DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2002.03.033

CuCr25合金的形变与组织细化

曹辉 冼爱平

  中国科学院金属研究所  

  中国科学院金属研究所 沈阳110016  

摘 要：

研究了熔铸法制备的CuCr2 5合金的形变和热处理过程及在不同的冷轧与热处理制度下合金显微组织的特点。试验结果表明 , 熔铸法制备的CuCr合金具有良好的塑性变形能力 , 冷轧形变量可达 95 %以上。当冷轧形变量达到 70 %以上时 , 合金中第二相Cr开始产生形变 ;形变量达 95 %以上时 , Cr粒子产生大量形变 , 并呈纤维状分布。形变合金在 10 73K退火 1h后 , 纤维状Cr相发生显著细化和球化 , 平均半径小于 10 μm。因而 , 采用合适的形变与热处理方法可以细化合金中的第二相Cr粒子

关键词：

CuCr合金;形变;热处理;显微组织;

中图分类号： TG146.1

收稿日期：2001-07-09

基金：国家自然科学基金资助项目 ( 5 99810 0 5 );

Deformation and microstructure refinement of CuCr25 alloy

Abstract：

The deformation and heat treatment of casting CuCr25 alloy were studied for the finer Cr particles in the microstructure. The characteristics of the alloy under different cold rolling reduction and heat treatment temperature were investigated. The results show that, the plasticity of CuCr25 alloy is excellent. The reduction of the casting alloy can be as high as 95% in cold rolling at room temperature. When the reduction is more than 70%, the second phase Cr particles begin to deform, and when the reduction is up to 95%, Cr particles are deformed heavily and form a fiber morphology. After annealing at 1?073?K for one hour, the fiber of Cr in the microstructure is broken into some short-rod particles, and tend to turn into spherical morphology. The average Cr particle size is less than 10?μm. According to these results, the processing of the deformation and heat treatment for the casting CuCr25 alloy is suggested to obtain a finer Cr phase in the microstructure.

Keyword：

CuCr alloy; deformation; heat treatment; microstructure;

Received： 2001-07-09

CuCr合金由于具有极强的残余气体捕集能力 ^[1] 、 光滑的触头表面质量 ^[2] 等特点, 目前已取代了CuBi合金而成为输配电工程中中压、 大功率真空开关的关键材料 ^[3,4] 。 研究结果表明, CuCr合金的电触头性能主要取决于CuCr合金中第二相Cr的尺寸及分布。 Rieder ^[5] 等对含Cr25%~75%的CuCr合金进行研究发现, 随着Cr平均尺寸的细化, 触头电绝缘强度提高, 截断电流减小。 丁秉均等 ^[6] 研究了CuCr合金显微组织对电击穿机制的影响, 发现电击穿总是发生在介电强度相对较低的Cr相上。 新的触头起始击穿强度较低, 当电击穿次数超过40次后, 击穿强度显著提高, 因而认为这是由于电弧作用使触头表面粗大的Cr相重熔细化引起的。 王亚平 ^[7] 对触头电弧熔蚀机制进行研究后, 发现阴极电弧斑点总是首先在介电强度较低的Cr相上发生, 电弧阴极斑点的尺寸大约为20 μm。 当显微组织中的Cr相尺寸较大时, 阴极斑点相对固定在Cr粒子上, 造成局部的熔化过热和产生熔蚀坑。 当Cr粒子尺寸小于阴极斑点的尺寸时, 阴极斑点将不能固定在触头表面某一固定位置上, 而是随机跳跃, 相应的触头表面局部温度下降, 熔蚀减小。 因此, 减小Cr粒子的尺寸可以有效地提高触头的各种电学性能, 包括耐电压强度, 击穿电压及最大截断电流等。 与粉末冶金等工艺相比, 熔炼法不但可以保证低的气体含量, 同时也大大细化了合金组织中的第二相Cr粒子尺寸 ^[8] 。 然而由于工艺条件的限制, 熔铸法生产的CuCr合金中, Cr粒子尺寸为20 μm左右, 与阴极斑点的尺寸相当。 要进一步减小CuCr合金中的Cr粒子的尺寸, 必须借助于后续的形变和热处理。 为此, 作者拟对其做初步研究。

1 实验方法

CuCr25合金由金昌普股份有限公司提供, 采用低偏析技术的熔炼-铸造法生产, 样品尺寸为d50 mm×7 mm, 化学成分分析表明Cr含量为27.1% (质量分数) 。 合金的形变采用冷轧的方法, 冷轧形变量在51.4%~95%之间变化。 轧制分多次进行, 每次形变量为10%~15%。 熔铸法制备的CuCr合金具有很好的塑性变形能力, 多道冷轧无需中间退火, 冷轧样品的热处理在真空中进行, 炉腔真空度为0.02 Pa, 试样的加热速度为25 ℃/min, 直至设定的加热温度。 保温1 h后, 在真空中炉冷至室温。

2 结果与讨论

铸锭原始显微组织如图1所示。 可见铸锭中第二相Cr粒子为典型的枝晶结构, 在整个基体组织中均匀分布, 枝晶方向随机性分布, 并且分叉较少, 大部分为一次枝晶和二次枝晶, 呈鱼骨状图案。 单个Cr粒子尺寸为10~20 μm左右。 扫描电镜和能谱探针 (EDX) 微区分析结果表明Cu基体中含有2.55%~2.66%Cr。

图1 CuCr25合金的原始组织

Fig.1 Microstructure of as-cast CuCr25 alloy

图2所示为CuCr25合金冷轧后的显微组织。 当合金受到足够的冷变形时, 合金中原始第二相Cr的铸造枝晶组织开始发生形变。 由图2 (a) 可见, 当形变量达到70.8%时, Cr的枝晶组织开始发生破碎, 并且由于合金的塑性流变, 这些Cr粒子沿形变方向呈流线分布。 随着合金形变量进一步加大, 第二相Cr粒子的形变增大, 如图2 (b) 所示, 当形变量达到95%时, 合金中的Cr粒子已高度形变, 呈纤维状分布。 纤维之间互相平行。 从图中还可以发现Cr粒子尺寸越小, 其形变能力也越大, 原始尺寸较大的Cr粒子, 其形变程度反而较小。 同时还发现少量块状Cr, 即使在形变量很大 (>95%) 的情况下, 也几乎未发生形变。 这些块状Cr的来源目前尚不清楚, 其形成机制及对性能的影响有待进一步探讨。

在冷轧过程中发现, CuCr25合金只有变形达到一定程度时, 显微组织中的Cr粒子才会发生形变。 这是由于在这种原位复合材料中Cu与Cr的强度不一致。 在初始的冷轧过程中, Cu的变形抗力较低, 所以Cu优先发生形变; 随着形变的加大, Cu晶粒中产生大量位错而发生强烈的加工硬化, 这种加工硬化效应与在快速凝固时Cu基体中产生的过饱和Cr固溶强化共同发生作用, 引起先变形Cu的强度升高, 当接近Cr的强度时, Cr开始发生塑性变形。

冷轧加工并真空退火后的金相组织见图3。 由图3 (a) 中可见, 真空退火温度较低时, 形变Cr粒子的形貌不变, 退火时只有Cu基体产生回复与再结晶; 当退火温度达到1 073 K时, 形变Cr相发生了显著的细化, 如图3 (b) 所示。 显微组织中冷加工后纤维状的Cr相消失, 代之以第二相Cr粒子呈弥散颗粒状分布, Cr粒子尺寸相差较大, 一部分较大的粒子为一次枝晶退火所得, 另一部分较细小的粒子的来源有2种途径: 一种为退火过程中从过饱和的Cu基体中脱溶沉淀形成, 由于特别细小, 金相显微镜很难分辨; 另一种与冷轧组织中非常细小的纤维断裂有关。 形变量越大, 冷加工组织中形变Cr纤维组织越细, 退火后获得的弥散Cr粒子相应也较细 (见图3 (c) ) 。 此外, 还可以发现, 显微组织中原纤维状的Cr分布的痕迹仍然清晰可辨, 证实这些细小的Cr粒子主要是由于纤维状Cr局部溶解断裂形成的, 由于表面张力引起的曲率效应, 在溶断的纤维终端Cr的溶解速度加快, 从而导致纤维状的Cr逐步球化和细化。 因此, 可以采用形变-退火工艺, 对CuCr合金中的Cr相进行细化, 以提高触头的电学性能。

3 结论

1) 用熔铸法制备的CuCr25合金具有很好的塑性变形能力。 经多次冷轧累计形变量达到95%也无须进行中间退火处理。

2) 当冷轧形变量达到70%以上时, 合金中的第二相Cr粒子开始发生形变, 形变量达到95%时,

图2 不同形变量CuCr25合金的扫描电镜照片

Fig.2 SEM images of CuCr25 at different reduction (a) —Reduction of 70.8%; (b) —Reduction of 95%

图3 热处理后CuCr25合金的显微组织

Fig.3 Microstructures of CuCr25 after heat treatment (a) —Reduction of 95%, 773 K, 1 h, SEM image; (b) —Reduction of 51.4%, 1 073 K, 1 h, optical image; (c) —Reduction of 95%, 1 073 K, 1 h, optical image

Cr粒子发生大量形变, 并呈纤维状分布。

3) 退火温度较低时, 冷轧后纤维状Cr粒子形貌基本保持不变, 当退火温度达到1 073 K后, 纤维状Cr相显著细化, 平均粒子尺寸小于10 μm。

参考文献

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