CuNiCrSiBeZr合金強化工藝研究

重有色合金特種鑄造及有色合金2011年第31卷第2期CuNiCrsibezr合金強化工藝研究曾剛謝春生!楊丹孫爰俊2孫景明2(1.江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院;2.鎮江四洋特種金屬材料制造有限公司)擴要研究了固溶時(shí)效及冷變形十時(shí)效等工藝對無(wú)Co低Be的汽輪機轉子槽楔材料 CuNiCrSi zr合金組織與性能的影響。結果表明,該合金經(jīng)960℃×1.5h固溶+30%~38%冷變形+490℃×3h時(shí)效處理后,合金具有優(yōu)良的綜合性能,其硬度(HB)為256,電導率為30.0MS/m,軟化溫度達到525℃,室溫下抗拉強度為827MPa,屈服強度為79MPa,伸長(cháng)率為16%,經(jīng)超聲波探傷儀探傷合格,滿(mǎn)足了服役條件苛刻的汽輪發(fā)電機轉子槽楔的使用要求關(guān)鍵詞槽楔; CuNiCrSibezr合金;時(shí)效處理;硬度;電導率中圖分類(lèi)號TG146.1+1文獻標志碼A文章編號1001-2249(2011)02-0191-04DoL:10.3870/tzxz.2011.02.03近幾年來(lái),因超(超)臨界汽輪發(fā)電機組熱效率高衰1 CuNiCrSiBezr合金的化學(xué)成分煤耗低、產(chǎn)生的污染少,在國內受到重視與發(fā)展。我國己引進(jìn)國外超(超)臨界大容量汽輪發(fā)電機組生產(chǎn)技CrZr雜質(zhì)含量Cu1.60~2.200.45~0.600.25~0,500.25~0.450.15~0.30≤0.035余量術(shù)2,超(超)臨界大容量汽輪發(fā)電機組已在國內運行發(fā)電。汽輪發(fā)電機轉子銅合金槽楔是發(fā)電機轉子阻尼及銅合金電導率渦流檢測方法》,采用FQR7501渦流系統的關(guān)鍵構建之一。應用于超(超)臨界汽輪發(fā)電機導電儀測試不同狀態(tài)下合金的電導率;根據GB/T28組的銅合金槽楔比亞臨界汽輪發(fā)電機組的銅合金槽楔200金屬材料室溫拉伸試驗方法)和CB7T4300經(jīng)受溫度更高壓力更大及速度更快的蒸氣沖蝕,因《金屬材料高溫拉伸試驗方法》分別對合金的室溫和高此研制一種具有良好導電、導熱性,且在室溫和高溫下溫強度進(jìn)行測試:用HAL100型大型金相顯微鏡觀(guān)察具有較高強韌性的大容量汽輪發(fā)電機轉子槽楔銅合金,金相組織;用JSM6480掃描電子顯微鏡對合金組織與確保發(fā)電機組安全可靠運行具有重要意義。微觀(guān)結構進(jìn)行分析。計與制造的 CuNiCrSiBeZr銅合金的不用或少2試驗結果及分析用貴金屬元素和對環(huán)境造成污染的元素,本試驗對該合金進(jìn)行了較系統的熱處理工藝試驗,使合金獲得了高強2.1 CuNiCrSiBezr合金鑄態(tài)組織及性能韌、高導電性的優(yōu)良綜合性能,這對于我國研究開(kāi)發(fā)新圖1為 CuNiCrSibezr合金的鑄態(tài)組織,合金的晶型槽楔銅合金,替代進(jìn)口的銅合金,降低成本,減少環(huán)境粒尺寸在100~350m之間,大小不均勻平均直徑在污染,具有重要意義。150pm左右,組織中存在明顯晶內偏析和枝晶偏析1試驗材料與方法這是由于合金在澆注過(guò)程中,先結晶部分含高熔點(diǎn)的元素多,后結晶部分含低熔點(diǎn)的元素多,又由于金屬型澆研究的 CuNiCrSi Bear合金中合金元素除Cu、Ni注,冷卻速度快,固溶體合金不平衡結晶品,合金元素擴散以外,均以中間合金的方式加入在ZGL.05型真空不均勻,形成的晶內偏析和枝晶偏析使合金的力學(xué)性能感應爐中熔煉熔煉溫度為1345℃,充分攪拌扒渣后,下降,硬度、電導率較低硬度(HB)平均值為128,電導非真空澆注到預熱溫度為250℃的圓柱鐵模內。鑄錠率為16.24MS/m,不能滿(mǎn)足使用性能要求除去冒口,表面剝皮后,熱鍛成直徑為25mm圓棒后并22 CuNiCrsiBezr合金的固溶組織與性能切割成不同長(cháng)度試樣。合金的化學(xué)成分見(jiàn)表1。各種CuNiCrSibezr合金經(jīng)熱鍛后在不同溫度下固溶處熱處理工藝試驗在12kW的箱式電阻爐中進(jìn)行,其溫理(保溫1.5h),硬度和電導率均發(fā)生變化。在銅合金度誤差為±5℃。的強化方法中,固溶造成的晶格畸變對電導率的影響最根據GB/T231.12002《金屬布氏硬度試驗方法》大,圖亠前整田溶溫度的升高,合金測定不同狀態(tài)下合金的硬度;參照YS/T478-2005《銅的電中國煤菜化溫下固溶體中合金元CNMHG收稿日期:2009-1213;修改稿收到日期:2010-0620蒿金項目:江蘇省科技攻關(guān)項目(BE200768)第一作奢簡(jiǎn)介;曾剛,男,1984年出生,碩土研究生江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院江蘇鎮江(212003),電話(huà):13861356722,E-mil1tg8andy@通訊作者:謝春生,男,1948年出生教授江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院江蘇鎮江(212003),電話(huà):13812459403,E-mailixiecszj@yahoo.com,cn191特種鑄造及有色合金2011年第31卷第2期合金較佳固溶處理溫度。 CuNiCrSiBezr合金經(jīng)960℃×1.5h固溶處理后,試樣的硬度(HB)和電導率分別為65和12.76MS/m。圖3為 CuNiCrSiBeZr合金在960℃固溶處理后的顯微組織,為較小的aCu銅單相固溶體,晶粒的平均直徑在450μm左右500圖1 CuNiCrSi Bear合金的鑄態(tài)組織素的平衡濃度較高溫度越高合金中溶入的合金元素越多,造成基體品格的畸變越大,對導電電子的散射作用就越大,合金的電導率也就越低;在960℃時(shí),合金的電導率降到最低,說(shuō)明基體固溶體中溶質(zhì)原子溶解較充500分,對導電電子的散射作用最大;在960℃之后隨著(zhù)溫圖3 CuNiCrSiBezr合金960℃固溶處理后的顯微組織度的升高電導率由下降變?yōu)樯仙?這說(shuō)明雖然隨著(zhù)溫2.3 CuNiCrSiBezr合金固溶后時(shí)效的組織與性能度的升高,溶質(zhì)原子的固溶度不斷增大,但是在高溫狀CuNiCrSiBezr合金經(jīng)固溶處理獲得的過(guò)飽和固溶態(tài)下氧原子在合金中的擴散量也在增大合金元素的內體處于熱力學(xué)不穩定狀態(tài),在加熱時(shí)發(fā)生過(guò)飽和固溶體氧化加劇,Be、Zr、Ni都是氧化性很強的合金元素,合金的脫溶分解和第二相的沉淀析出。其強化效果主要取元素的大量氧化使得溶人在aCu中的溶質(zhì)原子的量減決于合金的時(shí)效溫度和保溫時(shí)間”。少,Cu晶格的畸變減小,從而Cu晶格對自由電子的散2.3.1時(shí)效溫度對合金性能的影響射作用降低,再加上溫度升高,合金的晶粒長(cháng)大,因為晶對導電電子也有散射作用,隨著(zhù)晶界數量減少,從時(shí)效溫度過(guò)高或過(guò)低都達不到強化效果,由于時(shí)效而導致合金的電導率上升。過(guò)程一般是由過(guò)渡相向平衡相轉變,時(shí)效溫度過(guò)低析出不充分,強化效果差;時(shí)效溫度過(guò)高,則容易引起原來(lái)析出的細小析出相聚集長(cháng)大,使析出相與基體完全脫離共格關(guān)系使合金的強化效果下降,即產(chǎn)生過(guò)時(shí)效。圖4為 CuNiCrSiBezr合金在不同溫度時(shí)效3h后其硬度12.76和電導率隨時(shí)效溫度變化曲線(xiàn)。合金硬度主要取決于其時(shí)效析出相的分布和尺寸大小,從圖4可見(jiàn),合金固溶溫度/℃經(jīng)較佳的工藝固溶處理后再經(jīng)490℃時(shí)效,合金的硬度圍2國溶溫度對 CuNiCrSiBeZr合金硬度和電導率的影響和電導率達到較理想的配合,即合金在保持較高的硬度由于在固溶處理過(guò)程中,隨著(zhù)固溶溫度的升高,一的同時(shí),具有較高的電導率。硬度(HB)≥240,電導率部分過(guò)剩相化合物溶入固溶體中,但溶質(zhì)元素在固溶體≥26.10MS/m。隨時(shí)效溫度的升高,第二相逐漸析中的溶解度也在增大,從而引起晶格畸變的程度不斷增出,合金中固溶體的缺陷密度降低晶格的完整性得到加即溶質(zhì)原子對位錯起到了“釘扎”作用不斷增大,不恢復,合金電導率持續升高斷形成的“柯氏氣團”所造成的位錯阻力不斷增加,使合30廠(chǎng)·硬度金得到強化;但過(guò)剩相化合物的減少使得位錯的移動(dòng)更300電導加容易,使合金軟化,合金硬度的變化是這兩種機理共同作用的結果。在960℃之前隨著(zhù)溫度的升高,合金元素不斷溶入固溶體中,過(guò)剩相減少引起的合金軟化超過(guò)合金元素溶入固溶體引起的固溶強化使合金的硬度下降,960℃之后,隨著(zhù)溫度的升高,過(guò)剩相化合物的中國煤化工溶入量已近極限因而溶質(zhì)原子的固溶強化占了主導地CNMHG導率隨時(shí)效溫度變化位,而H隨著(zhù)溫度升高,內氧化加劇因此合金硬度出現2.3.2時(shí)效時(shí)間對合金性能的影響升高根據上述獲得的時(shí)效溫度的試驗結果,取3組試從固溶處理的目的來(lái)看,960℃是 CuNiCrSi bez19方數據CuNiCrSibezr合金強化工藝研究曾剛等樣,分別在470、490,510℃溫度下,對合金進(jìn)行保溫不2,4冷變形對 CuNiCrSiBezr合金時(shí)效組織與性能的同時(shí)間的時(shí)效處理,合金的硬度和電導率的變化見(jiàn)圖影響5。從圖5a可見(jiàn),隨著(zhù)時(shí)效時(shí)間的延長(cháng),合金的硬度升CuNiCrSiBezr合金經(jīng)960℃×1.5h最佳固溶處高,達到峰值之后呈下降趨勢,且時(shí)效溫度越高,達到峰理后,分別按20%、30%、40%、60%的變形量進(jìn)行壓縮值所需時(shí)間就越短,對應的峰值就越低。這是由于時(shí)效變形然后在490℃保溫3h進(jìn)行時(shí)效處理初期,第二相粒子不斷從基體中析出,硬度升高,達到峰冷變形后再時(shí)效是提高銅合金硬度和電導率的有值后隨時(shí)間的延長(cháng)析出顆粒長(cháng)大成穩定相,分散度降效強化措施。經(jīng)冷變形的試樣組織中存在明顯的滑移低同時(shí)也會(huì )因時(shí)效時(shí)間過(guò)長(cháng)晶粒長(cháng)大孿晶消失等因帶孿晶及顯微組織等變形痕跡。在滑移帶上,位錯等素使硬度在達到峰值后又隨時(shí)間延長(cháng)而降低0。而溫缺陷的密度很高,同時(shí)冷變形也大大增加了合金的內度越高,過(guò)飽和固溶體分解越快,晶粒粗化也越快。合能,為時(shí)效析出相提供更多的非自發(fā)晶核和應變能,提金經(jīng)490℃時(shí)效3h后,獲得較高的硬度。由圖5b可高過(guò)飽和固溶體的分解速度和析出物的密度;冷變形除見(jiàn),時(shí)效初期,合金的電導率迅速上升而后逐漸趨緩,這了使析出物形核點(diǎn)增多,還使析出物更加彌散分布,所是由于在時(shí)效初期溶質(zhì)原子從固溶體中脫溶析出,基以能顯著(zhù)提高合金的時(shí)效強化效果,但冷變形后合體晶格得到較快的恢復隨后電導率上升減緩則是由于金的時(shí)效過(guò)程比較復雜除了過(guò)飽和固溶體脫溶之外還隨著(zhù)時(shí)間的延長(cháng),基體中固溶元素含量減少析出動(dòng)力伴隨合金的回復和再結晶,先前冷變形造成的加工硬化減小析出速度相應變慢,電導率上升也變緩,考慮效果基本消失,但合金的晶粒得到顯著(zhù)的細化合金的綜合性能由圖5可見(jiàn),合金在490℃時(shí)效3h,圖7為冷變形對 CuNiCrSibezr合金硬度及電導能獲得良好的綜合性能。率影響的曲線(xiàn)圖。由圖7可見(jiàn),當變形量在30%之前時(shí),合金的硬度和電導率隨變形量的增大而逐漸升高。當變形量在30%時(shí),合金的硬度和電導率出現了峰值,470所以對合金進(jìn)行30%左右的變形時(shí)合金可達到良好的強化效果;當變形量超過(guò)30%冷變形后時(shí)效,硬度可能是因為隨著(zhù)冷變形量的增大,其再結晶溫度降低,合金旮2346623466再結晶過(guò)程加快,使合金在時(shí)效中發(fā)生晶粒粗化,導致在同樣時(shí)效3h時(shí)合金的硬度降低。隨變形量的增大(b)電導率電導率開(kāi)始逐步升高,但隨著(zhù)冷變形的進(jìn)一步增加,超圖5 CuNiCrSiBeZr合金時(shí)效時(shí)間與合金硬度及電導率的過(guò)30%后合金電導率趨于平緩下降。關(guān)系圖6為合金經(jīng)490℃×3h時(shí)效后的顯微組織,從圖6a上可以觀(guān)察到合金具有比較細小的晶粒,但仍有a.00少量未溶的細小化合物和孿晶。從過(guò)飽和的a固溶體中析出的第二相粒子非常細小,只有在電子顯微鏡下才能觀(guān)察到2),見(jiàn)圖6b。圖7冷變形對 CuNiCrSiBezr合金電導率及硬度的彩響圖8為 CuNiCrSi Bear合金經(jīng)30%冷變形后490P℃×3h時(shí)效后的顯微組織。從圖8a可以看出,合金的組織比較均勻,晶粒大小與未經(jīng)冷變形的合金時(shí)效時(shí)相近,晶粒內仍存在著(zhù)孿晶晶內仍有少量未溶化合物在光學(xué)顯微鏡下不能看到細小的析出相,只有在電子顯微鏡了V「中國煤化工鏡下的組到,可以看到細小CNMHG性能與美國西屋公司CuCo2BeZr合金的技術(shù)指標。從表2可以看出,Cu(a)罡微組織(b)SEM圖像圖6 CuNiCrSibezr合金經(jīng)490℃Ⅹ3h時(shí)效后的顯微組織NiCrSibezr合金經(jīng)960℃×1.5h固溶處理后,再經(jīng)30%~38%冷變形,并在490℃時(shí)效保溫3h后,合金193一特種鑄造及有色合金2011年第31卷第2期溫度為525℃,在銅合金材料中該合金具有較高的抗高溫軟化能力3結論(1) CuNiCrSiBezr合金的較佳固溶工藝是960℃×1.5h,隨后在490℃×3h時(shí)效,合金硬度HB為230、電導率為26.10MS/m,合金具有較高的硬度和電導率(2)冷變形對合金的強化效果有重要的影響,合金固溶后經(jīng)30%~38%的變形十490℃C×3h時(shí)效處理(a)顯微組織(b)SEM圖像可以獲得比未經(jīng)冷變形處理更好的綜合性能。圖830%冷變形后 CuNiCrSiBeZr合金經(jīng)490℃×3h時(shí)3)該合金經(jīng)960℃×1.5h固溶+30%~38%效后的顯微組織冷變形+490℃×3h時(shí)效后,性能良好,硬度(HB)達具有良好的硬度和電導率硬度(HB)達到256,電導率到256,電導率達到30.00MS/m,軟化溫度達到525達到30.00MS/m,合金的室溫抗拉強度為827MPa,℃,室溫下抗拉強度、屈服強度和伸長(cháng)率分別到達827屈服強度為779MPa,伸長(cháng)率為16.36%。與西屋公司MPa、79MPa和16.36%。的技術(shù)指標相比均有所提升,特別是強度和硬度指標提參考文讞升較大。將 CuNiCrSiBezr合金按照QOA931.110《銅[1]柯文石,華能玉環(huán)電廠(chǎng)1000MW超超臨界機組建設的探討與實(shí)質(zhì)槽楔超聲波探傷規范》要求加工成表面粗糙度Ra≤踐[門(mén)].電力建設,2005,26(6):1-53.2pm的方形槽楔,并對其進(jìn)行檢測,檢測后未發(fā)現微[2]江哲生,意衛國,毛國光,國產(chǎn)1000MW超超臨界機組技術(shù)綜述裂紋、氣孔、疏松、夾雜及化合物等微觀(guān)缺陷,滿(mǎn)足了超[冂].電力建設,2007,28(8):6-13臨界用汽輪發(fā)電機轉子槽楔的使用要求。[3]毛雪平,王罡,馬志勇,超超臨界機組汽輪機材料發(fā)展狀況[]表2銅合金的力學(xué)與物理性能現代電力,2005,22(1):69-75.[4]馮端,師昌緒,劉治國,材料科學(xué)導論[M.北京:化學(xué)工業(yè)出版m/MPaa/MPab/%硬度電導率/(HB)(MS·mCuCo2BZr(西屋公司)≥690≥590≥15≥197≥26.10[5]劉喜波,董企銘,劉平,等.固溶和時(shí)效工藝對接觸線(xiàn)用 Cu-Ag-CrCuNiCrSiBczr77916.36256合金組織與性能的影響[].理化檢驗物理分冊,200,40(8)9-382,406.注:HRB92.8相當于HB197[6]田榮璋.金屬熱處理[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1985.2.5合金的軟化溫度[冂]諾維柯夫NN.金屬熱處理[M].王子褚譯.北京:機械工業(yè)出版根據ISO5182:1991標準1, CuNiCrSibezr合金杜,1987[8]謝春生,周健,任合,等.稀土鉻皓銅合金強化工藝研究[門(mén)].金屬經(jīng)960℃×1.5h固溶+30%~38%冷變形+490℃熱處理,2001(6):12-14.3h的工藝處理后分別在500,530、560、590和620[9]朱治愿,周虎,謝春生. CuNiBesire合金強化工藝研究[].機械℃保溫2h后淬水,然后測出各個(gè)試樣的硬度值,軟化工程材料,2003,27012):2628.曲線(xiàn)見(jiàn)圖9。由圖9可見(jiàn), CuNiCrSiBeZr合金的軟化[10]徐玉松,李學(xué)浩,陳葡飛,等.熱處理工藝對 CuNiTiB合金組織及性能的影響[].機被工程材料[11]邢如意,康布喜,蘇娟華等.時(shí)效對 Cu- crsn-Zn合金硬度和導電率的影響[.有色金屬,2004,56(4):18-20.[12]董明水,孫愛(ài)俊,遲水祥,等. CuCoBe TiZr合金強化工藝與組織和性能研究[門(mén)].金屬熱處理,2003,28(8):2327.[13]劉技文,王子元.新型高導電BNCu合金性能研充[.金屬熱處理,1996,(1):39410585600615630[14] IS05182, 1991, Welding-materials for resistance welding elec-中國煤化工圖9加熱溫度對 CuNiCrSiBezr合金硬度的影響CNMHG(綸:劉衛19方數據