CuNiCrSiBeZr合金强化工艺研究

重有色合金特种铸造及有色合金2011年第31卷第2期CuNiCrsibezr合金强化工艺研究曾刚谢春生!杨丹孙爰俊2孙景明2(1.江苏科技大学材料科学与工程学院;2.镇江四洋特种金属材料制造有限公司)擴要研究了固溶时效及冷变形十时效等工艺对无Co低Be的汽轮机转子槽楔材料 CuNiCrSi zr合金组织与性能的影响。结果表明,该合金经960℃×1.5h固溶+30%~38%冷变形+490℃×3h时效处理后,合金具有优良的综合性能,其硬度(HB)为256,电导率为30.0MS/m,软化温度达到525℃,室温下抗拉强度为827MPa,屈服强度为79MPa,伸长率为16%,经超声波探伤仪探伤合格,满足了服役条件苛刻的汽轮发电机转子槽楔的使用要求关键词槽楔; CuNiCrSibezr合金;时效处理;硬度;电导率中图分类号TG146.1+1文献标志码A文章编号1001-2249(2011)02-0191-04DoL:10.3870/tzxz.2011.02.03近几年来,因超(超)临界汽轮发电机组热效率高衰1 CuNiCrSiBezr合金的化学成分煤耗低、产生的污染少,在国内受到重视与发展。我国己引进国外超(超)临界大容量汽轮发电机组生产技CrZr杂质含量Cu1.60~2.200.45~0.600.25~0,500.25~0.450.15~0.30≤0.035余量术2,超(超)临界大容量汽轮发电机组已在国内运行发电。汽轮发电机转子铜合金槽楔是发电机转子阻尼及铜合金电导率涡流检测方法》,采用FQR7501涡流系统的关键构建之一。应用于超(超)临界汽轮发电机导电仪测试不同状态下合金的电导率;根据GB/T28组的铜合金槽楔比亚临界汽轮发电机组的铜合金槽楔200金属材料室温拉伸试验方法)和CB7T4300经受温度更高压力更大及速度更快的蒸气冲蚀,因《金属材料高温拉伸试验方法》分别对合金的室温和高此研制一种具有良好导电、导热性,且在室温和高温下温强度进行测试:用HAL100型大型金相显微镜观察具有较高强韧性的大容量汽轮发电机转子槽楔铜合金,金相组织;用JSM6480扫描电子显微镜对合金组织与确保发电机组安全可靠运行具有重要意义。微观结构进行分析。计与制造的 CuNiCrSiBeZr铜合金的不用或少2试验结果及分析用贵金属元素和对环境造成污染的元素,本试验对该合金进行了较系统的热处理工艺试验,使合金获得了高强2.1 CuNiCrSiBezr合金铸态组织及性能韧、高导电性的优良综合性能,这对于我国研究开发新图1为 CuNiCrSibezr合金的铸态组织,合金的晶型槽楔铜合金,替代进口的铜合金,降低成本,减少环境粒尺寸在100~350m之间,大小不均匀平均直径在污染,具有重要意义。150pm左右,组织中存在明显晶内偏析和枝晶偏析1试验材料与方法这是由于合金在浇注过程中,先结晶部分含高熔点的元素多,后结晶部分含低熔点的元素多,又由于金属型浇研究的 CuNiCrSi Bear合金中合金元素除Cu、Ni注,冷却速度快,固溶体合金不平衡结晶品,合金元素扩散以外,均以中间合金的方式加入在ZGL.05型真空不均匀,形成的晶内偏析和枝晶偏析使合金的力学性能感应炉中熔炼熔炼温度为1345℃,充分搅拌扒渣后,下降,硬度、电导率较低硬度(HB)平均值为128,电导非真空浇注到预热温度为250℃的圆柱铁模内。铸锭率为16.24MS/m,不能满足使用性能要求除去冒口,表面剥皮后,热锻成直径为25mm圆棒后并22 CuNiCrsiBezr合金的固溶组织与性能切割成不同长度试样。合金的化学成分见表1。各种CuNiCrSibezr合金经热锻后在不同温度下固溶处热处理工艺试验在12kW的箱式电阻炉中进行,其温理(保温1.5h),硬度和电导率均发生变化。在铜合金度误差为±5℃。的强化方法中,固溶造成的晶格畸变对电导率的影响最根据GB/T231.12002《金属布氏硬度试验方法》大,图亠前整田溶温度的升高,合金测定不同状态下合金的硬度;参照YS/T478-2005《铜的电中国煤菜化温下固溶体中合金元CNMHG收稿日期:2009-1213;修改稿收到日期:2010-0620蒿金项目:江苏省科技攻关项目(BE200768)第一作奢简介;曾刚,男,1984年出生,硕土研究生江苏科技大学材料科学与工程学院江苏镇江(212003),电话:13861356722,E-mil1tg8andy@通讯作者:谢春生,男,1948年出生教授江苏科技大学材料科学与工程学院江苏镇江(212003),电话:13812459403,E-mailixiecszj@yahoo.com,cn191特种铸造及有色合金2011年第31卷第2期合金较佳固溶处理温度。 CuNiCrSiBezr合金经960℃×1.5h固溶处理后,试样的硬度(HB)和电导率分别为65和12.76MS/m。图3为 CuNiCrSiBeZr合金在960℃固溶处理后的显微组织,为较小的aCu铜单相固溶体,晶粒的平均直径在450μm左右500图1 CuNiCrSi Bear合金的铸态组织素的平衡浓度较高温度越高合金中溶入的合金元素越多,造成基体品格的畸变越大,对导电电子的散射作用就越大,合金的电导率也就越低;在960℃时,合金的电导率降到最低,说明基体固溶体中溶质原子溶解较充500分,对导电电子的散射作用最大;在960℃之后随着温图3 CuNiCrSiBezr合金960℃固溶处理后的显微组织度的升高电导率由下降变为上升,这说明虽然随着温2.3 CuNiCrSiBezr合金固溶后时效的组织与性能度的升高,溶质原子的固溶度不断增大,但是在高温状CuNiCrSiBezr合金经固溶处理获得的过饱和固溶态下氧原子在合金中的扩散量也在增大合金元素的内体处于热力学不稳定状态,在加热时发生过饱和固溶体氧化加剧,Be、Zr、Ni都是氧化性很强的合金元素,合金的脱溶分解和第二相的沉淀析出。其强化效果主要取元素的大量氧化使得溶人在aCu中的溶质原子的量减决于合金的时效温度和保温时间”。少,Cu晶格的畸变减小,从而Cu晶格对自由电子的散2.3.1时效温度对合金性能的影响射作用降低,再加上温度升高,合金的晶粒长大,因为晶对导电电子也有散射作用,随着晶界数量减少,从时效温度过高或过低都达不到强化效果,由于时效而导致合金的电导率上升。过程一般是由过渡相向平衡相转变,时效温度过低析出不充分,强化效果差;时效温度过高,则容易引起原来析出的细小析出相聚集长大,使析出相与基体完全脱离共格关系使合金的强化效果下降,即产生过时效。图4为 CuNiCrSiBezr合金在不同温度时效3h后其硬度12.76和电导率随时效温度变化曲线。合金硬度主要取决于其时效析出相的分布和尺寸大小,从图4可见,合金固溶温度/℃经较佳的工艺固溶处理后再经490℃时效,合金的硬度围2国溶温度对 CuNiCrSiBeZr合金硬度和电导率的影响和电导率达到较理想的配合,即合金在保持较高的硬度由于在固溶处理过程中,随着固溶温度的升高,一的同时,具有较高的电导率。硬度(HB)≥240,电导率部分过剩相化合物溶入固溶体中,但溶质元素在固溶体≥26.10MS/m。随时效温度的升高,第二相逐渐析中的溶解度也在增大,从而引起晶格畸变的程度不断增出,合金中固溶体的缺陷密度降低晶格的完整性得到加即溶质原子对位错起到了“钉扎”作用不断增大,不恢复,合金电导率持续升高断形成的“柯氏气团”所造成的位错阻力不断增加,使合30厂·硬度金得到强化;但过剩相化合物的减少使得位错的移动更300电导加容易,使合金软化,合金硬度的变化是这两种机理共同作用的结果。在960℃之前随着温度的升高,合金元素不断溶入固溶体中,过剩相减少引起的合金软化超过合金元素溶入固溶体引起的固溶强化使合金的硬度下降,960℃之后,随着温度的升高,过剩相化合物的中国煤化工溶入量已近极限因而溶质原子的固溶强化占了主导地CNMHG导率随时效温度变化位,而H随着温度升高,内氧化加剧因此合金硬度出现2.3.2时效时间对合金性能的影响升高根据上述获得的时效温度的试验结果,取3组试从固溶处理的目的来看,960℃是 CuNiCrSi bez19方数据CuNiCrSibezr合金强化工艺研究曾刚等样,分别在470、490,510℃温度下,对合金进行保温不2,4冷变形对 CuNiCrSiBezr合金时效组织与性能的同时间的时效处理,合金的硬度和电导率的变化见图影响5。从图5a可见,随着时效时间的延长,合金的硬度升CuNiCrSiBezr合金经960℃×1.5h最佳固溶处高,达到峰值之后呈下降趋势,且时效温度越高,达到峰理后,分别按20%、30%、40%、60%的变形量进行压缩值所需时间就越短,对应的峰值就越低。这是由于时效变形然后在490℃保温3h进行时效处理初期,第二相粒子不断从基体中析出,硬度升高,达到峰冷变形后再时效是提高铜合金硬度和电导率的有值后随时间的延长析出颗粒长大成稳定相,分散度降效强化措施。经冷变形的试样组织中存在明显的滑移低同时也会因时效时间过长晶粒长大孪晶消失等因带孪晶及显微组织等变形痕迹。在滑移带上,位错等素使硬度在达到峰值后又随时间延长而降低0。而温缺陷的密度很高,同时冷变形也大大增加了合金的内度越高,过饱和固溶体分解越快,晶粒粗化也越快。合能,为时效析出相提供更多的非自发晶核和应变能,提金经490℃时效3h后,获得较高的硬度。由图5b可高过饱和固溶体的分解速度和析出物的密度;冷变形除见,时效初期,合金的电导率迅速上升而后逐渐趋缓,这了使析出物形核点增多,还使析出物更加弥散分布,所是由于在时效初期溶质原子从固溶体中脱溶析出,基以能显著提高合金的时效强化效果,但冷变形后合体晶格得到较快的恢复随后电导率上升减缓则是由于金的时效过程比较复杂除了过饱和固溶体脱溶之外还随着时间的延长,基体中固溶元素含量减少析出动力伴随合金的回复和再结晶,先前冷变形造成的加工硬化减小析出速度相应变慢,电导率上升也变缓,考虑效果基本消失,但合金的晶粒得到显著的细化合金的综合性能由图5可见,合金在490℃时效3h,图7为冷变形对 CuNiCrSibezr合金硬度及电导能获得良好的综合性能。率影响的曲线图。由图7可见,当变形量在30%之前时,合金的硬度和电导率随变形量的增大而逐渐升高。当变形量在30%时,合金的硬度和电导率出现了峰值,470所以对合金进行30%左右的变形时合金可达到良好的强化效果;当变形量超过30%冷变形后时效,硬度可能是因为随着冷变形量的增大,其再结晶温度降低,合金旮2346623466再结晶过程加快,使合金在时效中发生晶粒粗化,导致在同样时效3h时合金的硬度降低。随变形量的增大(b)电导率电导率开始逐步升高,但随着冷变形的进一步增加,超图5 CuNiCrSiBeZr合金时效时间与合金硬度及电导率的过30%后合金电导率趋于平缓下降。关系图6为合金经490℃×3h时效后的显微组织,从图6a上可以观察到合金具有比较细小的晶粒,但仍有a.00少量未溶的细小化合物和孪晶。从过饱和的a固溶体中析出的第二相粒子非常细小,只有在电子显微镜下才能观察到2),见图6b。图7冷变形对 CuNiCrSiBezr合金电导率及硬度的彩响图8为 CuNiCrSi Bear合金经30%冷变形后490P℃×3h时效后的显微组织。从图8a可以看出,合金的组织比较均匀,晶粒大小与未经冷变形的合金时效时相近,晶粒内仍存在着孪晶晶内仍有少量未溶化合物在光学显微镜下不能看到细小的析出相,只有在电子显微镜了V「中国煤化工镜下的组到,可以看到细小CNMHG性能与美国西屋公司CuCo2BeZr合金的技术指标。从表2可以看出,Cu(a)罡微组织(b)SEM图像图6 CuNiCrSibezr合金经490℃Ⅹ3h时效后的显微组织NiCrSibezr合金经960℃×1.5h固溶处理后,再经30%~38%冷变形,并在490℃时效保温3h后,合金193一特种铸造及有色合金2011年第31卷第2期温度为525℃,在铜合金材料中该合金具有较高的抗高温软化能力3结论(1) CuNiCrSiBezr合金的较佳固溶工艺是960℃×1.5h,随后在490℃×3h时效,合金硬度HB为230、电导率为26.10MS/m,合金具有较高的硬度和电导率(2)冷变形对合金的强化效果有重要的影响,合金固溶后经30%~38%的变形十490℃C×3h时效处理(a)显微组织(b)SEM图像可以获得比未经冷变形处理更好的综合性能。图830%冷变形后 CuNiCrSiBeZr合金经490℃×3h时3)该合金经960℃×1.5h固溶+30%~38%效后的显微组织冷变形+490℃×3h时效后,性能良好,硬度(HB)达具有良好的硬度和电导率硬度(HB)达到256,电导率到256,电导率达到30.00MS/m,软化温度达到525达到30.00MS/m,合金的室温抗拉强度为827MPa,℃,室温下抗拉强度、屈服强度和伸长率分别到达827屈服强度为779MPa,伸长率为16.36%。与西屋公司MPa、79MPa和16.36%。的技术指标相比均有所提升,特别是强度和硬度指标提参考文谳升较大。将 CuNiCrSiBezr合金按照QOA931.110《铜[1]柯文石,华能玉环电厂1000MW超超临界机组建设的探讨与实质槽楔超声波探伤规范》要求加工成表面粗糙度Ra≤践[门].电力建设,2005,26(6):1-53.2pm的方形槽楔,并对其进行检测,检测后未发现微[2]江哲生,意卫国,毛国光,国产1000MW超超临界机组技术综述裂纹、气孔、疏松、夹杂及化合物等微观缺陷,满足了超[冂].电力建设,2007,28(8):6-13临界用汽轮发电机转子槽楔的使用要求。[3]毛雪平,王罡,马志勇,超超临界机组汽轮机材料发展状况[]表2铜合金的力学与物理性能现代电力,2005,22(1):69-75.[4]冯端,师昌绪,刘治国,材料科学导论[M.北京:化学工业出版m/MPaa/MPab/%硬度电导率/(HB)(MS·mCuCo2BZr(西屋公司)≥690≥590≥15≥197≥26.10[5]刘喜波,董企铭,刘平,等.固溶和时效工艺对接触线用 Cu-Ag-CrCuNiCrSiBczr77916.36256合金组织与性能的影响[].理化检验物理分册,200,40(8)9-382,406.注:HRB92.8相当于HB197[6]田荣璋.金属热处理[M].北京:冶金工业出版社,1985.2.5合金的软化温度[冂]诺维柯夫NN.金属热处理[M].王子褚译.北京:机械工业出版根据ISO5182:1991标准1, 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