直流电流时效对Cu-0.33Cr-0.06Zr合金显微硬度的影响

白 宁，张彦敏，罗 钧，王海艳，宋克兴

（1.河南科技大学a.材料科学与工程学院；b.河南省有色金属材料科学与加工技术重点实验室，河南洛阳471023；2.广州铜材厂有限公司，广东广州510990；3.广东省工业技术研究院金属加工与成型技术研究所，广东广州510650）

0 引言

Cu-Cr-Zr合金综合性能优良，是典型的析出强化型铜合金，冷变形、固溶时效工艺对材料的微观组织及力学性能有很大的影响，为此，材料工作者对其处理工艺及作用机理展开了许多研究［1－4］，研究结果表明：Cr和Zr的加入，形成了纳米级的弥散强化相，对合金的强度和导电性产生重要影响［5－6］。Cu-Cr-Zr合金广泛应用于各种电焊电极、集成电路的引线框架、电力火车空架导线、电气工程开关的触头等环境中，除了对合金的导电性有较高要求外，对合金的力学性能也有较高要求。高强高导铜合金服役条件越来越苛刻，对合金力学性能的要求也越来越高。

国内外关于电流对合金的热处理和组织性能有一些研究。文献［7－8］研究发现：直流电流能够促进Cu-0.86Cr合金的时效析出，使合金时效后导电率和抗拉强度达到最大值所需的时效时间较短。文献［9］研究发现：直流电流可以促进冷变形α-Ti的再结晶速率，并获得了尺寸较小的再结晶晶粒。文献［10］发现：电脉冲促进冷变形铜在等温退火过程中回复和再结晶。文献［11－12］研究发现：直流电流促进Cu-Cr-Zr合金中Cr的析出，直流电流下时效较无电流情况可获得较高的硬度。由此可知：电流会影响合金的时效热处理，进而影响合金的性能。但电流对合金时效性能的影响机理的解释尚未达成统一。本文以Cu-0.33Cr-0.06Zr合金为研究对象，研究固溶＋冷变形＋不同电流密度直流电流下时效工艺对材料的力学性能的影响。

1 试验材料与方法

试验材料为Cu-0.33Cr-0.06Zr合金φ7 mm拉拔态棒材，截取φ7 mm×300 mm进行固溶、冷变形和直流电流下时效处理。试样在KSS-1200℃真空气氛管式炉内加热至990℃，保温1 h后水淬；然后进行变形量为80%的多道次冷拉拔变形，再截取成φ3 mm×300 mm的试样。

直流电流下时效试验是在改造的KSS-1200℃真空气氛管式炉内进行的，装置如图1所示，时效温度为450℃，时效时间分别为0.25 h、0.50 h、1.00 h、2.00 h、4.00 h、6.00 h。为比较不同电流密度的直流电流对合金时效后导电性能的影响，试样分别施加0 Acm－2、100 Acm－2、200 Acm－2、300 Acm－2和400 Acm－2的直流电流；时效过程通入氩气进行保护；为更好对比不同时效工艺的差别，时效完成后水冷。选取试样的横截面，采用HV-1000型数显显微硬度计测量显微硬度，载荷为1 N，加载时间为5 s，每个试样测量不少于6次，误差控制在5%以内。显微组织观察在JEM-2100型高分辨透射电镜上进行。

图1 电流下时效处理装置示意图

2 结果与分析

2.1 合金显微硬度变化趋势

图2是450℃下时效Cu-0.33Cr-0.06Zr合金显微硬度随时效时间变化曲线，由图2可以看出：随着时效时间的增加，合金的硬度先迅速升高，再缓慢下降；电流下时效时，电流密度越大，合金到达硬度峰值的时间越短，合金在电流密度为400 Acm－2下时效0.25 h就到达峰值227HV，而且峰值要高于无电流下时效的206HV。而300 Acm－2的峰值反而比200 Acm－2的低，说明电流密度对合金时效硬度峰值的影响并不是线性关系。时效时间为2.00 h和4.00 h时，除100 Acm－2外，无电流时效的硬度均大于有电流时效。时效时间为6 h时，无电流时效的硬度均大于有电流时效。时效过程中，初期固溶原子先聚集形核形成细小弥散的析出相，合金硬度显著提高，随着时效时间的延长，析出相聚集长大，合金的硬度也随之降低。较大密度的直流电流会加速时效初期析出相的析出速度，所以能显著提高合金的硬度；同时也会促进后期析出相的粗化，所以大电流密度时效的合金后期的硬度低于无电流时效。

图3是450℃下时效Cu-0.33Cr-0.06Zr合金显微硬度随电流密度变化曲线，由图3可以看出：时效初期（0.25 h），较大电流密度的直流电流能大大提高合金的硬度，特别是电流密度为400 Acm－2时；除4.00 h、100 Acm－2参数外，时效后期（4.00 h，6.00 h）合金的硬度随电流密度的增大而呈降低的趋势。

图2 合金显微硬度随时间变化曲线

图3 合金显微硬度随电流密度变化曲线

2.2 合金显微组织及析出相分析

图4a是Cu-0.33Cr-0.06Zr合金时效之前经过固溶＋冷变形处理的微观照片，由图4a可以看出：晶内无明显未溶相，溶质元素已基本完全固溶进铜基体。图4a中还可以看到大量的位错缠结（如图4a中的黑色区域），大冷变形产生的位错缠结是合金硬度提高的主要原因之一。时效前期合金处于过饱和状态，固溶元素析出动力大，直流电流产生的焦耳热及电子风力［11］的影响，加速了固溶元素的析出，弥散分布的析出相能快速提高合金硬度，甚至提高合金的硬度峰值。图4b是合金在450℃无电流下时效1.00 h的析出相形貌，由图4b可以看到大量纳米级弥散分布的析出相，细小弥散分布的析出相是合金硬度提高的另一个原因。时效后期，随着时效时间的延长析出相粗化，较大密度的直流电流产生的焦耳热及电子风力的影响会使合金发生回复再结晶，位错密度的降低会降低合金的硬度。图4c是合金在450℃电流密度为400 Acm－2下时效4.00 h的析出相形貌，从图4c中可以看到位错向晶界聚集的明显的回复及再结晶特征，析出相略大于图4b。

图4 合金在450℃下的析出相形貌

3 结论

（1）Cu-0.33Cr-0.06Zr合金在450℃下时效，合金的硬度先迅速升高，再缓慢下降；电流密度越大，合金到达硬度峰值的时间越短，合金在电流密度为400 Acm－2下时效0.25 h就到达峰值227HV，高于无电流下时效峰值206HV。大密度的直流电流在时效初期能大大提高合金的硬度，时效后期则会降低合金的硬度。

（2）Cu-0.33Cr-0.06Zr合金固溶后，经大冷变形产生的位错缠结和经时效产生的纳米级弥散分布的析出相是合金硬度提高的主要原因。时效后期，大密度的直流电流会使合金发生回复及再结晶，使合金的硬度进一步降低。

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