高强度高导电率铬青铜热处理加工技术分析

2019-11-13张子朋王少君

有色金属加工 2019年5期

张子朋，王少君

(豫西集团河南江河机械有限责任公司，河南平顶山 467337)

1 应用领域

铬青铜静触头QCr0.5系列产品，是近几年来工厂开发的众多铜型材产品之一。该产品除严格的尺寸要求外，还有硬度、导电率等特殊要求。铬青铜QCr0.5在室温及400℃以下具有较高的强度和硬度，导电性和导热性好，耐磨性和减摩性也很好，加工成形性能良好。经时效硬化处理后，强度、硬度、导电性和导热性均显著提高，广泛用于电气设备的高温导电耐磨零件，如高温开关、电动机整流子、集电环、电焊机的电极、滚轮，以双金属形式使用的刹车盘和圆盘及其他要求高导热、高导电率、高热强性的零部件。我公司开发的该铬青铜静触头系列产品，主要为某高压开关厂生产，产品质量要求高，需求量大。

2 技术原理及试验分析

铬青铜固溶处理是指将铜合金加热到高温单相区恒温保持，使过剩铬原子充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺。主要目的是改善铜合金的塑性和韧性，为时效处理作好准备，使合金中各种相充分溶解，强化固溶体，并提高韧性及抗蚀性能，消除应力与软化，以便继续加工或成型。铬青铜工件的时效处理是指工件经固溶热处理后加热到一定温度长时间保温，以达到沉淀硬化目的。

该产品固溶时效后要求硬度≥HB110、导电率≥80%IACS，合格率达95%以上。传统固溶时效工艺是，1000℃保温1.5h后水冷至室温；时效，460℃保温4h水冷。利用传统工艺试制一批工件，共103件抽检10件结果见表1。

表1 传统工艺生产工件抽检结果

从表1可以看出，硬度合格率仅为60%左右，导电率合格率为40%左右。我们针对传统工艺进行认真分析后认为，影响其固溶时效质量的原因有以下几点：(1)固溶时效的保温时间不充分，导致铬元素没有充分溶解；(2)工件出炉后没有迅速浸入水中，热量散失过大，使部分铬元素从固溶体中析出，影响过饱和固溶体的性能。

针对以上几种因素，我们制订了几套不同的铬青铜固溶时效方案，从中筛选出符合生产实际的最佳热处理工艺参数。(1)方案一。固溶，1000℃保温1.5h水冷至室温；时效，460℃保温6h后出炉空冷至室温。(2)方案二。固溶，1000℃保温1.5h后出炉水冷至室温；时效，460℃保温8h空冷至室温。(3)方案三。固溶，1000℃保温2h后出炉水冷至室温；时效，460℃保温10h空冷至室温。方案一共116件抽检10件，试验结果见表2；方案二共119件抽检10件，试验结果见表3；方案三共110件抽检10件，试验结果见表4。

表2 方案一工件抽检结果

表3 方案二工件抽检结果

表4 方案三工件抽检结果

由方案一可以看出，当时效时间延长2h，工件硬度有明显的提高，抽检合格率在80%，而导电率变化不是很明显，有所提高，抽检合格率在50%，这说明延长时效时间对工件硬度和导电率提高有很大的影响。从方案二可以看出，当时效时间延长至8h后，产品硬度及导电率抽检合格率均已达到100%，这与时效产生的沉淀强化作用有很大关系，并且还大大提高了导电性能。当把固溶时间延长至2h，时效延长至10h后，产品的抽检合格率也在100%，但工件性能提高不是很大。因此，从产品质量、生产的经济性以及提高生产效率的角度综合考虑，固溶时效时间太短虽然经济节能效率高，但是产品合格率却低；固溶时效时间太长，虽然提高产品的合格率达100%，但是降低了生产效率，浪费能源，还会使产品的组织晶粒度增大，影响其强度和韧性等机械性能，故方案二是最合理的工艺。为了验证其可靠性，又经过多次大批量的生产验证，抽检合格率均达到100%。

从以上试制过程中可知，影响产品质量最主要的因素是固溶时效的保温温度和时间，除此之外冷却方式和工件装夹方式也很重要。当工件从井式淬火炉中吊出后，应以最快的速度浸入淬火介质中，否则会使最外层工件温度降低，使铬元素提前从固溶体中析出，不能形成过饱和固溶体，影响之后的时效强化作用及导电率。为了解决这一问题，在不影响产品性能的基础上，在工件将要出炉的前20min，把温度提高至1020℃，同时尽量减少工件在空气中的热量散失，在工件出炉前，事先关闭工房的门窗，以保证产品的固溶质量。

通过一系列的工艺改进和反复试验，终于摸索出一条适合大批量生产的最佳铬铜固溶时效的新工艺，如图1所示。

图1 改进后固溶时效工艺Fig.1 Improved solution aging process

为了提高时效后产品外观颜色的一致性、美观性，把原时效后的水冷改为空冷。水冷虽然快捷高效，但是产品表面黑色的氧化皮遇水后，形成黑斑，无法清除，影响产品的美观度；且水冷一个最大的缺点是，水冷后在工件内部产生的残余应力较大，影响产品性能。工件变形也是造成工件报废的一个因素，由于工件装夹不当，堆放过高，固溶处理时在高温下，底层的工件受挤压容易变形，使产品尺寸超差。为此专门设计并制造专用料筐，采用耐热不锈钢材料整体铸造而成，增加工件装夹的合理性，避免了变形的发生，同时也增加了料筐的使用寿命。