Cu-Cr-Ag合金制备与组织调控

发布时间：2020-05-05 12:52

【摘要】：Cu-Cr系合金因具有高强度和优越的导电、导热以及良好的加工性能而被广泛应用于轨道交通、电子电气行业。本文以高纯度阴极铜(99.95 wt.%)、Cu-10Cr中间合金和99.99 wt.%的Ag为原料,通过“熔炼—铁模浇铸—挤压—拉拔—固溶—时效—拉拔”以及“上引连续铸造—拉拔—固溶—拉拔—时效—拉拔”两种加工制备工艺制备具有高性能Φ3 mm的Cu-Cr-Ag合金杆。研究了合金的力学性能和导电性能在制备过程中的演变规律,并评价了材料的抗软化性能,通过金相显微镜和扫描电镜对合金的晶粒组织和第二相进行了表征,利用透射电镜研究了合金的位错和时效析出相的特征,重点探讨了形变和时效处理工艺对Cu-Cr-Ag合金组织性能的影响,揭示了Cu-Cr-Ag合金制备工艺—微观组织—力学性能之间的联系。主要结果如下:(1)铁模浇铸Cu-0.3Cr-0.1Ag合金,铸态合金晶粒粗大,平均尺寸约500μm,富含Cr的第二相分布于基体,合金的强度(158MPa)和电导率(52.3%IACS)均较低;经热挤压(Φ80 mm-Φ13 mm)变形后,合金晶粒破碎,平均尺寸约为80μm,并发生了动态再结晶,组织中出现棒状第二相,相对于铸态合金,强度提升48MPa,电导率略微降低;合金经过变形量为88%的多道次拉拔后,合金晶粒沿着拉拔方向大幅伸长,第二相粒子形貌无明显变化,合金强度大幅度提高,达到378.3 MPa,与铸态相比电导率略有降低(降低越5%IACS)。(2)固溶时效对冷拉态Cu-0.3Cr-0.1Ag合金的组织性能影响显著。固溶处理后,合金发生完全再结晶行为,晶粒变大(约为200μm),大多数第二相粒子已固溶于铜基体中,但仍有少量的保留,此外,合金位错减少,加工硬化得到消除,合金强度降低至256.3 MPa,电导率达到62.6%IACS;时效过程中,纳米量级的Cr相粒子从基体析出,起到析出强化的作用,大幅度提升了合金的综合性能,合金在500℃时效120 min获得最佳的时效强化效果,抗拉强度、电导率及延伸率分别为381 MPa、92%IACS和19%,此状态合金经再拉拔后(变形量55%),抗拉强度、电导率分别达到495.5 MPa、83%IACS,此外,合金的软化温度超过550℃。(3)上引连铸铸造Cu-0.3Cr-0.1Ag合金晶粒呈长条状,长度方向与上引铸造方向保持一致,纵向长度超过1000μm,宽度介于30-200μm,长宽比最大达到33,第二相呈球形,分布于长条状晶粒之间,尺寸在2-3μm之间,上引连铸这种长条状的晶粒组织和第二相方向性排布的特征使其具有良好的强度和塑性匹配,抗拉强度达到230 MPa,延伸率达到28%。经变形量为71%的拉拔后,合金晶粒呈纤维状组织,位错增加,沿晶界堆积,合金抗拉强度提升,达到388 MPa,延伸率为6.7%,电导率略有下降。(4)形变热处理对上引连铸Cu-0.3Cr-0.1Ag合金组织性能影响显著。经过高温固溶淬火处理,仍有部分晶粒呈现出典型的长条状形貌,长宽比略有降低,合金中仍有未固溶的残留第二相,合金强度减小,延伸率、电导率增加;二次拉拔后(变形量为58%),合金晶粒延长度方向拉长,长宽比大幅度提升,位错增多并相互缠结,形成了高位错密度的细胞状亚结构,强度达到333 MPa,延伸率为2.4%、电导率为55%IACS;时效处理后,合金组织仍保持变形态组织,富Cr第二相分布于长条形晶粒晶界处,合金基体中出现大量的纳米沉淀相,经透射电镜分析确定为fcc结构的富Cr时效析出相,此外,时效处理降低了合金的位错密度,Ag元素始终以溶质原子的形式分布于基体,主要以固溶强化方式提高合金的强度。合金的最佳时效工艺为450℃、120 min,抗拉强度、电导率及延伸率分别为441 MPa、88%IACS和12%,此状态下的合金经过变形量为55%拉拔处理后,抗拉强度得到大幅度提升,达到540 MPa,相应的维氏硬度、电导率、延伸率分别为188HV、84%IACS、2%,软化温度接近550℃。
【图文】：

元素对,铜合金,导电性能

5图 1.1 其他元素对铜合金导电性能的影响[39] Effect of other elements on the electrical conductivity of cop

Cu-Cr合金,TEM组织,时效,取向关系

[46]等通过选区电子衍射花样证实了Cu-Cr合金中的确发生了富Cr相由fcc转变为bcc的过程，如图1.2所示。此外 A. Chbihi[46]等发现，bcc 结构的富 Cr 相与 Cu 基体具有两种不同的取向关系，即 N/W、K/S 关系。图 1.2 时效后 Cu-Cr 合金的 TEM 组织[46]Fig. 1.2 TEM bright field micrograph and corresponding selected area diffraction pattern of theCu-Cr alloy
【学位授予单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TF811;TG291

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