張 濤， 陳小紅， 周洪雷， 王曉保， 趙金倫，劉 平， 馬鳳倉(cāng)， 劉科杰

（1. 上海理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200093；2. 上海申通地鐵集團(tuán)有限公司，上海 200233；3. 信承瑞技術(shù)有限公司，江蘇 常州 213025）

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，對(duì)其供電系統(tǒng)中起懸掛接觸線作用的承力索的需求量急劇增加，且對(duì)承力索性能的要求越來越高。要求承力索具有良好的導(dǎo)電性能、優(yōu)異的抗拉強(qiáng)度，能夠承受較大的張力和具有抗腐蝕能力，并且在溫度變化時(shí)材料的馳度變化較小。由于銅合金優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，能降低壓損和能耗，且抗腐蝕能力強(qiáng)，使得Cu承力索成為承力索的主要應(yīng)用產(chǎn)品。然而常規(guī)銅合金的抗拉強(qiáng)度低，不能承受較大的張力，且溫度變化時(shí)材料的馳度變化也大。所以研究新型承力索用銅合金有著重要意義和價(jià)值。

形變Cu-Cr合金是一類具有超高強(qiáng)度及優(yōu)良導(dǎo)電性能的導(dǎo)體材料，可用于高速鐵路接觸線、高速鐵路承力索和吊弦等領(lǐng)域[1-3]。形變Cu-Cr合金的高強(qiáng)度主要來源于Cu基體的加工硬化和第二相纖維的強(qiáng)化作用[4-5]。Deng等[4]對(duì)Cu-Cr合金的原位研究發(fā)現(xiàn)，隨著變形量的增加，Cr纖維強(qiáng)化作用不斷增強(qiáng)，使材料的抗拉強(qiáng)度不斷提高，從400 MPa增加到1 100 MPa。然而，在冷變形過程中，劇烈的塑性變形產(chǎn)生機(jī)械形變誘導(dǎo)，使在固態(tài)下不相容的兩相，如 Cu/Nb，Cu/Cr等[6-7]發(fā)生互溶，增加了對(duì)電子的散射，從而降低了合金的導(dǎo)電性能。Jin等[8]對(duì)Cu-Cr合金的研究發(fā)現(xiàn)，退火能使Cr在Cu中的過飽和固溶體發(fā)生調(diào)幅分解，形成納米沉淀，進(jìn)而減少雜質(zhì)散射，提高材料的電導(dǎo)率，在600 ℃退火時(shí)電導(dǎo)率達(dá)到最大值86 %IACS。

為了獲得較高的強(qiáng)度和良好的導(dǎo)電性能，滿足高速鐵路供電系統(tǒng)承力索材料的需求，本文制備了Cu-Cr-Zr合金。通過大變形拉拔和中間退火工藝，獲得良好的導(dǎo)電性和抗拉強(qiáng)度組合，并研究了中間退火工藝對(duì)Cu-Cr-Zr合金導(dǎo)電性能和力學(xué)性能的影響機(jī)理。

1 試驗(yàn)過程

1.1 合金制備

試驗(yàn)選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.95%的高純紫銅，Cu-25Cr，Cu-50Zr中間合金，在ZG-0.01型10 kg真空中頻感應(yīng)熔煉爐中熔煉（熔煉溫度為1 400～1 500 ℃，鎂砂坩堝），鑄模為開式圓柱狀（內(nèi)腔直徑88 mm，長(zhǎng)度 220 mm）20#鋼模。

1.2 合金的熱加工與固溶處理

鑄造獲得的直徑88 mm的Cu-15Cr-0.1Zr合金在900 ℃下保溫30 min，鍛造至直徑20 mm，然后對(duì)其進(jìn)行固溶處理。固溶處理工藝為：將試樣放入管式電阻爐中，在氬氣保護(hù)下，在1 000 ℃下保溫60 min后，在水中快速冷卻至室溫。

1.3 合金的冷加工與中間退火

將固溶處理后的試樣在室溫下進(jìn)行拉拔，每道次變形的應(yīng)變量不大于0.15，應(yīng)變量定義如式（1）所示，最終拉拔至直徑0.8 mm。試樣在拉拔過程中，分別在直徑為3，1.8和1.35 mm時(shí)，在管式爐中進(jìn)行中間退火。中間退火工藝分別為：450 ℃—450 ℃—450 ℃；500 ℃—450 ℃—450 ℃；500 ℃—500 ℃—450 ℃，每次中間退火均保溫60 min。

式中：η為應(yīng)變量；A0為試樣拉拔前的原始橫截面積；Af為試樣拉拔后的橫截面積。

經(jīng)過計(jì)算，拉拔至直徑為3，1.8，1.35和0.8 mm的試樣對(duì)應(yīng)的應(yīng)變量η分別為 3.79，4.81，5.39，6.43。

1.4 顯微組織觀察與檢測(cè)

首先采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%的濃硝酸對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行腐蝕，然后使用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察Cr纖維的結(jié)構(gòu)。采用透射電子顯微鏡（transmission electron microscopy，TEM）觀察材料的納米沉淀相及再結(jié)晶組織，同時(shí)采用系統(tǒng)自帶的能譜儀（energy dispersive X-ray analysis，EDX）對(duì)Cu/Cr纖維界面處進(jìn)行線掃描，測(cè)量纖維界面處的元素分布。

2 結(jié)果與討論

2.1 Cu-15Cr-0.1Zr合金的組織演變

圖1為Cu-15Cr-0.1Zr合金鑄錠鑄態(tài)和熱鍛后固溶態(tài)的SEM照片。Cu-15Cr-0.1Zr合金的鑄態(tài)組織由初生Cr枝晶和α基體構(gòu)成[9]。從圖1（a）中可以看出，第二相Cr以豐富的枝晶形態(tài)存在。從圖1（b）中可以看出，熱鍛后，粗大的Cr枝晶被破碎，沿鍛造方向均勻地分布在Cu基體中。

圖1 Cu-15Cr-0.1Zr合金微觀組織的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of the microstructure in Cu-15Cr-0.1Zr alloy

圖2為Cu-15Cr-0.1Zr合金中Cr相在應(yīng)變量為3.79和6.43時(shí)的SEM照片。對(duì)比圖2（a）和圖2（b）發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變量增大后，Cr相橫截面方向厚度減小，卷曲加劇，這是由于面心立方晶體結(jié)構(gòu)的Cu和體心立方晶體結(jié)構(gòu)的Cr的滑移系不同，開動(dòng)滑移系所需應(yīng)力大小也不同[10]，因此，拉拔變形過程中，Cr相為了保持與Cu相的變形相協(xié)調(diào)，使得Cr相的變形受到約束而發(fā)生卷曲，并且應(yīng)變?cè)酱?，卷曲越?qiáng)烈。

2.2 中間熱處理對(duì)電導(dǎo)率的影響

Cu基體決定了Cu合金的導(dǎo)電性能，但是第二相對(duì)電導(dǎo)率有一定影響。Cu基合金的電導(dǎo)率ρ由以下四部分組成[11]：

式中：ρint為界面散射電阻；ρimp為雜質(zhì)散射電阻；ρdis為缺陷散射電阻；ρpho為聲子散射電阻。

圖2 Cu-15Cr-0.1Zr合金不同應(yīng)變下微觀組織的SEM照片F(xiàn)ig. 2 SEM images of the microstructure in Cu-15Cr-0.1Zr alloy under different conditions

中間退火不僅有利于后續(xù)的拉拔變形，而且能夠有效地促進(jìn)Cu基體中Cr的析出，從而提高Cu-15Cr-0.1Zr合金的電導(dǎo)率。

圖3為中間退火對(duì)Cu-15Cr-0.1Zr合金電導(dǎo)率的影響曲線。在η=3.79時(shí)，對(duì)Cu-15Cr-0.1Zr合金進(jìn)行第一次中間退火，退火后合金的電導(dǎo)率比退火前大幅度提高，并且中間退火溫度越高，電導(dǎo)率越高。Cu-15Cr-0.1Zr合金的電導(dǎo)率經(jīng)450和500 ℃中間退火后從39 %IACS分別升高到70和75 %IACS。這是由于在退火過程中，過飽和固溶體發(fā)生了調(diào)幅分解，產(chǎn)生的納米沉淀Cr廣泛地分布在Cu基體和Cu/Cr纖維界面處（如圖4所示），并且隨著退火溫度的升高，沉淀析出相增加，溶質(zhì)散射電阻急劇減小[12]，同時(shí)回復(fù)和再結(jié)晶消除了一部分位錯(cuò)、空穴等缺陷，也有利于合金電導(dǎo)率的提高。

在η=4.81時(shí)對(duì)Cu-15Cr-0.1Zr合金進(jìn)行第二次中間退火，經(jīng)過450和500 ℃退火的試驗(yàn)合金的電導(dǎo)率仍有大幅度提高。當(dāng)η=6.43時(shí)，未進(jìn)行第三次中間退火的試驗(yàn)合金的電導(dǎo)率略有下，經(jīng)過第三次中間退火的試驗(yàn)合金的電導(dǎo)率有所升高。如圖2（b）和圖3所示，大變形后Cu/Cr界面密度急劇增加。Deng等[13]研究Cu-Nb合金時(shí)發(fā)現(xiàn)，界面密度急劇增加，界面散射增強(qiáng)，Cu合金的電導(dǎo)率急劇下降。然而如圖3所示，在Cu-15Cr-0.1Zr合金由η=3.79拉拔到η=6.43時(shí)，電導(dǎo)率并沒有明顯下降，這可能是由于中間退火能明顯消除Cu，Cr互溶[6-7]所引起的界面散射電阻對(duì)材料導(dǎo)電性能的影響，保持材料的電導(dǎo)率基本不變。

圖3 Cu-15Cr-0.1Zr合金電導(dǎo)率和界面面積隨應(yīng)變的變化趨勢(shì)Fig. 3 Variation trends of electrical conductivity and interface area in Cu-15Cr-0.1Zr alloy with the changes of strain

2.3 中間熱處理對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

如圖5（a）所示，中間退火導(dǎo)致Cu基體發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，然而如圖5（b）所示，第一次退火時(shí)強(qiáng)度略有提高，這是由于中間退火過程中過Cr飽和固溶體的條幅分解，形成納米沉淀Cr（如圖4所示），引起的沉淀強(qiáng)化，抵消了回復(fù)和再結(jié)晶所減弱的強(qiáng)度。第二次退火時(shí)，抗拉強(qiáng)度均不同程度下降，并且溫度越高，下降的越多. 這是因?yàn)檫M(jìn)行第二次退火時(shí)，Cr相納米沉淀已經(jīng)基本析出，沉淀強(qiáng)化效果小于加工硬化減弱對(duì)材料強(qiáng)度的影響，并且溫度越高加工硬化減弱越嚴(yán)重。如圖 5（b）所示，500 ℃—450 ℃—450 ℃退火工藝時(shí)，Cu-15Cr-0.1Zr合金的抗拉強(qiáng)度高于450 ℃—450 ℃—450 ℃退火工藝時(shí)的抗拉強(qiáng)度。這是因?yàn)?00 ℃退火能夠促進(jìn)更多的納米沉淀析出，析出的納米沉淀起到強(qiáng)烈的沉淀強(qiáng)化作用，而在后續(xù)的拉拔過程中，再次加工硬化提高了Cu-15Cr-0.1Zr合金的抗拉強(qiáng)度。結(jié)合中間退火工藝對(duì)試驗(yàn)合金導(dǎo)電率的影響，首次退火應(yīng)采用較高的溫度，使Cr充分析出，以保證Cu-15Cr-0.1Zr合金具有較高的導(dǎo)電性，后續(xù)退火溫度應(yīng)采用較低的溫度使加工硬化得到最大程度的積累以保證Cu-15Cr-0.1Zr合金具有較高的極限抗拉強(qiáng)度。

圖4 Cu-15Cr-0.1Zr合金的TEM明場(chǎng)相圖片F(xiàn)ig. 4 TEM bright field images of the Cu-15Cr-0.1Zr alloy

3 結(jié) 論

（1）第一次中間退火使Cu-Cr-Zr合金電導(dǎo)率大幅度上升的原因是Cr在Cu中的固溶體發(fā)生調(diào)幅分解，形成納米沉淀析出，大大減少了雜質(zhì)散射電阻；同樣的形變量下，中間退火溫度越高，電導(dǎo)率越好。

（2）高溫退火有利于提高電導(dǎo)率，低溫退火有利于加工硬化的積累，因此第一次中間退火溫度應(yīng)采用500 ℃，后續(xù)的中間退火應(yīng)采用450 ℃。