白 寧，張彥敏，羅 鈞，王海艷，宋克興

（1.河南科技大學(xué)a.材料科學(xué)與工程學(xué)院；b.河南省有色金屬材料科學(xué)與加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南洛陽(yáng)471023；2.廣州銅材廠有限公司，廣東廣州510990；3.廣東省工業(yè)技術(shù)研究院金屬加工與成型技術(shù)研究所，廣東廣州510650）

0 引言

Cu-Cr-Zr合金綜合性能優(yōu)良，是典型的析出強(qiáng)化型銅合金，冷變形、固溶時(shí)效工藝對(duì)材料的微觀組織及力學(xué)性能有很大的影響，為此，材料工作者對(duì)其處理工藝及作用機(jī)理展開(kāi)了許多研究［1－4］，研究結(jié)果表明：Cr和Zr的加入，形成了納米級(jí)的彌散強(qiáng)化相，對(duì)合金的強(qiáng)度和導(dǎo)電性產(chǎn)生重要影響［5－6］。Cu-Cr-Zr合金廣泛應(yīng)用于各種電焊電極、集成電路的引線框架、電力火車(chē)空架導(dǎo)線、電氣工程開(kāi)關(guān)的觸頭等環(huán)境中，除了對(duì)合金的導(dǎo)電性有較高要求外，對(duì)合金的力學(xué)性能也有較高要求。高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金服役條件越來(lái)越苛刻，對(duì)合金力學(xué)性能的要求也越來(lái)越高。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于電流對(duì)合金的熱處理和組織性能有一些研究。文獻(xiàn)［7－8］研究發(fā)現(xiàn)：直流電流能夠促進(jìn)Cu-0.86Cr合金的時(shí)效析出，使合金時(shí)效后導(dǎo)電率和抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值所需的時(shí)效時(shí)間較短。文獻(xiàn)［9］研究發(fā)現(xiàn)：直流電流可以促進(jìn)冷變形α-Ti的再結(jié)晶速率，并獲得了尺寸較小的再結(jié)晶晶粒。文獻(xiàn)［10］發(fā)現(xiàn)：電脈沖促進(jìn)冷變形銅在等溫退火過(guò)程中回復(fù)和再結(jié)晶。文獻(xiàn)［11－12］研究發(fā)現(xiàn)：直流電流促進(jìn)Cu-Cr-Zr合金中Cr的析出，直流電流下時(shí)效較無(wú)電流情況可獲得較高的硬度。由此可知：電流會(huì)影響合金的時(shí)效熱處理，進(jìn)而影響合金的性能。但電流對(duì)合金時(shí)效性能的影響機(jī)理的解釋尚未達(dá)成統(tǒng)一。本文以Cu-0.33Cr-0.06Zr合金為研究對(duì)象，研究固溶＋冷變形＋不同電流密度直流電流下時(shí)效工藝對(duì)材料的力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為Cu-0.33Cr-0.06Zr合金φ7 mm拉拔態(tài)棒材，截取φ7 mm×300 mm進(jìn)行固溶、冷變形和直流電流下時(shí)效處理。試樣在KSS-1200℃真空氣氛管式爐內(nèi)加熱至990℃，保溫1 h后水淬；然后進(jìn)行變形量為80%的多道次冷拉拔變形，再截取成φ3 mm×300 mm的試樣。

直流電流下時(shí)效試驗(yàn)是在改造的KSS-1200℃真空氣氛管式爐內(nèi)進(jìn)行的，裝置如圖1所示，時(shí)效溫度為450℃，時(shí)效時(shí)間分別為0.25 h、0.50 h、1.00 h、2.00 h、4.00 h、6.00 h。為比較不同電流密度的直流電流對(duì)合金時(shí)效后導(dǎo)電性能的影響，試樣分別施加0 Acm－2、100 Acm－2、200 Acm－2、300 Acm－2和400 Acm－2的直流電流；時(shí)效過(guò)程通入氬氣進(jìn)行保護(hù)；為更好對(duì)比不同時(shí)效工藝的差別，時(shí)效完成后水冷。選取試樣的橫截面，采用HV-1000型數(shù)顯顯微硬度計(jì)測(cè)量顯微硬度，載荷為1 N，加載時(shí)間為5 s，每個(gè)試樣測(cè)量不少于6次，誤差控制在5%以?xún)?nèi)。顯微組織觀察在JEM-2100型高分辨透射電鏡上進(jìn)行。

圖1 電流下時(shí)效處理裝置示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 合金顯微硬度變化趨勢(shì)

圖2是450℃下時(shí)效Cu-0.33Cr-0.06Zr合金顯微硬度隨時(shí)效時(shí)間變化曲線，由圖2可以看出：隨著時(shí)效時(shí)間的增加，合金的硬度先迅速升高，再緩慢下降；電流下時(shí)效時(shí)，電流密度越大，合金到達(dá)硬度峰值的時(shí)間越短，合金在電流密度為400 Acm－2下時(shí)效0.25 h就到達(dá)峰值227HV，而且峰值要高于無(wú)電流下時(shí)效的206HV。而300 Acm－2的峰值反而比200 Acm－2的低，說(shuō)明電流密度對(duì)合金時(shí)效硬度峰值的影響并不是線性關(guān)系。時(shí)效時(shí)間為2.00 h和4.00 h時(shí)，除100 Acm－2外，無(wú)電流時(shí)效的硬度均大于有電流時(shí)效。時(shí)效時(shí)間為6 h時(shí)，無(wú)電流時(shí)效的硬度均大于有電流時(shí)效。時(shí)效過(guò)程中，初期固溶原子先聚集形核形成細(xì)小彌散的析出相，合金硬度顯著提高，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，析出相聚集長(zhǎng)大，合金的硬度也隨之降低。較大密度的直流電流會(huì)加速時(shí)效初期析出相的析出速度，所以能顯著提高合金的硬度；同時(shí)也會(huì)促進(jìn)后期析出相的粗化，所以大電流密度時(shí)效的合金后期的硬度低于無(wú)電流時(shí)效。

圖3是450℃下時(shí)效Cu-0.33Cr-0.06Zr合金顯微硬度隨電流密度變化曲線，由圖3可以看出：時(shí)效初期（0.25 h），較大電流密度的直流電流能大大提高合金的硬度，特別是電流密度為400 Acm－2時(shí)；除4.00 h、100 Acm－2參數(shù)外，時(shí)效后期（4.00 h，6.00 h）合金的硬度隨電流密度的增大而呈降低的趨勢(shì)。

圖2 合金顯微硬度隨時(shí)間變化曲線

圖3 合金顯微硬度隨電流密度變化曲線

2.2 合金顯微組織及析出相分析

圖4a是Cu-0.33Cr-0.06Zr合金時(shí)效之前經(jīng)過(guò)固溶＋冷變形處理的微觀照片，由圖4a可以看出：晶內(nèi)無(wú)明顯未溶相，溶質(zhì)元素已基本完全固溶進(jìn)銅基體。圖4a中還可以看到大量的位錯(cuò)纏結(jié)（如圖4a中的黑色區(qū)域），大冷變形產(chǎn)生的位錯(cuò)纏結(jié)是合金硬度提高的主要原因之一。時(shí)效前期合金處于過(guò)飽和狀態(tài)，固溶元素析出動(dòng)力大，直流電流產(chǎn)生的焦耳熱及電子風(fēng)力［11］的影響，加速了固溶元素的析出，彌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。圖4b是合金在450℃無(wú)電流下時(shí)效1.00 h的析出相形貌，由圖4b可以看到大量納米級(jí)彌散分布的析出相，細(xì)小彌散分布的析出相是合金硬度提高的另一個(gè)原因。時(shí)效后期，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)析出相粗化，較大密度的直流電流產(chǎn)生的焦耳熱及電子風(fēng)力的影響會(huì)使合金發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶，位錯(cuò)密度的降低會(huì)降低合金的硬度。圖4c是合金在450℃電流密度為400 Acm－2下時(shí)效4.00 h的析出相形貌，從圖4c中可以看到位錯(cuò)向晶界聚集的明顯的回復(fù)及再結(jié)晶特征，析出相略大于圖4b。

圖4 合金在450℃下的析出相形貌

3 結(jié)論

（1）Cu-0.33Cr-0.06Zr合金在450℃下時(shí)效，合金的硬度先迅速升高，再緩慢下降；電流密度越大，合金到達(dá)硬度峰值的時(shí)間越短，合金在電流密度為400 Acm－2下時(shí)效0.25 h就到達(dá)峰值227HV，高于無(wú)電流下時(shí)效峰值206HV。大密度的直流電流在時(shí)效初期能大大提高合金的硬度，時(shí)效后期則會(huì)降低合金的硬度。

（2）Cu-0.33Cr-0.06Zr合金固溶后，經(jīng)大冷變形產(chǎn)生的位錯(cuò)纏結(jié)和經(jīng)時(shí)效產(chǎn)生的納米級(jí)彌散分布的析出相是合金硬度提高的主要原因。時(shí)效后期，大密度的直流電流會(huì)使合金發(fā)生回復(fù)及再結(jié)晶，使合金的硬度進(jìn)一步降低。

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