营口理工学院材料科学与工程学院 辽宁营口 115000
摘要：在铜合金中，电导率和强度是一对矛盾，很难调和，从而严重阻碍了Cu-C-Zr合金性能的提升。在Cu-Cr-Zr系列合金中，Cr、Zr元素对铜合金的性能具有显著影响。本文通过对不同成分Cu-Cr-Zr合金的组织和性能的分析，得出：Cr元素的添加可以增加铜合金的硬度和抗拉强度，并且细化铜合金的晶粒尺寸，随着Cr含量增加时，铜合金的电导率降低。Zr元素可以抑制Cr析出相变大，使得合金的强度增强，而且微量的Zr（<0.1wt％）对合金的高电导率影响非常小。
关键词：Cu-Cr-Zr合金；Cr、Zr含量；显微组织；性能
引言
作为世界第二大金属消耗品，纯铜因其出色的导电性、导热性、可塑性，耐磨性和金属光泽而广泛用于电气工业、仪表工业，造船工业和机械制造工业等领域。然而，由于纯铜材质的柔软性，其不能满足许多场合的使用要求。因此，根据实际使用条件，人们研究制备了具有高强度和高导电性能的铜合金。在Cu-Cr-Zr合金中，由于元素之间原子半径的差异，添加的元素进入铜基质后，基质会产生晶格畸变，从而干扰自由电子在基质中的定向运动并影响铜合金的电导率。
根据Suzuki等人[]的研究可知，在Cu-Cr-Zr合金中，Cr和Zr的相互作用会引起析出相尺寸更加细小，有利于合金强度的提高，本文通过对铸态Cu-xCr-Zr（x=0.8，1.0，1.2，1.5）合金和铸态Cu-Cr-xZr（x=0.1，0.15，0.2，0.25）合金的显微组织和性能的研究，探讨Cr、Zr含量对Cu-Cr-Zr合金组织和性能的影响。
1 Cr含量对铸态Cu-Cr-Zr合金组织与性能的影响
图1是铸态Cu-Cr-Zr合金的电导率和硬度的变化图。如图3所示，随着Cr含量的增加，合金的电导率先增加，然后才被替代。当Cr含量为1.0wt％时，合金的硬度持续增加；当Cr含量为2.0wt％时，合金的最大硬度为96HB。
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图1 铸态Cu-Cr-Zr合金的导电率和硬度
图2（a）-（d）表明，随着Cr含量的增加，合金结构从柱状晶体变为等轴晶体。图2显示了不同放大倍率下铸态的Cu-Cr-Zr合金的显微组织。当Cr含量为0.8 wt％时，尺寸上存在显着差异，并且产生了小尺寸的粒径。由于Cr原子的含量过多，几乎所有的Cr原子都分布在晶界附近，并且在晶粒中没有形成明显的枝晶。当Cr含量为1.0 wt％时，在晶粒中形成树枝状晶体，溶质原子开始富集在树枝状晶体之间，生成少量的尺寸较大的球形颗粒，此时的树枝状晶体的间隔较大。然而，当Cr含量为1.5 wt％时，合金结构转变为等轴晶，枝晶间距开始变得离散，并且球形颗粒的数量增加。此外，Cr含量持续增加，枝晶间距持续减小，合金中球形颗粒的数量增加，粒度尺寸增大。
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图2铸态Cu-xCr-Zr（x=0.8，1.0，1.2，1.5）合金组织SEM图
从图3（a1）-（d1）中可以看出，当Cr含量为0.8 wt％时，溶质原子主要在晶界附近产生较小的富Cr相。当Cr含量增加时，合金中产生的富Cr相增加，粒度逐渐增大。当Cr含量为1.0 wt％时，晶界中的富Cr相含量增加形成棒状颗粒，生成少量的球状富Cr相颗粒，晶粒内开始生成细小的富Cr相。当Cr含量为1.2wt％，1.5wt％时，棒状富Cr相颗粒变长，且由于溶质原子含量增多，富Cr相变为富集状态。球状富Cr相颗粒尺寸在快速增加后保持不变，但颗粒数量没有显著增长，晶粒内生成大量的富Cr相。
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图3铸态Cu-xCr-Zr（x=0.8，1.0，1.2，1.5）合金组织SEM图
铸造态的Cu-xCr-Zr（x = 0.8、1.0、1.2、1.5）合金具有两种形态：柱状晶体和等轴晶体。随着Cr含量的增加，枝晶间距渐渐变小，球状析出颗粒增多；当Cr含量为1.2 wt%，柱状晶体转变为等轴状晶体。固溶处理后，溶质原子进入Cu基体，形成过饱和固溶体，使得合金的晶格常数增加。
2Zr含量对铸态Cu-Cr-xZr组织与性能的影响
图4显示了铸态Cu-Cr-xZr（x = 0.1、0.15、0.2、0.25）合金的电导率和硬度的变化。从图中可以看出，随着Zr含量的增加，合金的电导率继续增加。当Zr含量为0.2 wt％时，合金硬度达到最大值，达到93.9HB；当Z含量增加到0.25 wt％时，合金硬度降低，表明添加过量的Zr来降低合金硬度。铸态合金的整体硬度较高，平均硬度超过80HB。
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图4铸态Cu-Cr-xZr（x=0.1，0.15，0.2，0.25）合金的导电率和硬度
图5显示了在不同倍数下铸态的Cu-Cr-xZr（x=0.1、0.15、0.2、0.25）合金组织形貌。从图5（a）-（d）可以看出，当Zr含量为0.1wt％时，合金结构为胞状晶体，溶质原子富集在胞壁处和晶界附近，形成规则的六边形网状枝晶结构。当Zr含量为0.15wt％时，合金中的胞状晶体转变为柱状晶体。当Zr含量为0.2wt％时，合金中会出现少量大尺寸的球形析出物，枝晶间距大于0.15 wt%时合金的含量。晶状体，六边形网络枝晶结构消失了，而合金中的枝晶间距消失了。当Zr含量为0.25wt％时，晶界不再是光滑状态，出现锯齿结构，合金结构从柱状晶体变为等轴晶体，树枝状结构几乎消失，溶质原子在合金内以球形颗粒的形式均匀分布。
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图5铸态Cu-Cr-xZr（x=0.1，0.15，0.2，0.25）合金组织SEM形貌图
从图6（a1）-（d1）可以看出，当Zr的含量为0.1wt％时，晶粒中的沉淀相为球形和短棒状结构，颗粒尺寸极为细小。当Zr含量为0.15wt％时，晶粒中出现具有大量尺寸较大的长棒状析出相，并且析出相开始增加，进一步增加Zr含量，长棒状的析出相的尺寸迅速变小，同时球状析出相开始生长，合金中的析出相团聚得以缓解并且可以均匀分布，它表明Zr与Cr交互作用，抑制Cr的沉淀和生长，细化沉淀相。
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图6铸态Cu-Cr-xZr（x=0.1，0.15，0.2，0.25）合金组织SEM形貌图
随着Zr的含量增加，铸态的Cu-Cr-xZr（x = 0.1、0.15、0.2、0.25）合金结构经历胞状晶-柱状晶-等轴晶的转变，合金内生成椭球状富Cr相和长棒状Zr相。固溶处理后，溶质原子溶解到基质中形成过饱和固熔体并引起晶格畸变。合金中剩余的富Cr相和富Zr相的平均数量和尺寸均减小。
结束语
（1）在Cu-Cr-Zr系合金中Cr、Zr含量对铜合金的结构和性能具有非常显著的影响。Cr、Zr元素含量太低，则强化效果不明显；Cr、Zr元素含量太高就会严重损害铜合金的导电性。
（2）随着Cr含量的增加，枝晶间距渐渐变小，球状析出颗粒增多；当Cr含量为1.2 wt%，柱状晶体转变为等轴状晶体。
（3）随着Zr的含量增加，铸态的Cu-Cr-xZr（x = 0.1、0.15、0.2、0.25）合金结构经历胞状晶-柱状晶-等轴晶的转变，合金内生成椭球状富Cr相和长棒状Zr相。
参考文献：
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营口理工学院引进人才科研启动项目，项目编号：YJRC202008