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熱處理對Cu-Cr合金接頭鑄件性能的影響

  Cu-Cr合金接頭鑄件是為國內某廠生產大型發(fā)電機組配套的主要部件，其技術要求難度高，力學性能和導電性能應符合美國西屋電氣公司標準和ASTM　E272的要求，化學成分：0.4%～1．2%Cr，余量Cu，雜質Pb≯0．015%，P≯0．04%，雜質總量≯0.15%；力學性能：σb≥207MPa，σ0．2≥138MPa，δ5≥10%，硬度≥70HB；相對導電率：IACS≥80%。經過對該鑄件的熱處理試驗，完全滿足了用戶的要求，為其國產化提供了一個有效的途徑。

2　試驗材料和試驗方法

Cu-Cr合金接頭鑄件所采用的爐料是電解銅Cu-2和金屬鉻Cr-1。采用中頻感應電爐熔煉，箱式電阻爐熱處理。拉伸試樣和導電率試塊均采用砂型鑄出；前者按GB　228的規(guī)定加工成直徑(d0)為10mm的短比例試樣，后者根據(jù)室溫電阻測試裝置的要求加工成120mm×6mm×5mm的試塊。
Cu-Cr合金接頭鑄件的熔鑄工藝為：先加入電解銅和覆蓋劑，待電解銅完全熔化達到一定溫度后再將鉻以純金屬的形式(顆粒狀)直接加入到銅液中，保溫一段時間，銅液達到1300～1350℃時出爐澆注。

3　試驗結果與分析

3.1　鉻在合金接頭鑄件中的作用

從銅鉻二元相圖可知，鉻在銅中的最大固溶度在1076.2℃時可達0.7%，在450℃時為0.04%。這說明，固溶度隨溫度下降而減少，而其減少得越多，淬火后所獲得的固溶體過飽和程度就越大，時效強化的效果也就越顯著。因此，在銅基體中加入少量鉻對銅起到固溶強化作用，鑄件的強度顯著提高。但由于鉻固溶于銅基體中會造成嚴重的晶格畸變，使鑄件導電性能惡化。時效處理后，過飽和固溶體得以分解，鉻從固溶體中大部分析出，形成彌散分布的沉淀物，產生時效硬化，同時仍有微量鉻固溶于銅基體中形成固溶強化。由于鉻大部分析出，從而使鑄件的導電性能得到大幅度提高。這也就是Cu-Cr合金鑄件不僅具有高強度同時也具有高導電性的根本原因[1]。

3.2　Cr含量對鑄件性能的影響

試驗表明，過高或過低的Cr含量對鑄件的性能都是不利的。當Cr在Cu中的固溶量超過某一數(shù)值時，再增加Cr含量，強度就不再提高，導電性能反而下降。當加入Cr含量太低時，導電性能雖然沒有什么損失，但肯定達不到應有的強化效果。

Cr含量對Cu-Cr合金鑄件性能的影響見圖1。

   圖1　Cr含量Cu-Cr合金對鑄件性能的影響
             1.導電率2.抗拉強度 模

從圖1中可以看出，為使鑄件獲得良好的綜合性能，Cr含量控制在0.4%～1．0%的范圍內為宜。

3.3　固溶溫度對鑄件強度和導電性能的影響

Cu-Cr合金接頭鑄件的熱處理工藝包括固溶和時效這兩個環(huán)節(jié)，其性能的好壞主要取決于合金基體中鉻粒子析出物的大小和分布。提高固溶溫度，延長保溫時間，雖然可增加鉻在銅基體中的固溶量，使基體金屬位錯密度增大，同時發(fā)生晶格畸變，從而使鑄件的強度得到提高。但過高的溫度和時間將造成合金晶粒粗大，鉻粒子聚集在晶界，產生過燒現(xiàn)象。而過燒鑄件在隨后的加工過程中易產生裂紋，并增大鑄件表面脫落層和氧化損耗，從而降低鑄件的強度和導電性。相反，如果固溶溫度過低，保溫時間過短，則鉻在銅基體中的固溶過程不充分，固溶量就過少，且成分不均勻，在隨后的時效過程中還容易產生不連續(xù)脫溶，從而也會降低鑄件的強度和導電性[2]。

將同一條件下的鑄坯分別在920～1000℃保溫1h，每隔20℃進行固溶處理，然后水淬，再經480℃保溫1h，然后隨爐冷卻，加工成試樣(塊)后測得的性能如圖2、圖3。

             圖2　固溶溫度對Cu-Cr合金鑄件強度和伸長率的影響
               1．抗拉強度2．屈服強度3．伸長率

              圖3　固溶溫度對Cu-Cr合金鑄件導電率和硬度的影響
                1．導電率　2．硬度

從圖2和圖3可知，隨著固溶溫度的提高，鑄件的力學性能和導電性也隨之提高，但達到一定溫度時，兩者會隨之下降。因此，固溶溫度選擇的原則，是在不產生過燒的前提下盡量高一些，使鉻盡可能多地固溶于基體中，使其固溶量達到最大值。試驗證明，Cu-Cr合金接頭鑄件的固溶溫度以980～1000℃保溫1h為宜。

3.4　時效溫度和時間對鑄件強度和導電性能的影響

Cu-Cr合金是兼有固溶強化加時效硬化，即析出強化型合金，時效時有鉻粒子析出且呈均勻細密分布。時效效果，取決于合金成分、固溶體特性、時效溫度和時間、過飽和度、析出過程特性和強化相結構等。對同一成分的過飽和固溶體來說，時效溫度和保溫時間是影響時效效果的主要因素。

將同一條件下的鑄坯，采用不同溫度而時間相同或相同溫度而時間不同進行時效，然后隨爐冷卻，加工成試樣(塊)后測得的性能見表1、表2。

表1　時效溫度不同而時間相同時對鑄件性能的影響

表2　時效溫度相同而時間不同時對鑄件性能的影響

從表1和表2可以看出，當時效溫度不同而時效時間相同時對鑄件各種性能的影響較為顯著。反之，當時效溫度相同而時效時間不同時除對鑄件的力學性能影響稍大外，對導電性能的影響卻不明顯，相差最多不過1%。試驗證明，Cu-Cr合金接頭鑄件的時效溫度和時間以480℃×1h為宜。

4　結論

(1)　試驗證明，Cu-Cr合金接頭鑄件的Cr含量以0.4%～1．0%為宜。
(2)　Cu-Cr合金接頭鑄件的最佳熱處理工藝是980℃保溫1h，然后水淬，再在480℃保溫1h，隨爐冷卻。
(3)　在上述兩種條件下，該鑄件的綜合性能均可遠遠滿足美國西屋電氣公司的標準和ASTM　E272的要求。
(4)　從該鑄件裝機運行試驗表明，Cu-Cr合金是一種力學性能好且導電性優(yōu)異的銅基材料，在機電行業(yè)中前景看好，值得推廣。