热处理对大变形Cu-15Cr-0.1Zr合金组织和性能的影响

张 涛， 陈小红， 周洪雷， 王晓保， 赵金伦，刘 平， 马凤仓， 刘科杰

（1. 上海理工大学材料科学与工程学院，上海 200093；2. 上海申通地铁集团有限公司，上海 200233；3. 信承瑞技术有限公司，江苏 常州 213025）

随着高速铁路的快速发展，对其供电系统中起悬挂接触线作用的承力索的需求量急剧增加，且对承力索性能的要求越来越高。要求承力索具有良好的导电性能、优异的抗拉强度，能够承受较大的张力和具有抗腐蚀能力，并且在温度变化时材料的驰度变化较小。由于铜合金优异的导电、导热性能，能降低压损和能耗，且抗腐蚀能力强，使得Cu承力索成为承力索的主要应用产品。然而常规铜合金的抗拉强度低，不能承受较大的张力，且温度变化时材料的驰度变化也大。所以研究新型承力索用铜合金有着重要意义和价值。

形变Cu-Cr合金是一类具有超高强度及优良导电性能的导体材料，可用于高速铁路接触线、高速铁路承力索和吊弦等领域[1-3]。形变Cu-Cr合金的高强度主要来源于Cu基体的加工硬化和第二相纤维的强化作用[4-5]。Deng等[4]对Cu-Cr合金的原位研究发现，随着变形量的增加，Cr纤维强化作用不断增强，使材料的抗拉强度不断提高，从400 MPa增加到1 100 MPa。然而，在冷变形过程中，剧烈的塑性变形产生机械形变诱导，使在固态下不相容的两相，如 Cu/Nb，Cu/Cr等[6-7]发生互溶，增加了对电子的散射，从而降低了合金的导电性能。Jin等[8]对Cu-Cr合金的研究发现，退火能使Cr在Cu中的过饱和固溶体发生调幅分解，形成纳米沉淀，进而减少杂质散射，提高材料的电导率，在600 ℃退火时电导率达到最大值86 %IACS。

为了获得较高的强度和良好的导电性能，满足高速铁路供电系统承力索材料的需求，本文制备了Cu-Cr-Zr合金。通过大变形拉拔和中间退火工艺，获得良好的导电性和抗拉强度组合，并研究了中间退火工艺对Cu-Cr-Zr合金导电性能和力学性能的影响机理。

1 试验过程

1.1 合金制备

试验选用质量分数为99.95%的高纯紫铜，Cu-25Cr，Cu-50Zr中间合金，在ZG-0.01型10 kg真空中频感应熔炼炉中熔炼（熔炼温度为1 400～1 500 ℃，镁砂坩埚），铸模为开式圆柱状（内腔直径88 mm，长度 220 mm）20#钢模。

1.2 合金的热加工与固溶处理

铸造获得的直径88 mm的Cu-15Cr-0.1Zr合金在900 ℃下保温30 min，锻造至直径20 mm，然后对其进行固溶处理。固溶处理工艺为：将试样放入管式电阻炉中，在氩气保护下，在1 000 ℃下保温60 min后，在水中快速冷却至室温。

1.3 合金的冷加工与中间退火

将固溶处理后的试样在室温下进行拉拔，每道次变形的应变量不大于0.15，应变量定义如式（1）所示，最终拉拔至直径0.8 mm。试样在拉拔过程中，分别在直径为3，1.8和1.35 mm时，在管式炉中进行中间退火。中间退火工艺分别为：450 ℃—450 ℃—450 ℃；500 ℃—450 ℃—450 ℃；500 ℃—500 ℃—450 ℃，每次中间退火均保温60 min。

式中：η为应变量；A0为试样拉拔前的原始横截面积；Af为试样拉拔后的横截面积。

经过计算，拉拔至直径为3，1.8，1.35和0.8 mm的试样对应的应变量η分别为 3.79，4.81，5.39，6.43。

1.4 显微组织观察与检测

首先采用质量分数为65%的浓硝酸对试验进行腐蚀，然后使用扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）观察Cr纤维的结构。采用透射电子显微镜（transmission electron microscopy，TEM）观察材料的纳米沉淀相及再结晶组织，同时采用系统自带的能谱仪（energy dispersive X-ray analysis，EDX）对Cu/Cr纤维界面处进行线扫描，测量纤维界面处的元素分布。

2 结果与讨论

2.1 Cu-15Cr-0.1Zr合金的组织演变

图1为Cu-15Cr-0.1Zr合金铸锭铸态和热锻后固溶态的SEM照片。Cu-15Cr-0.1Zr合金的铸态组织由初生Cr枝晶和α基体构成[9]。从图1（a）中可以看出，第二相Cr以丰富的枝晶形态存在。从图1（b）中可以看出，热锻后，粗大的Cr枝晶被破碎，沿锻造方向均匀地分布在Cu基体中。

图1 Cu-15Cr-0.1Zr合金微观组织的SEM照片Fig.1 SEM images of the microstructure in Cu-15Cr-0.1Zr alloy

图2为Cu-15Cr-0.1Zr合金中Cr相在应变量为3.79和6.43时的SEM照片。对比图2（a）和图2（b）发现，应变量增大后，Cr相横截面方向厚度减小，卷曲加剧，这是由于面心立方晶体结构的Cu和体心立方晶体结构的Cr的滑移系不同，开动滑移系所需应力大小也不同[10]，因此，拉拔变形过程中，Cr相为了保持与Cu相的变形相协调，使得Cr相的变形受到约束而发生卷曲，并且应变越大，卷曲越强烈。

2.2 中间热处理对电导率的影响

Cu基体决定了Cu合金的导电性能，但是第二相对电导率有一定影响。Cu基合金的电导率ρ由以下四部分组成[11]：

式中：ρint为界面散射电阻；ρimp为杂质散射电阻；ρdis为缺陷散射电阻；ρpho为声子散射电阻。

图2 Cu-15Cr-0.1Zr合金不同应变下微观组织的SEM照片Fig. 2 SEM images of the microstructure in Cu-15Cr-0.1Zr alloy under different conditions

中间退火不仅有利于后续的拉拔变形，而且能够有效地促进Cu基体中Cr的析出，从而提高Cu-15Cr-0.1Zr合金的电导率。

图3为中间退火对Cu-15Cr-0.1Zr合金电导率的影响曲线。在η=3.79时，对Cu-15Cr-0.1Zr合金进行第一次中间退火，退火后合金的电导率比退火前大幅度提高，并且中间退火温度越高，电导率越高。Cu-15Cr-0.1Zr合金的电导率经450和500 ℃中间退火后从39 %IACS分别升高到70和75 %IACS。这是由于在退火过程中，过饱和固溶体发生了调幅分解，产生的纳米沉淀Cr广泛地分布在Cu基体和Cu/Cr纤维界面处（如图4所示），并且随着退火温度的升高，沉淀析出相增加，溶质散射电阻急剧减小[12]，同时回复和再结晶消除了一部分位错、空穴等缺陷，也有利于合金电导率的提高。

在η=4.81时对Cu-15Cr-0.1Zr合金进行第二次中间退火，经过450和500 ℃退火的试验合金的电导率仍有大幅度提高。当η=6.43时，未进行第三次中间退火的试验合金的电导率略有下，经过第三次中间退火的试验合金的电导率有所升高。如图2（b）和图3所示，大变形后Cu/Cr界面密度急剧增加。Deng等[13]研究Cu-Nb合金时发现，界面密度急剧增加，界面散射增强，Cu合金的电导率急剧下降。然而如图3所示，在Cu-15Cr-0.1Zr合金由η=3.79拉拔到η=6.43时，电导率并没有明显下降，这可能是由于中间退火能明显消除Cu，Cr互溶[6-7]所引起的界面散射电阻对材料导电性能的影响，保持材料的电导率基本不变。

图3 Cu-15Cr-0.1Zr合金电导率和界面面积随应变的变化趋势Fig. 3 Variation trends of electrical conductivity and interface area in Cu-15Cr-0.1Zr alloy with the changes of strain

2.3 中间热处理对抗拉强度的影响

如图5（a）所示，中间退火导致Cu基体发生回复和再结晶，然而如图5（b）所示，第一次退火时强度略有提高，这是由于中间退火过程中过Cr饱和固溶体的条幅分解，形成纳米沉淀Cr（如图4所示），引起的沉淀强化，抵消了回复和再结晶所减弱的强度。第二次退火时，抗拉强度均不同程度下降，并且温度越高，下降的越多. 这是因为进行第二次退火时，Cr相纳米沉淀已经基本析出，沉淀强化效果小于加工硬化减弱对材料强度的影响，并且温度越高加工硬化减弱越严重。如图 5（b）所示，500 ℃—450 ℃—450 ℃退火工艺时，Cu-15Cr-0.1Zr合金的抗拉强度高于450 ℃—450 ℃—450 ℃退火工艺时的抗拉强度。这是因为500 ℃退火能够促进更多的纳米沉淀析出，析出的纳米沉淀起到强烈的沉淀强化作用，而在后续的拉拔过程中，再次加工硬化提高了Cu-15Cr-0.1Zr合金的抗拉强度。结合中间退火工艺对试验合金导电率的影响，首次退火应采用较高的温度，使Cr充分析出，以保证Cu-15Cr-0.1Zr合金具有较高的导电性，后续退火温度应采用较低的温度使加工硬化得到最大程度的积累以保证Cu-15Cr-0.1Zr合金具有较高的极限抗拉强度。

图4 Cu-15Cr-0.1Zr合金的TEM明场相图片Fig. 4 TEM bright field images of the Cu-15Cr-0.1Zr alloy

3 结 论

（1）第一次中间退火使Cu-Cr-Zr合金电导率大幅度上升的原因是Cr在Cu中的固溶体发生调幅分解，形成纳米沉淀析出，大大减少了杂质散射电阻；同样的形变量下，中间退火温度越高，电导率越好。

（2）高温退火有利于提高电导率，低温退火有利于加工硬化的积累，因此第一次中间退火温度应采用500 ℃，后续的中间退火应采用450 ℃。