度和导电性匹配以及生产现场的情况，冷变形量控制在50%左右，CrZrNbCu合金的硬度和导电率间能形成良好匹配,综合性能较佳。

2.3处理工艺对铬锆铜合金组织与性能影响

CrZrNbCu与CrZrCoCu合金试样经过时效处理后,硬度(HRB)与导电率(%IACS)数值均可达到80,合金综合性能较佳。尝试对时效处理后的CrZrNbCu与CrZrCoCu合金再分别经1、2、3、4、5、7h不同时间的深冷处理，回复到常温后，检测合金的硬度与导电率，检测结果见图10。

由图10的数据看出，CrZrNbCu和CrZrCoCu合金深冷处理前后的硬度和导电率总体变化不大。

分别观察深冷处理前后的CrZrNbCu和CrZrCoCu合金的显微组织，观察结果见图11、图12、图13、图14。

对比观察合金的显微组织结果可以看出，深冷处理前后CrZrNbCu和CrZrCoCu合金显微组织无明显的差异。

深冷处理主要使试样在剧烈的降温过程中,合金材料体积收缩,这有利于组织变得致密,细化晶粒;同时使材料晶格发生畸变,位错密度增加,为强化相析出提供动力;可提高材料硬度,改善材料的导电性能[5]。铬锆铜合金加入微量的Nb或Co元素后,合金晶粒已得到充分的细化,深冷处理产生的剧烈降温对已经细化的晶粒作用不明显。另外,铌或钴元素都能促进铬锆铜合金中强化相析出，含有微量Nb或Co元素的铬锆铜合金中的强化相析出比较彻底，少有不稳定的结构;深冷处理对CrZrNbCu或CrZrCoCu合金的硬度与导电性没有明显的影响。

3、结语

1)添加微量的Nb或Co元素后，铬锆铜合金能达到较高的硬度和导电率,合金都能表现出高强高导的特点。

2)选择冷变形量在50%附近时，时效处理后的铬锆铜合金硬度和导电率等综合性能较佳。

3)含微量Nb或Co元素的铬锆铜合金时效处理后再进行深冷处理，合金性能变化不明显。

参考文献

[1]钟海燕,袁孚胜.高强高导铜铬锆合金的市场现状分析[J].有色冶金设计与研究,2019,40(01):28-30.

[2]张金利,宋艳琴,王世魁.铌微合金化铜及铜合金材料[P].中国专利:CN101012520,2007-08-08.

[3]马旭,王顺兴,刘勇,等.变形量对Cu-Cr-Zr合金等温时效动力学的影响[J].热加工工艺,2009,38(08):10-12.

[4]刘劲松，汤旭晶，王松伟，等.铜铬系合金研究和发展现状[J].铜业工程,2023(04):39-51.

[5]卢翰林，陈乐平，方森鹏，等.深冷处理对C17510铍铜合金组织及性能的影响[J].铸造技术,2021,42(04):304-307.

（注，原文标题：铬锆铜合金组织与性能的研究）

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