高强高导Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金热处理前后组织性能变化*

陆冠华，甘春雷，刘 辉，刘宇宁,3，王顺成，周 楠，宋东福

1.广东省材料与加工研究所，广东 广州 510650；2.佛山市华鸿铜管有限公司，广东 佛山 528234；3.湖南大学材料科学与工程学院，湖南 长沙410082

高强高导Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金热处理前后组织性能变化*

陆冠华1，甘春雷1，刘 辉2，刘宇宁1,3，王顺成1，周 楠1，宋东福1

1.广东省材料与加工研究所，广东 广州 510650；2.佛山市华鸿铜管有限公司，广东 佛山 528234；3.湖南大学材料科学与工程学院，湖南 长沙410082

通过金相组织观察、SEM、室温单向拉伸实验及导电性能测试等手段，研究了室温拉拔态Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金热处理前后组织性能的变化．结果表明：与室温拉拔态相比，经固溶时效热处理(950 ℃保温1 h，水淬， 500 ℃保温4 h，随炉冷却)的Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金组织发生了再结晶及晶粒长大，其抗拉强度为395 MPa、屈服强度为247 MPa，分别降低了10%和43%；延伸率及导电率分别为30%和92%IACS，分别提高了114%和119%；经热处理后的Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金拉伸断口存在平均尺寸变大的延性韧窝，是典型的韧性断裂，表明合金具有优良的塑性加工性能．

高强高导；Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金；固溶时效热处理

Cu-Cr-Zr系合金具有强度高、导电率高及良好的耐磨等性能，用作高速列车架空导线、电气工程开关触桥、交流电机整流子、发电机导电环、连铸结晶器内衬、电阻焊电极和集成电路引线框架等方面，具有广阔的应用前景，是各国材料工作者重点关注及研究的热点．国内外学者在Cu-Cr-Zr系合金的制备工艺、微观组织结构与性能等方面开展了大量的研究工作[1-5]，并取得较多的研究成果．

Cu-Cr-Zr系合金属于固溶强化型金属，热处理对这类合金的组织及性能有很大的影响，是提升合金强度及导电率等综合性能的重要手段[6-9]，合理的热处理工艺是获得综合性能优良的Cu-Cr-Zr系合金的关键．近年来，一些学者对添加Mg和Ce元素的 Cu-Cr-Zr合金开展了微观组织与时效工艺等方面的研究[10]，获得了不同时效工艺条件下综合性能较好的Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金，但是有关热处理对Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金的组织及性能方面影响的研究还不够完善，还需进一步深入研究及提高．本文通过研究室温拉拔态Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金热处理前后组织及性能的变化，为此类合金的研发与推广应用提供实验基础．

1 实验部分

1.1 实验材料

实验所用材料为室温拉拔态Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金，其化学成分列于表1．

表1 实验用材料化学成分

1.2 实验方法

为了研究热处理对室温拉拔态Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金组织及性能的影响，进行固溶时效热处理．其处理工艺为950 ℃下保温1 h，立即水淬，随后在500 ℃下保温4 h，随炉冷却．

试样经过粗磨、细磨和抛光处理后进行化学腐蚀，所用浸蚀剂配比为40 mL的硝酸+40 mL 的冰醋酸+20 mL的水．用LEICA-DMI3000M型金相显微镜观察试样的微观组织，用JSM-5610LV型扫描电镜进行成分分析及观察试样拉伸断口形貌；按照 GB/T228.1-2010国标规定用GP-TS2000型电子万能材料实验机进行室温拉伸力学性能测试，拉伸速度为2.0 mm/min；按照GB/T3048.2-2007国标用QJ36型双臂电桥电阻测量仪在室温下进行合金电阻率测试，然后经过计算得到导电率，测量时保证试样在无腐蚀、无磁场干扰环境下进行，导电率数值为3次测试的平均值．

2 结果与讨论

2.1 微观组织

图1为固溶时效处理前后Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金的微观组织．从图1可见：固溶时效热处理前Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金的组织由大量的不规则晶粒组成(图1(a))，晶粒尺寸约为11 μm；热处理后的合金组织晶粒变得较粗大(图1(b))，并伴随出现孪晶，晶粒尺寸约为60 μm，这说明热处理过程中合金组织发生了再结晶及晶粒长大．同时从图1还可以看出：固溶时效处理前Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金组织中晶界及晶粒内均存在颗粒相，并且颗粒相较粗大(图1(a))；经固溶时效处理后Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金组织中晶界及晶粒内同样存在颗粒相，但晶内弥散分布着许多细小的析出相(图1(b))．

图1 Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金固溶时效处理前后的微观组织照片(a)热处理前；(b)热处理后Fig.1 Microstructures of the Cu-Cr-Zr-Mg-Ce alloy before and after solution and ageing treatment(a) before heat treatment；(b) after heat treatment

对热处理后的Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金组织中颗粒相进行能谱分析(图2)发现，弥散析出相主要为Cr相，说明时效过程主要是过饱和固溶体分解析出弥散Cr粒子的过程．

2.2 合金拉伸断口形貌

图3为Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金热处理前后拉伸断口的SEM照片．从图3可以看出，Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金拉伸断口呈现大量的延性韧窝，并且部分韧窝较深，这表明合金具有优良的塑性．进一步观察可发现，热处理后的Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金拉伸断口大部分韧窝的平均尺寸比热处理前变大，说明热处理后的Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金晶粒尺寸变大，这与合金组织中发生再结晶和晶粒长大有关．同时从图3还可以观察到，韧窝内存在不规则的颗粒物．

对Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金热处理后拉伸断口颗粒物进行能谱分析(图4)发现，颗粒物主要为富铜Cr析出相及富铜铈的化合物．这表明合金试样在轴向拉伸变形过程中随着拉伸变形量的增加，Cr相及铈的化合物与铜基体的变形程度差别不断增大，致使存在Cr相及铈的化合物处累积产生很大的应力集中，从

图2 Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金固溶时效处理后微观组织中颗粒相的能谱图Fig.2 EDXS analysis spectrum of the Cu-Cr-Zr-Mg-Ce alloy after heat treatment.

图3 Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金热处理前后拉伸断口SEM照片(a)拉拔态；(b)固溶时效态Fig.3 SEM images of the tensile fracture surfaces of the Cu-Cr-Zr-Mg-Ce alloy before and after solution and ageing treatment(a) as cold drawn；(b) as solution-treated and aged

图4 Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金热处理后拉伸断口颗粒物的能谱图(a) 铈的化合物；(b) Cr相Fig.4 EDXS analysis spectrum of the tensile fracture surface for the Cu-Cr-Zr-Mg-Ce alloy after heat treatment (a) compounds containing Ce； (b) Cr phase

而促使裂纹萌发或使已有的微裂纹失稳扩展，当裂纹扩展到一定程度Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金就发生断裂．

2.3 力学性能

表2为Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金热处理前后的力学性能．由表2可知：Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金的抗拉强度由热处理前的439 MPa降低为热处理后的395 MPa，降低了10%；屈服强度由431 MPa降低为247 MPa，降低了43%；延伸率由14%增加至30%，提高了114%．这是因为再结晶软化效果强于时效析出效果，从而使得合金的强度降低，延伸率获得大幅度提高．表明经固溶时效热处理后Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金具有优良的塑性，这对进一步实施形变加工来提升Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金的综合性能特别有利．

表2 Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金的力学性能

2.4 导电率

图5为 Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金热处理前后的导电率．从图5可见，热处理前Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金的导电率为42%IACS，经固溶时效热处理后Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金的导电率为92%IACS，提高了119%，热处理后的Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金表现出优良的导电性能．这是因为Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金热处理前经室温拉拔变形，合金中引入了大量的空位、位错和层错等晶体缺陷，这增加了对电子的散射作用，导致热处理前的合金具有较低的导电率．经固溶时效热处理后的Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金的导电性能大幅度提升，一方面是因为时效过程中再结晶软化导致基体点阵对电子散射作用减弱，从而使得合金的电导率升高[11-12]；另一方面是因为合金中的主要合金元素Cr充分析出，没有对电子造成严重的散射．由Mathiessen理论[13]可知，合金中固溶体对电子散射能力远大于析出相对电子的散射能力，因此Cr相的不断析出使得基体固溶体不断贫化，导致固溶体对电子产生的散射作用大幅减弱，从而使合金的导电率提高并达到较高值．此外，合金元素Mg和Ce对合金也起到净化作用[14-16]，有利于降低对电子的散射作用，使固溶时效热处理后的Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金有较高的导电率．

图5 Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金热处理前后的导电率Fig.5 Conductivity of the Cu-Cr-Zr-Mg-Ce alloy before and after solution and ageing treatment

3 结 论

(1)经固溶时效热处理的Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金组织中发生了再结晶及晶粒长大．

(2)与室温拉拔态相比，经950 ℃固溶1 h、水淬、500 ℃时效4 h处理后，Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金的抗拉强度为395 MPa，降低了10%；屈服强度为247 MPa，降低了43% ；延伸率为30%，提高了114%；导电率为92%IACS，提高了119%IACS．

(3)Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金热处理前后拉伸断口均存在延性韧窝，表明断裂模式为典型的韧性断裂．

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The variation in microstructures and properties of high strength and high electrical conductivity Cu-Cr-Zr-Mg-Ce alloy before and after heat treatment

LU Guanhua1，GAN Chunlei1，LIU Hui2，LIU Yuning1,3，WANG Shuncheng1，ZHOU Nan1，SONG Dongfu1

1.GuangdongInstituteofMaterialsandProcessing，Guangzhou510650，China；2.FoshanHuaHongCopperTubeLimitedCompany，Foshan528234，China；3.CollegeofMaterialsScienceandEngineering，HunanUniversity，Changsha410082，China

In the present work，microstructures and properties of high strength and high electrical conductivity Cu-Cr-Zr-Mg-Ce alloy before and after heat treatment were investigated by observations of optical microscopy and scanning electron microscopy，and measurements of tensile strength and electrical conductivity. The results showed that recrystallization and grain growth occurred in the solution-treated and aged Cu-Cr-Zr-Mg-Ce alloy(solution-treated at 950℃ for 1 h and quickly quenching into cold water. Subsequently, aged at 500℃ for 1 h and then cooled inside the furnace to room temperature) compared with the drawn alloy. The ultimate tensile strength and the yield strength of the heat treated alloy is 395MPa and 247MPa, reducing by 10% and 43% respectively. However，elongation and conductivity of the heat treated alloy is 30% and 92% IACS，increasing by 114% and 119% respectively. The tensile fracture surface for the heat treated Cu-Cr-Zr-Mg-Ce alloy revealed larger ductile dimples，indicating that the alloy had more excellent plasticity in comparison with the drawn alloy.

high strength and high conductility；Cu-Cr-Zr-Mg-Ce alloy；solid solution treatment and aging

2017-04-18

广东省科技计划项目(2013B010204050)；广东省科技计划项目(2014B070706027)；广东省科技计划项目(2013B010102025)

陆冠华(1963-)，男，广东信宜人，本科，高级工程师.

1673-9981(2017)02-0062-05

TG146.1

A