时效处理与加工量对连续挤压Cu-Cr-Zr合金性能的影响

何剑辉

(中铜（昆明）铜业有限公司，云南 昆明 650102）

Cu-Cr-Zr合金是一种具有优异综合力学性能和物理性能的功能结构材料[1]，广泛应用于制备电阻焊电极、电缆连接器、点焊机端子器件、集成电路引线框架、高速电气化铁路用接触网导线以及真空开关触头等高强高导材料[2-3]，其主要由Cr、Zr在Cu基体中产生固溶、析出强化[4]效果使材料具备高强、高导的综合性能，因此热处理Cu-Cr-Zr合金最终的性能起着至关重要的作用。近年来，有关热处理工艺对

Cu-Cr-Zr合金的性能的影响研究较多，大部分都是真空条件下获得样品，然后再进行固溶、形变及时效等特性进行研究[5-8]，也有部分科研单位开展了非真空Cu-Cr-Zr合金的熔铸工艺研究，部分工厂开展了Cu-Cr-Zr合金线杆“非真空连铸+连续挤压”产业化生产工艺研究，如：非真空上引连铸生产Cu-Cr-Zr合金线杆工艺研究[9]、连续挤压对Cu-Cr-Zr合金线杆性能的影响研究[10]。这些研究为非真空上引连铸+连续挤压工艺产业化生产Cu-Cr-Zr合金线材提高宝贵的数据和经验，但是对于经连续挤压后的Cu-Cr-Zr合金线杆热处理及冷加工工艺研究还比较少见。

本文结合相关文献资料及工厂近年来在Cu-Cr-Zr合金非真空上引连铸及连续挤压工艺研究成果，专门以工厂现有生产设备及工艺条件为基础，针对采用非真空上引连铸+连续挤压工艺试制出的Cu-Cr-Zr合金线杆后续热处理及冷加工工艺进行系统研究，从而为真正实现Cu-Cr-Zr合金线材非真空上引连铸生产技术的产业化推广应用提供一些参考经验和支撑数据。

1 试验设备及试验方法

1.1 主要试验设备

试验所采用的Cu-Cr-Zr合金线杆减径设备名称为重型拉拔机，规格型号为SBB4T-100，该设备从意大利SICTRA公司引进，可将直径为22mm的铜及铜合金圆线杆减径至9～19mm，还可以用于生产各种规格型号的电气化铁路用铜及铜合金接触线，产能8000吨/年。用于测量线杆的抗拉强度设备名称为电液式万能试验机，型号为WA-300。用于测量线杆的导电率设备名称为双臂电桥电阻测试仪，型号为QJ36。HRB硬度测量设备名称为洛氏硬度计，型号为MRD-600TS。时效设备为利用车间熔铜用中频炉改造而成。软化处理设备为电热恒温干燥箱，型号为KSW-8-10。

1.2 试验方法

1.2.1 试验材料

试验材料为成卷的连续挤压后Cu-Cr-Zr合金线杆，如图1所示，总重量3吨，直径为22mm，主要性能指标为：抗拉强度为342MPa、HRB硬度为69、导电率60%IACS。铜合金杆的主要合金元素含量为：Cr4800ppm、Zr370ppm。

图1 连续挤压后的Cu-Cr-Zr合金圆线杆

1.2.2 试验方案

试验研究分为两部分内容：第一部分内容为，摸索不同的时效温度对“连续挤压+冷加工”的Cu-Cr-Zr合金线杆抗拉强度、导电率及HRB硬度的影响；第二部分内容为，探索时效后的连续挤压Cu-Cr-Zr合金杆在经不同程度的冷加工后，其导电率、抗拉强度及HRB硬度变化情况。

具体方法为：先将Ø22mmCu-Cr-Zr合金连续挤压杆采用重型拉拔机减径至18mm，再将减径后的线杆分别在360℃、390℃、420℃、450℃、480℃时效4小时，最后对得到的试样进行抗拉强度、HRB硬度及导电率性能指标检测分析；采用时效试验得到的最佳时效工艺，对Ø22mmCu-Cr-Zr合金连续挤压杆进行时效处理，然后依次将其减径至20mm、18mm、16mm、13mm、9mm，再分别取样检测其相应的软化前HRB硬度、软化后HRB硬度、软化前的抗拉强度及软化前导电率。最后对时效后再减径至直径为13mm线杆的样品行金相分析。软化试验工艺为：电热恒温干燥箱炉内550℃保温2小时，然后炉内缓冷。

2 试验结果

2.1 时效试验结果

直径Ø22mm的Cu-Cr-Zr连续挤压杆减径至Ø18mm后在不同温度时效得到的相应抗拉强度、HRB硬度及导电率指标情况如图2、图3所示。总体上看，相对于连续挤压状态Cu-Cr-Zr合金杆，经减径时效后，线杆的相应指标都大幅度提高，尤其是导电率，其最小值（70%IACS）都远远高于连续挤压杆的导电率（60%IACS）。

从图2可以看出，时效温度对线杆的抗拉强度的影响较大，随着时效温度的提高，相应抗拉强度先是逐渐增加，在420℃时抗拉强度达到最大值（506MPa），而后抗拉强度逐渐减小；从图3可以看出，时效温度对于线杆的导电率和HRB硬度也有较大的影响，导电率随着时效温度的升高而增加，但HRB硬度先逐渐提高后逐渐降低，在420℃时HRB硬度达到最高值（77）。由此可见，420℃为最佳时效温度，在此温度条件可以同时得到最高的抗拉强度和最高的HRB硬度,其相应的导电率为86%IACS。

图2 时效温度对抗拉强度的影响

图3 时效温度对HRB硬度和导电率的影响

2.2 加工量对时效后的线杆性能影响试验结果

将直径Ø22连续挤压态Cu-Cr-Zr合金线杆时效后，依次减径后得到的相应软化前HRB硬度、软化后HRB硬度、软化前抗拉强度及软化前导电率情况如图4、图5所示。从图4中可以看出，时效后的Cu-Cr-Zr合金杆的加工量对软化后的HRB硬度影响非常小，随着加工量的增加，软化后的HRB硬度基本保持73左右。而软化前的HRB硬度则随着线杆的直径逐步减小（加工量逐步增大）而逐渐增大；从图5可以看出，时效后的Cu-Cr-Zr合金线杆的加工量变化对软化前导电率影响也比较小，随着加工量的增大，导电率基本保持在80.2%IACS～82.3%IACS范围内，变化量较小。而软化前的抗拉强度则随着加工量的增大而增加。

图4 加工量对时效后线杆HRB硬度的影响

图5 加工量对时效后线杆抗拉强度和导电率的影响

2.3 时效后Cu-Cr-Zr合金线杆金相组织分析

Ø22mmCu-Cr-Zr连续挤压杆经减径至Ø18mm，然后420℃保温4小时时效处理，最后再将时效后的线杆减径至直径13mm，取样进行显微组织结构分析，结果为：图6为横截面金相照片，图7为纵截面的金相相照片。整体上看，组织致密，无缺陷。图6中呈颗粒状或链状分布的组织为时效过程中析出的富Cr相，颗粒大小为1～5μm，白色区域为Cu基体，在其内的分布着长条状CuZr相。从图7中可以看出，经过拉拔后，析出的Cr相和CuZr相沿着减径拉拔方向被拉长，被纤维化，形成细长的纤维组织。

图6 时效后再减径的Cu-Cr-Zr合金杆横截面金相组织

图7 时效后再减径的Cu-Cr-Zr合金杆纵向截面金相组织

3 结果讨论

采用“非真空上引连铸+连续挤压+冷加工+时效处理”工艺生产的Cu-Cr-Zr合金线杆，主要利用了固溶强化、时效强化及加工硬化的效果。连续挤压Cu-Cr-Zr过程较为特殊，有别于纯铜及其他合金的连续挤压过程，其同时产生了铸态柱状晶粒破碎细化、加工硬化、固溶及时效作用，因此挤压态的Cu-Cr-Zr线杆后续的加工硬化及热处理工艺所产生的对材料性能的影响也相应的有所不同。

3.1 挤压态Cu-Cr-Zr合金线杆时效温度对性能影响分析

Cu-Cr-Zr合金线杆经连续挤压和拉拔减径后，形成的固溶体极不稳定，将其加热到一定的温度，Cr、Zr从饱和固溶体中大量分解和析出，形成强化相弥散分布于Cu基体中，其能有效地阻止位错和晶界的移动，从而极大地提高线杆的强度和硬度。在较低的温度范围内，随着时效温度的升高，析出的强化相（单质Cr相和CuZr相）逐渐增加，从而导致合金抗拉强度和硬度上升，在时效过程中，在强化相析出的同时，Cr颗粒存在再结晶长大的现象，温度越高长大速度就越大，导致合金杆的强度降低。在较低的温度范围内，析出强化效果起主导作用，因此，合金杆表现出强度和硬度持续升高；当温度超过临界值时，析出相的再结晶长大弱化强度效果起主导作用，随着温度的持续升高，合金杆的强度硬度反而逐渐降低。从图2、图3可以看出，合金杆在温度420℃条件下，抗拉强度和硬度达到峰值。

若继续升高温度，析出相继续长大，但由于CuZr相的抑制的作用，析出的Cr长大到一定程度，就不再长大，使相应的合金杆硬度、强度保持在一定的稳定范围，从而体现出了Cu-Cr-Zr合金材料的高温强度较高的优点。Zr的含量越高，其抑制作用就越大，其高温强度越好。Cu-Cr-Zr软化过程中（温度为500℃），析出的Cr相已到达最大值，其硬度值达到最低值，且保持较为稳定状态。因此，也可以看出，Cu-Cr-Zr合金线杆最终软化后的硬度值，取决于合金元素的含量，含量越高，软化后的硬度值就越大。

合金元素对铜合金导电性的影响主要是固溶于铜基体中的合金元素引起铜合金中Cu基体晶体发生畸变而增加对电子的散射作用从而使导电率下降。在时效过程中，固溶在Cu基体的中的Cr、Zr逐渐析出，形成单质的强化相和化合物强化相。随着时效温度逐渐提高，虽然析出的单质Cr相逐渐长大而导致合金杆的强度硬度降低，但是在低于固溶温度情况下，其析出过程就一直存在，Cu基体的晶格畸变程度就逐渐变小，从而使其导电率逐步提高。

3.2 时效后的Cu-Cr-Zr合金线杆不同加工率对性能影响分析

在减径过程中，发生了加工硬化，加工量越大，硬化效果越明显，因此随着减径量增大，合金线杆的软化前硬度和强度逐步提高。经过软化后，加工硬化效果被完全消除，合金线杆的硬度和强度完全由其合金元素的含量所决定，无论加工量如何变化，其软化后的硬度和强度基本保持稳定。

一般情况，加工硬化后，由于晶格发生畸变，产生的大量位错，导致晶格对于电子的散射作用增强，从而使材料的导电性能在一定程度上降低。但是，时效后Cu-Cr-Zr合金经大变形拉拔减径，在拉拔方向，析出的Cr相、CuZr相及Cu基体被拉长，全部纤维化，这样导致界面的密度在一定程度上减少，导致位错密度降低，减少了位错对于导电性的影响，即降低了加工硬化对于导电性的影响。另外，采用非真空上引连铸工艺批量生产Cu-Cr-Zr合金线杆，很难将合金元素Cr、Zr含量精确控制到某一值，只能控制其在一定的允许范围内波动，从而导致生产出的线杆的导电性发生小幅度波动。由于以上两个因素的综合作用，出现了图5中减径后的Cu-Cr-Zr合金线杆导电率与加工率的特殊关系。

4 结论

通过一系列试验，得到了挤压态Cu-Cr-Zr合金线杆的时效温度对合金杆的强度、硬度和导电率的影响规律，确定了最佳的时效工艺，并且掌握了时效后的Cu-Cr-Zr合金线杆的加工量对于其强度、硬度及导电率的影响规律，为指导批量生产Cu-Cr-Zr合金线杆提供了数据支撑。

（1）在时效温度小于420℃时，随着温度的提高，Cu-Cr-Zr合金杆的硬度和抗拉强度逐渐提高；当时效温度大于420℃时，随着温度的提高，Cu-Cr-Zr合金杆的硬度和抗拉强度逐渐降低。时效温度420℃、时效时间4小时为最佳的时效工艺。

（2）随着时效温度的提高，时效后的Cu-Cr-Zr合金线杆导电率逐步增加；

（3）时效后的Cu-Cr-Zr合金线杆，随着其加工量的增加，相应的软化前HRB硬度逐步提高，软化后的HRB硬度基本保持稳定，其大小取决于合金元素Cr、Zr含量的大小；

（4）时效后的Cu-Cr-Zr合金线杆，随着加工量的增加，其软化前抗拉强度逐渐增加，而其软化前的导电率基本保持不变。