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摘 要：研究了热处理对Cu-Cr合金接头铸件性能的影响，并确定了最佳工艺参数。
关键词：热处理；Cu-Cr合金；性能
1 前言
Cu-Cr合金接头铸件是为国内某厂生产大型发电机组配套的主要部件，其技术要求难度高，力学性能和导电性能应符合美国西屋电气公司标准和ASTM E272的要求，化学成分：0.4%～1．2%Cr，余量Cu，杂质Pb
≯0．015%，P≯0．04%，杂质总量≯0.15%；力学性能：σb≥207MPa，σ0．2≥138MPa，δ5≥10%，硬度≥70HB；相对导电率：IACS≥80%。经过对该铸件的热处理试验，完全满足了用户的要求，为其国产化提供了一个有效的途径。
2 试验材料和试验方法
Cu -Cr合金接头铸件所采用的炉料是电解铜Cu-2和金属铬Cr-1。采用中频感应电炉熔炼，箱式电阻炉热处理。拉伸试样和导电率试块均采用砂型铸出；前者 按GB 228的规定加工成直径(d0)为10mm的短比例试样，后者根据室温电阻测试装置的要求加工成120mm×6mm×5mm的试块。
Cu-Cr合金接头铸件的熔铸工艺为：先加入电解铜和覆盖剂，待电解铜完全熔化达到一定温度后再将铬以纯金属的形式(颗粒状)直接加入到铜液中，保温一段时间，铜液达到1300～1350℃时出炉浇注。
3 试验结果与分析
3.1 铬在合金接头铸件中的作用
从 铜铬二元相图可知，铬在铜中的最大固溶度在1076.2℃时可达0.7%，在450℃时为0.04%。这说明，固溶度随温度下降而减少，而其减少得越多， 淬火后所获得的固溶体过饱和程度就越大，时效强化的效果也就越显著。因此，在铜基体中加入少量铬对铜起到固溶强化作用，铸件的强度显著提高。但由于铬固溶 于铜基体中会造成严重的晶格畸变，使铸件导电性能恶化。时效处理后，过饱和固溶体得以分解，铬从固溶体中大部分析出，形成弥散分布的沉淀物，产生时效硬 化，同时仍有微量铬固溶于铜基体中形成固溶强化。由于铬大部分析出，从而使铸件的导电性能得到大幅度提高。这也就是Cu-Cr合金铸件不仅具有高强度同时 也具有高导电性的根本原因[1]。
3.2 Cr含量对铸件性能的影响
试验表明，过高或过低的Cr含量对铸件的性能都是不利的。当Cr在Cu中的固溶量超过某一数值时，再增加Cr含量，强度就不再提高，导电性能反而下降。当加入Cr含量太低时，导电性能虽然没有什么损失，但肯定达不到应有的强化效果。
Cr含量对Cu-Cr合金铸件性能的影响见图1。
图1 Cr含量Cu-Cr合金对铸件性能的影响
1.导电率2.抗拉强度
从图1中可以看出，为使铸件获得良好的综合性能，Cr含量控制在0.4%～1．0%的范围内为宜。
3.3 固溶温度对铸件强度和导电性能的影响
Cu -Cr合金接头铸件的热处理工艺包括固溶和时效这两个环节，其性能的好坏主要取决于合金基体中铬粒子析出物的大小和分布。提高固溶温度，延长保温时间，虽 然可增加铬在铜基体中的固溶量，使基体金属位错密度增大，同时发生晶格畸变，从而使铸件的强度得到提高。但过高的温度和时间将造成合金晶粒粗大，铬粒子聚 集在晶界，产生过烧现象。而过烧铸件在随后的加工过程中易产生裂纹，并增大铸件表面脱落层和氧化损耗，从而降低铸件的强度和导电性。相反，如果固溶温度过 低，保温时间过短，则铬在铜基体中的固溶过程不充分，固溶量就过少，且成分不均匀，在随后的时效过程中还容易产生不连续脱溶，从而也会降低铸件的强度和导 电性[2]。 将同一条件下的铸坯分别在920～1000℃保温1h，每隔20℃进行固溶处理，然后水淬，再经480℃保温1h，然后随炉冷却，加工成试样(块)后测得 的性能如图2、图3。
图2 固溶温度对Cu-Cr合金铸件强度和伸长率的影响
1．抗拉强度2．屈服强度3．伸长率
图3 固溶温度对Cu-Cr合金铸件导电率和硬度的影响
1．导电率 2．硬度
从 图2和图3可知，随着固溶温度的提高，铸件的力学性能和导电性也随之提高，但达到一定温度时，两者会随之下降。因此，固溶温度选择的原则，是在不产生过烧 的前提下尽量高一些，使铬尽可能多地固溶于基体中，使其固溶量达到最大值。试验证明，Cu-Cr合金接头铸件的固溶温度以980～1000℃保温1h为 宜。
3.4 时效温度和时间对铸件强度和导电性能的影响
Cu-Cr合金是兼有固溶强化加时效硬化，即析出强化型合金，时 效时有铬粒子析出且呈均匀细密分布。时效效果，取决于合金成分、固溶体特性、时效温度和时间、过饱和度、析出过程特性和强化相结构等。对同一成分的过饱和 固溶体来说，时效温度和保温时间是影响时效效果的主要因素。
将同一条件下的铸坯，采用不同温度而时间相同或相同温度而时间不同进行时效，然后随炉冷却，加工成试样(块)后测得的性能见表1、表2。
表1 时效温度不同而时间相同时对铸件性能的影响
试样
编号 时效
温度／
℃ 时效
时间／
h 性能
σb
／MPa σ0．2
／MPa δ5
(%) HB IACS
(%)
1
2 420 1 250
245 169
164 18.5
17 119.5
116 77.8
78.2
1
2 440 1 284.5
280 196
191.5 20
18.5 128
124 78.9
78.3
1
2 460 1 325
320 233.5
228 23
21 135.5
132 80.8
81.2
1
2 480 1 370
365.5 280
275 28
26 145
142 86
85
1
2 500 1 318
313.5 230
224 22
20 131.5
128 80.5
80.2
表2 时效温度相同而时间不同时对铸件性能的影响
试样
编号 时效
温度／
℃ 时效
时间／
h 性能
σb／
MPa σ0．2／
MPa δ5
(%) HB IACS
(%)
1—1
1—2
1—3 420 1
2
3 247
242
233 166
160
151 17.5
16
14.5 118
115
110 78
77.6
77.1
2—1
2—2
2—3 440 1
2
3 282
276
268 194
189
180 19.5
18
16 126
122
116 78.6
78.4
77.8
3—1
3—2
3—3 460 1
2
3 323
317
307 230
226
217 22
20
17.5 133.5
130
124 81
80.6
80.2
4—1
4—2
4—3
4—4 480 1
2
3
4 368
363
356
346 278
273
264
250 27
24
20
15 143.5
140
135
130 85.8
85.6
85
84.8
5—1
5—2
5—3 500 1
2
3 316
310
292 227
222
213 21
19.5
17 129
125
120 80.4
80
79.4
从 表1和表2可以看出，当时效温度不同而时效时间相同时对铸件各种性能的影响较为显著。反之，当时效温度相同而时效时间不同时除对铸件的力学性能影响稍大 外，对导电性能的影响却不明显，相差最多不过1%。试验证明，Cu-Cr合金接头铸件的时效温度和时间以480℃×1h为宜。
4 结论
(1) 试验证明，Cu-Cr合金接头铸件的Cr含量以0.4%～1．0%为宜。
(2) Cu-Cr合金接头铸件的最佳热处理工艺是980℃保温1h，然后水淬，再在480℃保温1h，随炉冷却。
(3) 在上述两种条件下，该铸件的综合性能均可远远满足美国西屋电气公司的标准和ASTM E272的要求。
(4) 从该铸件装机运行试验表明，Cu-Cr合金是一种力学性能好且导电性优异的铜基材料，在机电行业中前景看好，值得推广。
参考文献：
[1]王深强等．高强高导铜合金的研究概述[J]．材料工程，1995(7)：3～6．
[2]黄雄辉．铜铬锆电极合金的热处理[J]．上海金属(有色分册)，1986，7(6)：16～21．
Welcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users’ demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, ,,,etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, it’s our pleasure to serve for you. BW product including: utting tool、aerospace tool .HSS Cutting tool、Carbide end mills、Carbide cutting tool、NAS Cutting tool、Carbide end mill、Aerospace cutting tool、Carbide drill、High speed steel、Milling cutter、Core drill、Taperd end mills、Metric end mills、Miniature end mills、Pilot reamer、Electronics cutter、Step drill、Metal cutting saw、Double margin drill、Gun barrel、Angle milling cutter、Carbide burrs、Carbide tipped cutter、Chamfering tool、IC card engraving cutter、Side cutter、NAS tool、DIN tool、Special tool、Metal slitting saws、Shell end mills、Side and face milling cutters、Side chip clearance saws、Long end mills、Stub roughing end mills、Dovetail milling cutters、Carbide slot drills、Carbide torus cutters、Angeled carbide end mills、Carbide torus cutters、Carbide ball-noseed slot drills、Mould cutter、Tool manufacturer.
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摘 要：研究了热处理对Cu-Cr合金接头铸件性能的影响，并确定了最佳工艺参数。
关键词：热处理；Cu-Cr合金；性能
1 前言
Cu-Cr合金接头铸件是为国内某厂生产大型发电机组配套的主要部件，其技术要求难度高，力学性能和导电性能应符合美国西屋电气公司标准和ASTM E272的要求，化学成分：0.4%～1．2%Cr，余量Cu，杂质Pb
≯0．015%，P≯0．04%，杂质总量≯0.15%；力学性能：σb≥207MPa，σ0．2≥138MPa，δ5≥10%，硬度≥70HB；相对导电率：IACS≥80%。经过对该铸件的热处理试验，完全满足了用户的要求，为其国产化提供了一个有效的途径。
2 试验材料和试验方法
Cu -Cr合金接头铸件所采用的炉料是电解铜Cu-2和金属铬Cr-1。采用中频感应电炉熔炼，箱式电阻炉热处理。拉伸试样和导电率试块均采用砂型铸出；前者 按GB 228的规定加工成直径(d0)为10mm的短比例试样，后者根据室温电阻测试装置的要求加工成120mm×6mm×5mm的试块。
Cu-Cr合金接头铸件的熔铸工艺为：先加入电解铜和覆盖剂，待电解铜完全熔化达到一定温度后再将铬以纯金属的形式(颗粒状)直接加入到铜液中，保温一段时间，铜液达到1300～1350℃时出炉浇注。
3 试验结果与分析
3.1 铬在合金接头铸件中的作用
从 铜铬二元相图可知，铬在铜中的最大固溶度在1076.2℃时可达0.7%，在450℃时为0.04%。这说明，固溶度随温度下降而减少，而其减少得越多， 淬火后所获得的固溶体过饱和程度就越大，时效强化的效果也就越显著。因此，在铜基体中加入少量铬对铜起到固溶强化作用，铸件的强度显著提高。但由于铬固溶 于铜基体中会造成严重的晶格畸变，使铸件导电性能恶化。时效处理后，过饱和固溶体得以分解，铬从固溶体中大部分析出，形成弥散分布的沉淀物，产生时效硬 化，同时仍有微量铬固溶于铜基体中形成固溶强化。由于铬大部分析出，从而使铸件的导电性能得到大幅度提高。这也就是Cu-Cr合金铸件不仅具有高强度同时 也具有高导电性的根本原因[1]。
3.2 Cr含量对铸件性能的影响
试验表明，过高或过低的Cr含量对铸件的性能都是不利的。当Cr在Cu中的固溶量超过某一数值时，再增加Cr含量，强度就不再提高，导电性能反而下降。当加入Cr含量太低时，导电性能虽然没有什么损失，但肯定达不到应有的强化效果。
Cr含量对Cu-Cr合金铸件性能的影响见图1。
图1 Cr含量Cu-Cr合金对铸件性能的影响
1.导电率2.抗拉强度
从图1中可以看出，为使铸件获得良好的综合性能，Cr含量控制在0.4%～1．0%的范围内为宜。
3.3 固溶温度对铸件强度和导电性能的影响
Cu -Cr合金接头铸件的热处理工艺包括固溶和时效这两个环节，其性能的好坏主要取决于合金基体中铬粒子析出物的大小和分布。提高固溶温度，延长保温时间，虽 然可增加铬在铜基体中的固溶量，使基体金属位错密度增大，同时发生晶格畸变，从而使铸件的强度得到提高。但过高的温度和时间将造成合金晶粒粗大，铬粒子聚 集在晶界，产生过烧现象。而过烧铸件在随后的加工过程中易产生裂纹，并增大铸件表面脱落层和氧化损耗，从而降低铸件的强度和导电性。相反，如果固溶温度过 低，保温时间过短，则铬在铜基体中的固溶过程不充分，固溶量就过少，且成分不均匀，在随后的时效过程中还容易产生不连续脱溶，从而也会降低铸件的强度和导 电性[2]。 将同一条件下的铸坯分别在920～1000℃保温1h，每隔20℃进行固溶处理，然后水淬，再经480℃保温1h，然后随炉冷却，加工成试样(块)后测得 的性能如图2、图3。
图2 固溶温度对Cu-Cr合金铸件强度和伸长率的影响
1．抗拉强度2．屈服强度3．伸长率
图3 固溶温度对Cu-Cr合金铸件导电率和硬度的影响
1．导电率 2．硬度
从 图2和图3可知，随着固溶温度的提高，铸件的力学性能和导电性也随之提高，但达到一定温度时，两者会随之下降。因此，固溶温度选择的原则，是在不产生过烧 的前提下尽量高一些，使铬尽可能多地固溶于基体中，使其固溶量达到最大值。试验证明，Cu-Cr合金接头铸件的固溶温度以980～1000℃保温1h为 宜。
3.4 时效温度和时间对铸件强度和导电性能的影响
Cu-Cr合金是兼有固溶强化加时效硬化，即析出强化型合金，时 效时有铬粒子析出且呈均匀细密分布。时效效果，取决于合金成分、固溶体特性、时效温度和时间、过饱和度、析出过程特性和强化相结构等。对同一成分的过饱和 固溶体来说，时效温度和保温时间是影响时效效果的主要因素。
将同一条件下的铸坯，采用不同温度而时间相同或相同温度而时间不同进行时效，然后随炉冷却，加工成试样(块)后测得的性能见表1、表2。
表1 时效温度不同而时间相同时对铸件性能的影响
试样
编号 时效
温度／
℃ 时效
时间／
h 性能
σb
／MPa σ0．2
／MPa δ5
(%) HB IACS
(%)
1
2 420 1 250
245 169
164 18.5
17 119.5
116 77.8
78.2
1
2 440 1 284.5
280 196
191.5 20
18.5 128
124 78.9
78.3
1
2 460 1 325
320 233.5
228 23
21 135.5
132 80.8
81.2
1
2 480 1 370
365.5 280
275 28
26 145
142 86
85
1
2 500 1 318
313.5 230
224 22
20 131.5
128 80.5
80.2
表2 时效温度相同而时间不同时对铸件性能的影响
试样
编号 时效
温度／
℃ 时效
时间／
h 性能
σb／
MPa σ0．2／
MPa δ5
(%) HB IACS
(%)
1—1
1—2
1—3 420 1
2
3 247
242
233 166
160
151 17.5
16
14.5 118
115
110 78
77.6
77.1
2—1
2—2
2—3 440 1
2
3 282
276
268 194
189
180 19.5
18
16 126
122
116 78.6
78.4
77.8
3—1
3—2
3—3 460 1
2
3 323
317
307 230
226
217 22
20
17.5 133.5
130
124 81
80.6
80.2
4—1
4—2
4—3
4—4 480 1
2
3
4 368
363
356
346 278
273
264
250 27
24
20
15 143.5
140
135
130 85.8
85.6
85
84.8
5—1
5—2
5—3 500 1
2
3 316
310
292 227
222
213 21
19.5
17 129
125
120 80.4
80
79.4
从 表1和表2可以看出，当时效温度不同而时效时间相同时对铸件各种性能的影响较为显著。反之，当时效温度相同而时效时间不同时除对铸件的力学性能影响稍大 外，对导电性能的影响却不明显，相差最多不过1%。试验证明，Cu-Cr合金接头铸件的时效温度和时间以480℃×1h为宜。
4 结论
(1) 试验证明，Cu-Cr合金接头铸件的Cr含量以0.4%～1．0%为宜。
(2) Cu-Cr合金接头铸件的最佳热处理工艺是980℃保温1h，然后水淬，再在480℃保温1h，随炉冷却。
(3) 在上述两种条件下，该铸件的综合性能均可远远满足美国西屋电气公司的标准和ASTM E272的要求。
(4) 从该铸件装机运行试验表明，Cu-Cr合金是一种力学性能好且导电性优异的铜基材料，在机电行业中前景看好，值得推广。
参考文献：
[1]王深强等．高强高导铜合金的研究概述[J]．材料工程，1995(7)：3～6．
[2]黄雄辉．铜铬锆电极合金的热处理[J]．上海金属(有色分册)，1986，7(6)：16～21．
Welcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users’ demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, ,,,etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, it’s our pleasure to serve for you. BW product including: utting tool、aerospace tool .HSS Cutting tool、Carbide end mills、Carbide cutting tool、NAS Cutting tool、Carbide end mill、Aerospace cutting tool、Carbide drill、High speed steel、Milling cutter、Core drill、Taperd end mills、Metric end mills、Miniature end mills、Pilot reamer、Electronics cutter、Step drill、Metal cutting saw、Double margin drill、Gun barrel、Angle milling cutter、Carbide burrs、Carbide tipped cutter、Chamfering tool、IC card engraving cutter、Side cutter、NAS tool、DIN tool、Special tool、Metal slitting saws、Shell end mills、Side and face milling cutters、Side chip clearance saws、Long end mills、Stub roughing end mills、Dovetail milling cutters、Carbide slot drills、Carbide torus cutters、Angeled carbide end mills、Carbide torus cutters、Carbide ball-noseed slot drills、Mould cutter、Tool manufacturer.
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