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热处理对Cu-Cr合金接头铸件性能的影响

  Cu-Cr合金接头铸件是为国内某厂生产大型发电机组配套的主要部件，其技术要求难度高，力学性能和导电性能应符合美国西屋电气公司标准和ASTM　E272的要求，化学成分：0.4%～1．2%Cr，余量Cu，杂质Pb≯0．015%，P≯0．04%，杂质总量≯0.15%；力学性能：σb≥207MPa，σ0．2≥138MPa，δ5≥10%，硬度≥70HB；相对导电率：IACS≥80%。经过对该铸件的热处理试验，完全满足了用户的要求，为其国产化提供了一个有效的途径。

2　试验材料和试验方法

Cu-Cr合金接头铸件所采用的炉料是电解铜Cu-2和金属铬Cr-1。采用中频感应电炉熔炼，箱式电阻炉热处理。拉伸试样和导电率试块均采用砂型铸出；前者按GB　228的规定加工成直径(d0)为10mm的短比例试样，后者根据室温电阻测试装置的要求加工成120mm×6mm×5mm的试块。
Cu-Cr合金接头铸件的熔铸工艺为：先加入电解铜和覆盖剂，待电解铜完全熔化达到一定温度后再将铬以纯金属的形式(颗粒状)直接加入到铜液中，保温一段时间，铜液达到1300～1350℃时出炉浇注。

3　试验结果与分析

3.1　铬在合金接头铸件中的作用

从铜铬二元相图可知，铬在铜中的最大固溶度在1076.2℃时可达0.7%，在450℃时为0.04%。这说明，固溶度随温度下降而减少，而其减少得越多，淬火后所获得的固溶体过饱和程度就越大，时效强化的效果也就越显著。因此，在铜基体中加入少量铬对铜起到固溶强化作用，铸件的强度显著提高。但由于铬固溶于铜基体中会造成严重的晶格畸变，使铸件导电性能恶化。时效处理后，过饱和固溶体得以分解，铬从固溶体中大部分析出，形成弥散分布的沉淀物，产生时效硬化，同时仍有微量铬固溶于铜基体中形成固溶强化。由于铬大部分析出，从而使铸件的导电性能得到大幅度提高。这也就是Cu-Cr合金铸件不仅具有高强度同时也具有高导电性的根本原因[1]。

3.2　Cr含量对铸件性能的影响

试验表明，过高或过低的Cr含量对铸件的性能都是不利的。当Cr在Cu中的固溶量超过某一数值时，再增加Cr含量，强度就不再提高，导电性能反而下降。当加入Cr含量太低时，导电性能虽然没有什么损失，但肯定达不到应有的强化效果。

Cr含量对Cu-Cr合金铸件性能的影响见图1。

   图1　Cr含量Cu-Cr合金对铸件性能的影响
             1.导电率2.抗拉强度 模

从图1中可以看出，为使铸件获得良好的综合性能，Cr含量控制在0.4%～1．0%的范围内为宜。

3.3　固溶温度对铸件强度和导电性能的影响

Cu-Cr合金接头铸件的热处理工艺包括固溶和时效这两个环节，其性能的好坏主要取决于合金基体中铬粒子析出物的大小和分布。提高固溶温度，延长保温时间，虽然可增加铬在铜基体中的固溶量，使基体金属位错密度增大，同时发生晶格畸变，从而使铸件的强度得到提高。但过高的温度和时间将造成合金晶粒粗大，铬粒子聚集在晶界，产生过烧现象。而过烧铸件在随后的加工过程中易产生裂纹，并增大铸件表面脱落层和氧化损耗，从而降低铸件的强度和导电性。相反，如果固溶温度过低，保温时间过短，则铬在铜基体中的固溶过程不充分，固溶量就过少，且成分不均匀，在随后的时效过程中还容易产生不连续脱溶，从而也会降低铸件的强度和导电性[2]。

将同一条件下的铸坯分别在920～1000℃保温1h，每隔20℃进行固溶处理，然后水淬，再经480℃保温1h，然后随炉冷却，加工成试样(块)后测得的性能如图2、图3。

             图2　固溶温度对Cu-Cr合金铸件强度和伸长率的影响
               1．抗拉强度2．屈服强度3．伸长率

              图3　固溶温度对Cu-Cr合金铸件导电率和硬度的影响
                1．导电率　2．硬度

从图2和图3可知，随着固溶温度的提高，铸件的力学性能和导电性也随之提高，但达到一定温度时，两者会随之下降。因此，固溶温度选择的原则，是在不产生过烧的前提下尽量高一些，使铬尽可能多地固溶于基体中，使其固溶量达到最大值。试验证明，Cu-Cr合金接头铸件的固溶温度以980～1000℃保温1h为宜。

3.4　时效温度和时间对铸件强度和导电性能的影响

Cu-Cr合金是兼有固溶强化加时效硬化，即析出强化型合金，时效时有铬粒子析出且呈均匀细密分布。时效效果，取决于合金成分、固溶体特性、时效温度和时间、过饱和度、析出过程特性和强化相结构等。对同一成分的过饱和固溶体来说，时效温度和保温时间是影响时效效果的主要因素。

将同一条件下的铸坯，采用不同温度而时间相同或相同温度而时间不同进行时效，然后随炉冷却，加工成试样(块)后测得的性能见表1、表2。

表1　时效温度不同而时间相同时对铸件性能的影响

表2　时效温度相同而时间不同时对铸件性能的影响

从表1和表2可以看出，当时效温度不同而时效时间相同时对铸件各种性能的影响较为显著。反之，当时效温度相同而时效时间不同时除对铸件的力学性能影响稍大外，对导电性能的影响却不明显，相差最多不过1%。试验证明，Cu-Cr合金接头铸件的时效温度和时间以480℃×1h为宜。

4　结论

(1)　试验证明，Cu-Cr合金接头铸件的Cr含量以0.4%～1．0%为宜。
(2)　Cu-Cr合金接头铸件的最佳热处理工艺是980℃保温1h，然后水淬，再在480℃保温1h，随炉冷却。
(3)　在上述两种条件下，该铸件的综合性能均可远远满足美国西屋电气公司的标准和ASTM　E272的要求。
(4)　从该铸件装机运行试验表明，Cu-Cr合金是一种力学性能好且导电性优异的铜基材料，在机电行业中前景看好，值得推广。