微量稀土钇对Cu-Cr-Zr合金时效性能的影响.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年1 期 微量稀土钇对C u C r Z r 合金时效性能的影响 王艳蕊，刘平，刘勇，李伟，康布熙 河南科技大学材料科学与工程学院．洛阳4 7 1 0 0 3 摘要研究了微量稀土钇对C u - C r Z r 合金时效后导电率和显徽硬度的影响。结果表明C u - 0 ．4 1 C r 一 0 ．1 0 Z r 舍金在9 5 0 ℃圃溶1h 后，在4 8 0 C 时效2 h 能获得较高的显微硬度和导电率；时效前冷变形可加 快第二相的析出，使其性能得到显著提高。固溶后经6 0 ％变形后于4 8 0 ℃时效1h 其显微硬度和导电率 分别高达1 5 4 ．3 H V 和8 1 ．5 ％I A C S ，而固溶后直接时效时仅为1 1 02 H v 和6 5 ．2 ％I A C S 。微量稀土元素 Y 的加人，使C u 一0 ．3 9 C r 一0 ．1 l Z r - 0 ．0 4 1 Y 合金的显微硬度较C u 一0 ．4 1 C v 0 ．1 0 Z r 合金高9 H V ，而导电率略 有降低。 关键词稀土；C u - C r ．Z r 台金；时效；导电率；显徽硬度 中围分类号T G l 4 6 ．1 1文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 6 0 1 0 0 4 6 0 4 E f f e c to fY t t r i u mO i lA g i n gP r o p e r t i e so fC n C r - Z rA l l o y W A N GY a n r u i ，L I UP i n g ，L I UY o n g ，L IW e i ，K A N GB u x l M a t e rS c i ＆E n gC o i l ，H e n a nU n i vo f “＆T e c h ．L u o y a n g4 7 1 0 0 3 ，C h i n a j A b s t r a c t T h ee f f e c to fY t t r i u ma d d i t i o no ne l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ya n dm i c r o h a r d n e s sa f t e ra g i n go fC u0 ．4 1 C r 一 0 ．1 0 Z ra l l o yarei n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l ts h o w st h a tt h ea l l o y ，a f t e rs o l u t i o na t9 5 0 ℃f o r1h ，c a no b t a i nh i g h e r e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ya n dm i c r o h a r d n e s sa g e da t4 8 0 ℃f o r2hT h ep r o c e s so fp r e c i p i t a t i o no ft h es e c o n d a r y p h a s ec a nb ea c c e l e r a t e db yc o l dd e f o r m a t i o nb e f o r ea g i n g ，w h i c hg r e a t l yi m p r o v e sp r o p e r t i e so ft h ea l l o yA g e d a t4 8 0 ℃f o r1 ha f t e r6 0 ％c o l dd e f o r m a t i o n ．t h ev a l u e so fe l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ya n dm i c r o h a r d n e s sr e a c h 8 1 ．5 ％I A C Sa n d1 5 4 ．3 H Vr e s p e c t i v e l y ．b u t t h e ya r eo n l y6 5 ．2 ％I A C Sa n d l l 0 ．2 H Vd i r e c t l ya g i n ga f t e rs o l u t i o n ．W i t ht h ea d d i t i o no fat r a c eo fr a r ee a r t he l e m e n tY ．t h ev a l u eo fm i c r o h a r d n e s so fC u 一0 ．3 9 C r 一0 ．1 l Z r _ 0 ．0 4 1Ya l l o yi n c r e a s e s9 H V ，w h i l et h ev a l u eo fe l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ys l i g h t l yd e c r e a s e s ． K e y w o r d s R a r ee a r t h ；C u - C r Z ra l l o y ；A g i n g ；E l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y ；M i c r o h a r d n e s s 铜作为电气化铁路列车接触导线的基本材料， 具有高的导电导热性及优良的工艺性能，但纯铜的 室温强度和高温强度及硬度方面的不足，使其在实 际应用中受到限制“J 。多元微合金化是进一步改 善高强高导铜合金的有效手段。时效硬化型C u C r - z r 合金因具有良好的导热导电性、较高的强度以及 优良的耐磨性能，已在高速电气机车的架空导线等 方面得到广泛使用【2 - 4J 。而在冶金工业中，稀土被 称作是金属材料的“维生素”，在金属中添加少量甚 基金项目国家高技术研究发展计划资助项目 2 0 0 2 A A 3 3 1 1 1 0 作者简介王艳蕊 1 9 7 9 一 ，女．河南平顶山人，硕士研究生 至微量的稀土，便能显著的提高其化学或力学性能。 但与钢铁、铝等相比，稀土在铜及铜合金中的应用尚 不够广泛”J 。因此，有必要对稀土铜台金的性能进 行研究，以期进一步提高其综合性能。 本文研究了C u C r Z r 合金在时效过程中导电 率和显微硬度的变化规律，并结合其显微组织，比较 和探讨了微量稀土元素Y 对C u ．C r - Z r 合金性能的 影响。 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年1 期 1试验材料与方法 并在日产H 一8 0 0 型透射电镜上进行组织分析。 试验用C u C r Z r 合金在Z G - 0 ．叭型1 0k 真空 中频感应熔炼炉中熔炼而成。原材料采用纯度为 9 9 ，9 ％的标准阴极铜、9 9 ．5 ％的C r 和9 9 ．5 ％的z r ， 合金的最终成分为 ％ C u 一0 ．4 1 C r 一0 ．1 0 Z r 和C u 一 0 ．3 9 C r 一0 ．1 1 Z r ．0 ．0 4 1 Y 。浇铸后的合金铸锭经切除 冒口、去皮后锻造成∞3m m 的棒材。随后进行 9 5 0 ℃lh 固溶处理和0 ％、4 0 ％、6 0 ％及8 0 ％的 冷变形，并分别在4 0 0 、4 4 0 、4 8 0 、5 2 0 、5 6 0 ℃进行时 效处理，测量其显微硬度和导电率的变化。 合金的固溶和时效处理均在S R J K 一2 1 2 型 氮气保护的管式炉中进行，P I D 控温，加热室尺寸为 中4 0m m 7 0 0m m ．炉子正常工作时温度波动为 2 “ C ；电阻测量在Z Y 9 9 8 7 型数字式微欧计上进行， 测量误差≤0 ．2m 0 ；显微硬度用H V S 1 0 0 0 型 数显显微硬度计测量，载荷为0 ．1k g ，加载时间3 0 s ，每个试样测量次数不少于5 次，测量误差5 ％； 透射电镜试样经L G B 一2 型离子减薄机减出薄区， 2 试验结果及分析 图1 a 为固溶态C u 一0 ．4 1 C r 一0 ．1 0 Z r 合金在不 同温度下时效显微硬度与时间的关系。由图1 可 知，在4 0 0 ～4 8 0 ℃时效时，硬度随时问不断增加，从 5 2 0 ℃开始硬度先增后减，时效温度越高，达到峰值 所需时间也越短，尔后合金的硬度随着时效时间的 延长而缓慢降低。这是由于在时效初期，基体过饱 和度较大，析出相析出动力较大，析出速度相应也较 快，使硬度迅速上升到峰值，随着时效时间的延长， 合金进入过时效阶段，与基体的共格关系遭到破坏， 点阵畸变程度降低，析出相长大，故显微硬度呈下降 趋势。析出过程是通过扩散进行的，时效温度越高， 原子扩散能力就越强，扩散的速度就越快，析出速度 也越快，达到峰值所需的时间也就越短。如合金在 5 2 0 ℃时效0 ．5h 硬度达到峰值1 0 7 ．2 H V 之后又缓 慢下降。合金在4 0 0 ～4 8 0 “ C 的温度下时效时，硬度 一直保持上升的趋势。 图1 时效温度对固溶态C u - C r ．Z r 台金显微硬度 a 和导电率 b 的影响 F i g ．1 I n f l u e n c eo fa g i n gt e m p e r a t u r eo nm i c r o h a r d n e s s a a n de l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y b o fC u C r - Z ra l l o y 影响铜合金导电率的主要因素是基体中固溶元 素的含量，固溶元素含量越高，对电子的散射作用就 越太，合金导电率就越低，反之则越高L 6 J 。由于铜 铬锫合金是析出硬化型合金，时效的过程是从过饱 和固溶体中析出c r 粒子及C u 3 Z r 相的过程”J 。时 效过程中由于溶质脱溶、固溶体贫化、共格性丧失和 脱溶物的聚集等原因导致电阻下降，从而提高了导 电能力。如图1 b 所示，时效初期导电率也遵循与 硬度相同的规律，即温度越高，导电率增幅越大，导 电率就越高。如固溶态合金5 2 0 ℃时效6h 后导电 率可达8 9 ．2 3 ％I A C S ，而4 0 0 ℃和4 4 0 ℃时效相同时 间仅为5 8 ．6 1 ％I A C S 和6 8 ．4 1 ％I A C S 。继续延长 时效时问，由于合金内固溶原子的贫化，第二相析出 速度变慢，导电率上升趋势变缓。综上C u 一0 ．4 1 C r - 0 ．1 0 Z r 合金在4 8 0 ℃时效2h 可以获得较高的综台 性能，其显微硬度和导电率分别可达1 1 1 ．8 H V 和 7 1 ．8 3 ％1 A C S 。 固溶后直接时效，对材料性能的提高有限，为提 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年1 期 高材料的强度，通常采用形变时效的方法，即在时效 前冷变形。与只采用冷变形提高强度的方法不同， 形变时效处理在同样强度时能获得较高的塑性，同 时降低了残余应力，并具有热稳定性较高的组织宁] 对固溶C u 一0 ．4 1 C r 一0 ．1 0 Z r 合金分别进行0 ％、4 0 ％、 6 0 ％和8 0 ％冷变形．再在4 8 0 ℃时效处理后的显微 硬度和导电率的变化曲线如图2 所示。 图2 变形量对C u ．C r - Z r 合金4 8 0 。C 时效后的显微硬度 a 和导电率 b 的影响 F i g ．2 I n f l u e n c eo fd e f o r m a t i o no nm i c r o h a r d n e s s { a la n d e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yIb o fC u - C r - Z ra l l o ya f t e ra g e da t4 8 0 。C 由图2 a 可以看出不同变形量的合金在时效 初期显微硬度迅速升高，达到峰值后有所下降，且随 着变形量的增大，显微硬度上升的幅度也相应较大， 达到峰值所需时问较短。这主要是因为变形量越 大，台金内部空位，位错等缺陷越多，原子扩散及形 核的位置就越多，加快了第二相的析出速度，同时也 增大了第二相的长大速度。如4 0 ％冷变形合金在 4 8 0 ℃时效1h 达到峰值1 3 8 ．8 H V ，而6 0 ％变形合 金时效仅3 0m i n 就达到了1 4 8 ．9 H V 。并且在1h 后达到峰1 5 4 ．3 H V ，从图3 可以看出，合金经6 0 ％ 变形时效3 0m i n 后，内部保留较高的位错密度，析 出相与位错交互作用，使析出物倾向于偏聚在位错 处，由于析出物的“钉扎”作用，阻碍位错的滑移和重 排，阻碍再结晶晶核的形成和长大，从而使合金得到 强化。由于冷变形对析出的促进作用，使变形态合 金的导电率比固溶态合金上升幅度更大，见图2 b 。并且变形量越大，时效初期合金的导电率增加 就越快。如4 0 ％、6 0 ％及8 0 ％变形的合金在4 8 0 ℃ 时效0 ．2 5 h 后，对应的导电率分别为7 2 ．0 1 ％I A C S 、 7 2 ．6 7 ％I A C S 和7 2 ．8 6 ％I A C S ，而未变形合金仅为 5 4 ．5 8 ％I A C S 。但由于基体中溶质元素的贫化和第 二相的长大作用，使变形台金在继续的时效过程中， 导电率的增幅趋于平缓。由以上分析可知，C u 、C r - Z r 合金进行6 0 ％变形后在4 8 0 ℃时效处理1h 可以 获得较高的综合性能，其显微硬度和导电率分别可 达1 5 4 ．3 H V 和8 1 ．5 1 ％I A C S 。 图3 合金6 0 ％变形后4 8 0 ℃时效3 0 r a i n 的位错组态和析出相 x5 万 F i g ．3M o r p h o l o g yo fp r e c i p i t a t e sa n dd i s l o c a - t i o na g e da t4 8 0 “ Cf o r3 0 m i na f t e r6 0 ％ d e f o r m a t i o n 图4 为C u 一0 ．4 1 C r 一0 ．1 0 Z r 与C u 一0 ．3 9 C r - 0 ．1 l Z r - O ．0 4 1 Y 合金经9 5 0 ℃固溶1h 并在4 8 0 ℃时 效的导电率和显微硬度的变化曲线。由图4 可知， 两种台金的显微硬度和导电率随着时效时间的变化 规律基本相同．所不同的是C u ．0 ．3 9 C r ．0 ．1 1 Z r 一 0 ．0 4 1 Y 合金时效后的显微硬度比C u 一0 ．4 1 C r 一 0 ．1 0 Z r 合金高9 H V ，而导电率降低3 ％I A C S 。加人 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年1 期 稀土元素后合金的显微硬度提高是由于稀土的熔点 比铜低，但沸点却比铜高许多，密度与铜接近，但原 子半径和负电性相差很大，这些因素使得稀土和铜 形成金属问化合物。这些金属间化合物粒子较硬， 分布于基体中，成为位错运动的阻力。从而使合金 的硬度得以提高。当稀土加人量小于0 ．0 2 ％时，加 入的稀土主要起净化作用，从而减少杂质对电子的 散射，提高导电性；当稀土含量增加到0 ．0 4 ％时，细 化晶粒作用增强，对电子的散射也增强，降低导电率 紫1 与此同时台金的硬度也得到进一步提高，所以，加 入稀土后台金的显微硬度有所提高而因为电阻率增 加，导电率略微降低。 图4 微量稀土元素Y 对C u ．C r ．Z r 合金4 8 0 ℃时效后的导电率 a 和显微硬度【b 的影响 F i g ．4 I n f l u e n c eo fYa d d i t i o no i le l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y a a n d m i c r o b a r d n e s sfb o fC u - C r - Z ra l l o ya f t e ra g i n ga t4 8 0 。C 3 结论 1 C u 一0 ．4 1 C r 一0 ．1 0 Z r 合金固溶后在4 8 0 ℃时效 2h 可以获得较好的综合性能。其显微硬度和导电 率分别可达1 1 1 ．8 H V 和7 】．8 3 ％I A C S 。 2 时效前冷变形能促进时效初期第二相的析 出，使合金性能显著提高。合金固溶后进行6 0 ％变 形后在4 8 0 ℃时效处理lh 可以获得较高的综合性 能，其显微硬度和导电率分别为1 5 4 ．3 H V 和 8 1 ．5 1 ％I A C S ，比固溶后直接时效分别提高4 4 ．1 H V 和1 6 ．3 4 ％I A C S 。 3 微量稀土元素Y 的加入可使C u C r Z r 合金 的显微硬度有所提高，而导电率略微降低。 参考文献 [ 1 ] [ 1 ] 王文芳，吴玉程，郑玉春，等．铜一纳米金属氧化物 复合镀层的制备及组织性能研究[ J ] ．稀土金属． 2 0 0 4 ．2 8 2 3 0 1 [ 2 ] 刘平，康布熙，曹兴国，等快速凝固c u C r Z r - 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