高強(qiáng)度高導(dǎo)電率鉻青銅熱處理加工技術(shù)分析

張子朋，王少君

(豫西集團(tuán)河南江河機(jī)械有限責(zé)任公司，河南 平頂山 467337)

1 應(yīng)用領(lǐng)域

鉻青銅靜觸頭QCr0.5系列產(chǎn)品，是近幾年來(lái)工廠開(kāi)發(fā)的眾多銅型材產(chǎn)品之一。該產(chǎn)品除嚴(yán)格的尺寸要求外，還有硬度、導(dǎo)電率等特殊要求。鉻青銅QCr0.5在室溫及400℃以下具有較高的強(qiáng)度和硬度，導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好，耐磨性和減摩性也很好，加工成形性能良好。經(jīng)時(shí)效硬化處理后，強(qiáng)度、硬度、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性均顯著提高，廣泛用于電氣設(shè)備的高溫導(dǎo)電耐磨零件，如高溫開(kāi)關(guān)、電動(dòng)機(jī)整流子、集電環(huán)、電焊機(jī)的電極、滾輪，以雙金屬形式使用的剎車盤(pán)和圓盤(pán)及其他要求高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電率、高熱強(qiáng)性的零部件。我公司開(kāi)發(fā)的該鉻青銅靜觸頭系列產(chǎn)品，主要為某高壓開(kāi)關(guān)廠生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量要求高，需求量大。

2 技術(shù)原理及試驗(yàn)分析

鉻青銅固溶處理是指將銅合金加熱到高溫單相區(qū)恒溫保持，使過(guò)剩鉻原子充分溶解到固溶體中后快速冷卻，以得到過(guò)飽和固溶體的熱處理工藝。主要目的是改善銅合金的塑性和韌性，為時(shí)效處理作好準(zhǔn)備，使合金中各種相充分溶解，強(qiáng)化固溶體，并提高韌性及抗蝕性能，消除應(yīng)力與軟化，以便繼續(xù)加工或成型。鉻青銅工件的時(shí)效處理是指工件經(jīng)固溶熱處理后加熱到一定溫度長(zhǎng)時(shí)間保溫，以達(dá)到沉淀硬化目的。

該產(chǎn)品固溶時(shí)效后要求硬度≥HB110、導(dǎo)電率≥80%IACS，合格率達(dá)95%以上。傳統(tǒng)固溶時(shí)效工藝是，1000℃保溫1.5h后水冷至室溫；時(shí)效，460℃保溫4h水冷。利用傳統(tǒng)工藝試制一批工件，共103件抽檢10件結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)工件抽檢結(jié)果

從表1可以看出，硬度合格率僅為60%左右，導(dǎo)電率合格率為40%左右。我們針對(duì)傳統(tǒng)工藝進(jìn)行認(rèn)真分析后認(rèn)為，影響其固溶時(shí)效質(zhì)量的原因有以下幾點(diǎn)：(1)固溶時(shí)效的保溫時(shí)間不充分，導(dǎo)致鉻元素沒(méi)有充分溶解；(2)工件出爐后沒(méi)有迅速浸入水中，熱量散失過(guò)大，使部分鉻元素從固溶體中析出，影響過(guò)飽和固溶體的性能。

針對(duì)以上幾種因素，我們制訂了幾套不同的鉻青銅固溶時(shí)效方案，從中篩選出符合生產(chǎn)實(shí)際的最佳熱處理工藝參數(shù)。(1)方案一。固溶，1000℃保溫1.5h水冷至室溫；時(shí)效，460℃保溫6h后出爐空冷至室溫。(2)方案二。固溶，1000℃保溫1.5h后出爐水冷至室溫；時(shí)效，460℃保溫8h空冷至室溫。(3)方案三。固溶，1000℃保溫2h后出爐水冷至室溫；時(shí)效，460℃保溫10h空冷至室溫。方案一共116件抽檢10件，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2；方案二共119件抽檢10件，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3；方案三共110件抽檢10件，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表2 方案一工件抽檢結(jié)果

表3 方案二工件抽檢結(jié)果

表4 方案三工件抽檢結(jié)果

由方案一可以看出，當(dāng)時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)2h，工件硬度有明顯的提高，抽檢合格率在80%，而導(dǎo)電率變化不是很明顯，有所提高，抽檢合格率在50%，這說(shuō)明延長(zhǎng)時(shí)效時(shí)間對(duì)工件硬度和導(dǎo)電率提高有很大的影響。從方案二可以看出，當(dāng)時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)至8h后，產(chǎn)品硬度及導(dǎo)電率抽檢合格率均已達(dá)到100%，這與時(shí)效產(chǎn)生的沉淀強(qiáng)化作用有很大關(guān)系，并且還大大提高了導(dǎo)電性能。當(dāng)把固溶時(shí)間延長(zhǎng)至2h，時(shí)效延長(zhǎng)至10h后，產(chǎn)品的抽檢合格率也在100%，但工件性能提高不是很大。因此，從產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性以及提高生產(chǎn)效率的角度綜合考慮，固溶時(shí)效時(shí)間太短雖然經(jīng)濟(jì)節(jié)能效率高，但是產(chǎn)品合格率卻低；固溶時(shí)效時(shí)間太長(zhǎng)，雖然提高產(chǎn)品的合格率達(dá)100%，但是降低了生產(chǎn)效率，浪費(fèi)能源，還會(huì)使產(chǎn)品的組織晶粒度增大，影響其強(qiáng)度和韌性等機(jī)械性能，故方案二是最合理的工藝。為了驗(yàn)證其可靠性，又經(jīng)過(guò)多次大批量的生產(chǎn)驗(yàn)證，抽檢合格率均達(dá)到100%。

從以上試制過(guò)程中可知，影響產(chǎn)品質(zhì)量最主要的因素是固溶時(shí)效的保溫溫度和時(shí)間，除此之外冷卻方式和工件裝夾方式也很重要。當(dāng)工件從井式淬火爐中吊出后，應(yīng)以最快的速度浸入淬火介質(zhì)中，否則會(huì)使最外層工件溫度降低，使鉻元素提前從固溶體中析出，不能形成過(guò)飽和固溶體，影響之后的時(shí)效強(qiáng)化作用及導(dǎo)電率。為了解決這一問(wèn)題，在不影響產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)上，在工件將要出爐的前20min，把溫度提高至1020℃，同時(shí)盡量減少工件在空氣中的熱量散失，在工件出爐前，事先關(guān)閉工房的門(mén)窗，以保證產(chǎn)品的固溶質(zhì)量。

通過(guò)一系列的工藝改進(jìn)和反復(fù)試驗(yàn)，終于摸索出一條適合大批量生產(chǎn)的最佳鉻銅固溶時(shí)效的新工藝，如圖1所示。

圖1 改進(jìn)后固溶時(shí)效工藝Fig.1 Improved solution aging process

為了提高時(shí)效后產(chǎn)品外觀顏色的一致性、美觀性，把原時(shí)效后的水冷改為空冷。水冷雖然快捷高效，但是產(chǎn)品表面黑色的氧化皮遇水后，形成黑斑，無(wú)法清除，影響產(chǎn)品的美觀度；且水冷一個(gè)最大的缺點(diǎn)是，水冷后在工件內(nèi)部產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較大，影響產(chǎn)品性能。工件變形也是造成工件報(bào)廢的一個(gè)因素，由于工件裝夾不當(dāng)，堆放過(guò)高，固溶處理時(shí)在高溫下，底層的工件受擠壓容易變形，使產(chǎn)品尺寸超差。為此專門(mén)設(shè)計(jì)并制造專用料筐，采用耐熱不銹鋼材料整體鑄造而成，增加工件裝夾的合理性，避免了變形的發(fā)生，同時(shí)也增加了料筐的使用壽命。

3 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明，新的固溶時(shí)效工藝是合理可行的，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了成本；產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，能夠滿足大規(guī)模、批量化生產(chǎn)，得到用戶認(rèn)可。