热处理和冷变形对连续定向凝固Cu_Ag合金性能的影响
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文章编号:167325196(2006)0520013204热处理和冷变形对连续定向凝固Cu2Ag合金性能的影响丁雨田,曹 军,李来军,许广济,寇生中(兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,甘肃兰州 730050)摘要:研究了连续定向凝固Cu2Ag合金铸态试样及其经过大变形冷加工后线材的微观组织和性能,分析了热处理和冷变形对连续定向凝固合金的强度和电导率的影响.经过大变形冷加工后,Cu2Ag合金具有致密的纤维组织结构,强度进一步增加,电导率略有下降.在低温热处理后,Cu2Ag合金强度增加,电导率得到恢复.高温热处理时,Cu2Ag合金强度和电导率都下降.关键词:定向凝固;Cu2Ag合金;强度;电导率;单晶铜中图分类号:TG249 文献标识码:AEffectsofannealingandcold2workingonpropertiesofcontinually2unidirectionallysolidifiedCu2AgalloyDINGYu2tian,CAOJun,LILai2jun,XUGuang2ji,KOUSheng2zhong(StateKeyLab.ofGansuAdvancedNon2ferrousMaterials,LanzhouUniv.ofTech.,Lanzhou 730050,China)Abstract:Themicrostructureandpropertiesofwiremadeofcontinually2unidirectionallysolidifiedCu2Agalloyafteritscold2workingwereinvestigated,andtheeffectofannealingandcold2workingonstrengthandconductivityofthisalloywasanalyzed.Itsmicrostructureafterlargecolddeformationwasfoundtobecompactfibroustexture,thestrengthbeingimprovedandelectricityresistanceincreasedalittle.Afterlow2temperatureannealing,thestrengthwasimprovedandconductivityrecovered.Onthecontrary,afterhigh2temperatureannealing,thestrengthandconductivityweredecreased.Keywords:unidirectionalsolidification;Cu2Agalloy;strength;conductivity;monocrystalcopper 铁路的高速化和重载化对接触导线的性能提出了更高的要求,要提高列车的运行速度就必须提高接触导线的强度和导电率.纯铜接触线尽管导电率大于96%IACS,但强度(尤其高温强度)较低,并且由于在自然时效和大载荷电流通过时产生的热效应作用而发生蠕变,强度衰减显著[1,2].实验表明[3],纯铜接触线在300℃保温2h标准软化处理后,其抗拉强度只有未处理前的60%.导线强度的降低,较易发生断线,使弓网故障高,严重制约了铁路高速化的发展.采用连续定向凝固技术制备的Cu2Ag合金具有平行排列的柱状晶结构,该组织结构的Cu2Ag合金有高的强度和热稳定性.对铸锭大变形冷加工
收稿日期:2006205222 基金项目:甘肃省自然科学基金(ZS9812A220552C) 作者简介:丁雨田(19622),男,甘肃榆中人,博士,教授.后可得到具有致密纤维结构的线材,该线材具有优良的机械性能和电学性能,可以满足铁路接触导线对材料强度高,导电率高,热稳定性好,耐磨等优良性能要求.1 实验材料和实验方法原料选用质量分数大于99.9%的电解铜(二号铜GB446264)和银(二号银YB117270).按wAg为0.08%～0.12%配制.在大气下熔炼,首先加入电解铜,并用木炭作覆盖剂,待电解铜完全熔化后再加入银,整个熔炼过程在还原性气氛下进行,以防止合金的氧化、吸气.连续定向凝固Cu2Ag合金棒材试样在自行研制的横引式热型连铸设备上制备,连铸速度为30mm/min,冷却水流量为25L/h,冷却距离30mm,制得铜杆的直径为<8mm.<8mm的Cu2Ag合金铸锭分别在链式拉丝机和塔轮拉丝机上经多道第32卷第5期2006年10月兰 州 理 工 大 学 学 报JournalofLanzhouUniversityofTechnologyVol.32No.5Oct.2006次拉制得到不同压缩率的线材.试样静拉伸试验在AG210TA万能试验机上进行,标距200mm,拉伸速度为10mm/min;试样电阻在QJ36型四点式双臂电桥上进行测量,标距为1000mm;退火试验在管式炉中进行,为防止试样氧化,通氩气进行保护;采用JEOLJSM26700F场发射电子显微镜观察Cu2Ag合金显微组织.为了进行性能对比,本实验采用同样方法制备的单晶铜试样与Cu2Ag合金试样进行了对比研究.2 实验结果与分析2.1 铸态Cu2Ag合金性能图1为连续定向凝固稳定生长阶段Cu2Ag合金铸锭(<8mm)的扫描电镜照片,经测量,胞晶间距为300～450μm,由图可见连续定向凝固Cu2Ag合金凝固组织是沿轴向平行排列的柱状晶(胞晶).经测试,铸态的抗拉强度为180MPa,相对导电率为97.5%IACS,同样条件下得到单晶铜抗拉强度为135MPa,相对导电率为101.5%IACS.
(a)纵剖面
(b)横截面图1 Cu2Ag合金铸锭(<8)扫描电镜纤维结构Fig.1 SEMmicrostructureofcopper2silveralloycasting2.2 冷加工对Cu2Ag合金强度和电导率的影响图2是连续定向凝固Cu2Ag合金铸棒冷加工(拉拔)后的组织,从图中可见经过大变形冷加工后,获得致密纤维结构组织的线材,并且随着压缩率的增加,纤维状结构更为细小,如图2b所示.
(a)纵剖面压缩率75%
(b)纵剖面压缩率93.75%图2 冷变形(拉拔)后的组织照片Fig.2 Microstructureofcopper2silveralloycastingaftercolddeformation图3是试样冷加工(拉拔)后的直径与抗拉强度之间的关系.由图可见,Cu2Ag合金冷变形态的强度随冷变形率的增加而升高.
图3 Cu2Ag合金线材塑性变形后直径与抗拉强度的关系Fig.3 Relationshipofstrengthtodiameterofplasticallydeformedcopper2silveralloywire表1是单晶铜、Cu2Ag合金室温导电性能比较(其中Ag的质量分数为0.1028%),可以看出,经过大变形冷加工后,无论单晶铜还是Cu2Ag合金,电阻率都有不同程度的增大,导电性能变差;在相同・41・ 兰州理工大学学报 第32卷的冷变形率下,单晶铜的相对导电率随冷变形的衰减幅度比Cu2Ag合金的要大,单晶铜和Cu2Ag合金相对导电率的衰减率分别为4.7%和1.5%.连续定向凝固铸锭经过冷加工后,由于塑性变形引起位错的增殖以及处于点阵平衡位置的原子转移到间隙位置而在原点阵结点处形成空位,引起点阵周期场的破坏,使位错密度增加,导致自由电子在晶格缺陷处散射几率增大,促使电阻率的增大[4].表1 单晶铜、Cu2Ag合金室温导电性能比较Tab.1 Conductivepropertyofmonocrystalcopperandcop2per2silveralloyatroomtemperature材料铸态(<8)电阻率ρ/(Ωmm2・m-1)相对导电率IACS/%冷变形态(变形率75%,<4)电阻率ρ/(Ωmm2・m-1)相对导电率IACS/%单晶铜Cu2Ag0.01663670.017461103.6398.730.01745710.017728598.7697.252.3 热处理对Cu2Ag合金抗拉强度的影响图4a为200℃退火后的Cu2Ag合金线材组织,EDAX分析发现溶质原子Ag在晶界偏聚.这是因为溶质原子与位错发生交互作用,Ag
原子首先
向位错周围拉应力区扩散
,并沿位错芯部通道扩散到晶界和晶体表面,由于晶界处原子排列松散,原子沿晶界的扩散比在点阵中的扩散要快得多,高温时
(a)200℃×1h
(b
)500℃×1h图4 不同温度退火后的Cu2Ag合金线材扫描电镜组织照片Fig.4 Microstructureofcopper2silverwireafterannea2lingatdifferenttemperature更为显著,金属在2/3Tm温度时,在晶界中原子的跃迁频率要比规则点阵原子的跃迁频率大一百万倍左右[5],溶质原子Ag沿晶界扩散并聚集长大.金属属于粘弹性固体,虽然应力2应变关系满足虎克定律,但应力与应变不同步,应变滞后于应力,在残余应力的作用下,金属发生驰豫,金属原子通过扩散,调整原子的排列,使应力得以释放.由图4b可见,500℃退火的Cu2Ag合金线材已发生再结晶.
图5 热处理温度与铸态抗拉强度的关系Fig.5 Relationshipofas2castingtensilestrengthtoan2nealingtemperature
图6 热处理温度与冷变形态抗拉强度的关系Fig.6 Relationship
ofstrengthofcolddeformedtoan2nealingtemperature图5所示为热处理温度与铸态抗拉强度的关系曲线,可以看出,铸态单晶铜、Cu2Ag合金在低温阶段随着退火温度的升高,抗拉强度逐渐增加,当温度超过某一数值后,退火温度升高,抗拉强度反而降低.单晶铜对应的峰值温度是200℃,Cu2Ag合金的转变温度为300℃,溶质原子Ag提高了合金的转变温度,增强了合金的高温热稳定性.冷加工后单晶铜的抗拉强度随热处理(退火)温度的升高逐渐减小,从室温到200℃之间,强度变化幅度不大,200～400℃间抗拉强度急剧减小,400℃后曲线趋于水平,强度基本上保持不变.而Cu2Ag合金在退火温度小于250℃时,抗拉强度与退火温度呈抛物线关・51・第5期 丁雨田等:热处理和冷变形对连续定向凝固Cu2Ag合金性能的影响 系,如图6所示,在此区间进行消除应力退火,强度值增大,在150～200℃退火可使抗拉强度达到极大值,约为396MPa.当退火温度大于200℃,强度随退火温度的升高而降低,200～350℃之间曲线斜率较小,说明强度随退火温度的变化较缓慢,退火温度大于350℃之后,抗拉强度随退火温度急剧减小,450℃后又趋于缓和.2.4 热处理对Cu2Ag合金导电性能的影响冷加工变形后的Cu2Ag合金,热处理温度对其合金线材电阻率的影响如图7所示.在保温时间相同的条件下,在350℃退火后,Cu2Ag合金的电阻率降低到最小值,单晶铜在250℃退火,电阻率取得最小值.电阻率与退火温度的关系曲线说明:低温阶段,电阻率随退火温度的升高呈下降趋势;达到某一退火温度,电阻率达到最小值;温度继续升高,电阻率又开始增大.也就是说,低温消除应力退火可使冷加工铜合金的电导率得到恢复.这是由于冷变形铜合金发生回复引起的,在回复过程中,原子有序化排列,随着变形储存能的释放,溶质原子从固溶体中析出并在晶界偏聚,降低了固溶体中的溶质原子浓度,使固溶体贫化,晶格畸变得到有效缓解,晶格点阵趋向规则、周期性排列;同时,晶体缺陷减少,由于位错的交滑移和攀移,使异号刃型位错相互抵消,位错密度降低,以上因素使得自由电子发生散射的几率减小,从而使冷加工铜合金的电阻率减小[6～8].在更高的温度退火时,由于发生再结晶,铸态的柱状晶组织
