熱處理和冷變形對連續(xù)定向凝固Cu - Ag合金性能的影響 - 圖文-

1、文章編號:167325196(20060520013204熱處理和冷變形對連續(xù)定向凝固Cu2Ag合金性能的影響丁雨田,曹軍,李來軍,許廣濟,寇生中(蘭州理工大學甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點實驗室,甘肅蘭州730050摘要:研究了連續(xù)定向凝固Cu2Ag合金鑄態(tài)試樣及其經(jīng)過大變形冷加工后線材的微觀組織和性能,分析了熱處理和冷變形對連續(xù)定向凝固合金的強度和電導率的影響.經(jīng)過大變形冷加工后,Cu2Ag合金具有致密的纖維組織結(jié)構(gòu),強度進一步增加,電導率略有下降.在低溫熱處理后,Cu2Ag合金強度增加,電導率得到恢復.高溫熱處理時, Cu2Ag合金強度和電導率都下降.關(guān)鍵詞:定向凝固;Cu2Ag合

2、金;強度;電導率;單晶銅中圖分類號:T G249文獻標識碼:AE ffects of annealing and cold2working on properties ofcontinually2unidirectionally solidif ied Cu2Ag alloyDIN G Yu2tian,CAO J un,L I Lai2jun,XU Guang2ji,KOU Sheng2zhong(State Key Lab.of Gansu Advanced Non2ferrous Materials,Lanzhou Univ.of Tech.,Lanzhou730050,ChinaAbst

3、ract:The microst ruct ure and properties of wire made of continually2unidirectionally solidified Cu2Ag alloy after it s cold2working were investigated,and t he effect of annealing and cold2working on st rengt h and conductivity of t his alloy was analyzed.It s microstruct ure after large cold deform

4、ation was found to be compact fibrous text ure,t he strengt h being improved and elect ricity resistance increased a little.After low2temperat ure annealing,t he st rengt h was imp roved and conductivity recovered.On t he cont rary,after high2temperat ure annealing,t he st rengt h and conductivity w

5、ere decreased.K ey w ords:unidirectional solidification;Cu2Ag alloy;st rengt h;conductivity;monocrystal copper鐵路的高速化和重載化對接觸導線的性能提出了更高的要求,要提高列車的運行速度就必須提高接觸導線的強度和導電率.純銅接觸線盡管導電率大于96%IACS,但強度(尤其高溫強度較低,并且由于在自然時效和大載荷電流通過時產(chǎn)生的熱效應(yīng)作用而發(fā)生蠕變,強度衰減顯著1,2.實驗表明3,純銅接觸線在300保溫2h標準軟化處理后,其抗拉強度只有未處理前的60%.導線強度的降低,較易發(fā)生斷線,使弓網(wǎng)

6、故障高,嚴重制約了鐵路高速化的發(fā)展.采用連續(xù)定向凝固技術(shù)制備的Cu2Ag合金具有平行排列的柱狀晶結(jié)構(gòu),該組織結(jié)構(gòu)的Cu2Ag 合金有高的強度和熱穩(wěn)定性.對鑄錠大變形冷加工收稿日期:2006205222基金項目:甘肅省自然科學基金(ZS9812A220552C作者簡介:丁雨田(19622,男,甘肅榆中人,博士,教授.后可得到具有致密纖維結(jié)構(gòu)的線材,該線材具有優(yōu)良的機械性能和電學性能,可以滿足鐵路接觸導線對材料強度高,導電率高,熱穩(wěn)定性好,耐磨等優(yōu)良性能要求.1實驗材料和實驗方法原料選用質(zhì)量分數(shù)大于99.9%的電解銅(二號銅G B446264和銀(二號銀Y B117270.按w Ag為0.08%0

7、.12%配制.在大氣下熔煉,首先加入電解銅,并用木炭作覆蓋劑,待電解銅完全熔化后再加入銀,整個熔煉過程在還原性氣氛下進行,以防止合金的氧化、吸氣.連續(xù)定向凝固Cu2Ag合金棒材試樣在自行研制的橫引式熱型連鑄設(shè)備上制備,連鑄速度為30mm/min,冷卻水流量為25L/h,冷卻距離30mm,制得銅桿的直徑為<8mm.<8mm的Cu2Ag 合金鑄錠分別在鏈式拉絲機和塔輪拉絲機上經(jīng)多道第32卷第5期2006年10月蘭州理工大學學報Journal of Lanzhou University of TechnologyVol.32No.5Oct.2006次拉制得到不同壓縮率的線材.試樣靜拉伸試

8、驗在A G210TA 萬能試驗機上進行,標距200mm ,拉伸速度為10mm/min ;試樣電阻在QJ 36型四點式雙臂電橋上進行測量,標距為1000mm ;退火試驗在管式爐中進行,為防止試樣氧化,通氬氣進行保護;采用J EOL J SM 26700F 場發(fā)射電子顯微鏡觀察Cu 2Ag 合金顯微組織.為了進行性能對比,本實驗采用同樣方法制備的單晶銅試樣與Cu 2Ag 合金試樣進行了對比研究.2實驗結(jié)果與分析2.1鑄態(tài)Cu 2Ag 合金性能圖1為連續(xù)定向凝固穩(wěn)定生長階段Cu 2Ag 合金鑄錠(<8mm 的掃描電鏡照片,經(jīng)測量,胞晶間距為300450m ,由圖可見連續(xù)定向凝固Cu 2Ag 合

9、金凝固組織是沿軸向平行排列的柱狀晶(胞晶.經(jīng)測試,鑄態(tài)的抗拉強度為180M Pa ,相對導電率為97.5%IACS ,同樣條件下得到單晶銅抗拉強度為135M Pa ,相對導電率為101.5 %IACS.(a 縱剖面(b 橫截面圖1Cu 2Ag 合金鑄錠(<8掃描電鏡纖維結(jié)構(gòu)Fig.1SEM microstructure of copper 2silver alloy casting2.2冷加工對Cu 2Ag 合金強度和電導率的影響圖2是連續(xù)定向凝固Cu 2Ag 合金鑄棒冷加工(拉拔后的組織,從圖中可見經(jīng)過大變形冷加工后,獲得致密纖維結(jié)構(gòu)組織的線材,并且隨著壓縮率的增加,纖維狀結(jié)構(gòu)更為細小

10、,如圖2b 所示 .(a 縱剖面壓縮率75 %(b 縱剖面壓縮率93.75%圖2冷變形(拉拔后的組織照片F(xiàn)ig.2Microstructure of copper 2silver alloy casting aftercold deform ation圖3是試樣冷加工(拉拔后的直徑與抗拉強度之間的關(guān)系.由圖可見,Cu 2Ag 合金冷變形態(tài)的強度隨冷變形率的增加而升高 .圖3Cu 2Ag 合金線材塑性變形后直徑與抗拉強度的關(guān)系Fig.3R elationship of strength to diameter of plasticallydeformed copper 2silver alloy

11、 wire表1是單晶銅、Cu 2Ag 合金室溫導電性能比較(其中Ag 的質(zhì)量分數(shù)為0.1028%,可以看出,經(jīng)過大變形冷加工后,無論單晶銅還是Cu 2Ag 合金,電阻率都有不同程度的增大,導電性能變差;在相同41蘭州理工大學學報第32卷的冷變形率下,單晶銅的相對導電率隨冷變形的衰減幅度比Cu 2Ag 合金的要大,單晶銅和Cu 2Ag 合金相對導電率的衰減率分別為4.7%和1.5%.連續(xù)定向凝固鑄錠經(jīng)過冷加工后,由于塑性變形引起位錯的增殖以及處于點陣平衡位置的原子轉(zhuǎn)移到間隙位置而在原點陣結(jié)點處形成空位,引起點陣周期場的破壞,使位錯密度增加,導致自由電子在晶格缺陷處散射幾率增大,促使電阻率的增大4

12、.表1單晶銅、Cu 2Ag 合金室溫導電性能比較T ab.1Conductive property of monocrystal copper and cop 2per 2silver alloy at room temperature 材料鑄態(tài)(<8電阻率/( mm 2m -1相對導電率 IACS/%冷變形態(tài)(變形率75%,<4電阻率/(mm 2m -1相對導電率IACS/%單晶銅Cu 2Ag0.01663670.017461103.6398.730.01745710.017728598.7697.252.3熱處理對Cu 2Ag 合金抗拉強度的影響圖4a 為200退火后的Cu 2

13、Ag 合金線材組織,EDAX 分析發(fā)現(xiàn)溶質(zhì)原子Ag 在晶界偏聚.這是因為溶質(zhì)原子與位錯發(fā)生交互作用,Ag 原子首先向位錯周圍拉應(yīng)力區(qū)擴散 ,并沿位錯芯部通道擴散到晶界和晶體表面,由于晶界處原子排列松散,原子沿晶界的擴散比在點陣中的擴散要快得多,高溫時(a 200×1h(b 500×1h圖4不同溫度退火后的Cu 2Ag 合金線材掃描電鏡組織照片F(xiàn)ig.4Microstructure of copper 2silver wire after annea 2ling at different temperature更為顯著,金屬在2/3T m 溫度時,在晶界中原子的躍遷頻率要比規(guī)

14、則點陣原子的躍遷頻率大一百萬倍左右5,溶質(zhì)原子Ag 沿晶界擴散并聚集長大.金屬屬于粘彈性固體,雖然應(yīng)力2應(yīng)變關(guān)系滿足虎克定律,但應(yīng)力與應(yīng)變不同步,應(yīng)變滯后于應(yīng)力,在殘余應(yīng)力的作用下,金屬發(fā)生馳豫,金屬原子通過擴散,調(diào)整原子的排列,使應(yīng)力得以釋放.由圖4b 可見,500退火的Cu 2Ag 合金線材已發(fā)生再結(jié)晶.圖5熱處理溫度與鑄態(tài)抗拉強度的關(guān)系Fig.5R elationship of as 2casting tensile strength to an 2nealing temperature圖6熱處理溫度與冷變形態(tài)抗拉強度的關(guān)系Fig.6R elationship of strength o

15、f cold deformed to an 2nealing temperature圖5所示為熱處理溫度與鑄態(tài)抗拉強度的關(guān)系曲線,可以看出,鑄態(tài)單晶銅、Cu 2Ag 合金在低溫階段隨著退火溫度的升高,抗拉強度逐漸增加,當溫度超過某一數(shù)值后,退火溫度升高,抗拉強度反而降低.單晶銅對應(yīng)的峰值溫度是200,Cu 2Ag 合金的轉(zhuǎn)變溫度為300,溶質(zhì)原子Ag 提高了合金的轉(zhuǎn)變溫度,增強了合金的高溫熱穩(wěn)定性.冷加工后單晶銅的抗拉強度隨熱處理(退火溫度的升高逐漸減小,從室溫到200之間,強度變化幅度不大,200400間抗拉強度急劇減小,400后曲線趨于水平,強度基本上保持不變.而Cu 2Ag 合金在退火溫

16、度小于250時,抗拉強度與退火溫度呈拋物線關(guān)51第5期丁雨田等:熱處理和冷變形對連續(xù)定向凝固Cu 2Ag 合金性能的影響系,如圖6所示,在此區(qū)間進行消除應(yīng)力退火,強度值增大,在150200退火可使抗拉強度達到極大值,約為396M Pa.當退火溫度大于200,強度隨退火溫度的升高而降低,200350之間曲線斜率較小,說明強度隨退火溫度的變化較緩慢,退火溫度大于350之后,抗拉強度隨退火溫度急劇減小,450后又趨于緩和.2.4熱處理對Cu 2Ag 合金導電性能的影響冷加工變形后的Cu 2Ag 合金,熱處理溫度對其合金線材電阻率的影響如圖7所示.在保溫時間相同的條件下,在350退火后,Cu 2Ag

17、合金的電阻率降低到最小值,單晶銅在250退火,電阻率取得最小值.電阻率與退火溫度的關(guān)系曲線說明:低溫階段,電阻率隨退火溫度的升高呈下降趨勢;達到某一退火溫度,電阻率達到最小值;溫度繼續(xù)升高,電阻率又開始增大.也就是說,低溫消除應(yīng)力退火可使冷加工銅合金的電導率得到恢復.這是由于冷變形銅合金發(fā)生回復引起的,在回復過程中,原子有序化排列,隨著變形儲存能的釋放,溶質(zhì)原子從固溶體中析出并在晶界偏聚,降低了固溶體中的溶質(zhì)原子濃度,使固溶體貧化,晶格畸變得到有效緩解,晶格點陣趨向規(guī)則、周期性排列;同時,晶體缺陷減少,由于位錯的交滑移和攀移,使異號刃型位錯相互抵消,位錯密度降低,以上因素使得自由電子發(fā)生散射的

18、幾率減小,從而使冷加工銅合金的電阻率減小68.在更高的溫度退火時,由于發(fā)生再結(jié)晶, 鑄態(tài)的柱狀晶組織圖7單晶銅、Cu 2Ag 合金電阻率與退火溫度的關(guān)系Fig.7R elationship of resistance of monocrystal copperand Cu 2Ag alloy to annealing temperature被破壞,晶界面積增大,對自由電子的散射幾率增大,使電阻率升高.3結(jié)論1連續(xù)定向凝固工藝制備的Cu 2Ag 合金凝固組織是沿軸向平行排列的柱狀晶(胞晶組織,鑄態(tài)的抗拉強度為180M Pa ,相對導電率為97.5%IACS.2Cu 2Ag 合金經(jīng)大變形冷加工后,其組織為致密纖維結(jié)構(gòu),強度增加,冷變形態(tài)的強度隨變形量的增大而增加,電導率隨變形量的增加而略有降低,降低幅度低于單晶銅;3熱處理后的Cu 2Ag 合金中,鑄態(tài)Cu 2Ag 合金低溫退火時抗拉強度隨溫度升高而增加,其高溫性能優(yōu)于單晶銅,冷加工后的Cu 2Ag 合金強度與退火溫度呈拋物線關(guān)系,退火溫度300時強度達到最大值;4低溫熱處理使C