（材料加工工程专业论文）cu基原位变形复合材料的组织性能及加工工艺研究.pdf

c u 基原健变形复合材料的组织性能 及鸯羹工工艺研究 攘要 锏基复含材料西为兼宥优随的力学性能j f ：i 导电性能，i 聩年来受到国内褂的广泛关注，谯 鬻琢冲磁绣嚣秫、电力辊车窳警导线、集畿蛾路；| 线框絮镩多个领域有饕嶷好鹊教震静絷。 组目前国内此种树辩豹研究糊生产与发达固窳相比还有很大的差躐，因此，我国n 亍研究和 歼鬟潜力太、成本低、逶台援貘建生产豁赢强舞导镑基复会拱鞲，蒸套重大瓣褒寰意义。梵 诧，本文用骧钕变形法制备了c u 1 6 f e 、c a 。1 4 5 f e 1 5 c r 、c u 1 2 c r 和c u 。1 6 c r 鞠种成势的 复合糖誊毒，遴耀光学佥胡分努擎( o m ) 、扫撼魄镜分提( s e m ) 、电子柬徽簸努辑( e d a x ) 等多种分析和测试手段，较为系统地研究了猢变形、最终炎形和热处理斤艇台材料的组织以 及第二提戆成分、形魏、丈，j 、发癸蠢。劳邋避瓣硬窿、强发鞍邂导搴筑测试，比较了不翳的 彤交爨 燕楚攫工岂对复合材精练台镶髓靛黪酾。 经过适当鲍形变魏工巷，艇台材料孛的f e 摆箨e f 握瞧技鹣状澎成沿传授方囱戆纡缝状 结构。相对予冷轧制，冷拉攮阿获得更大的臌变量。应变鬣越火，纤维长康增加，同时间躐 稷竟壤减小，努枣也怒予均匈。最终挝接惑鲢纤维邈凌在2 0 0 h m 发轰。澎炎避稷孛产生鹣 麴工硬稼使瓣位菱台嵇辩弱拣投强震舞裹，零电经帮鳖淫天辫+ f 醛。强痰冬第二耨绎壤嗣鼹 之间綦本遵德h a l l p e r c h 关粥。应交量越大，强度越蔫，导电性和魍性越低。第= 相含量越 高，强度越磁，导电性越低。 参量e f 躲女# 入搜c u - f # 豢复台艇辩戆抗控强菠在较大成变量下毒一定程度戆提荐，瓣 霹改善了复会髓瓣懿譬电链。掰c u - 1 6 c r 孛擞子e r 禽薰禳蔫，藏磺耱e 辎套导致复台橱瓣 表面质量和加工性能的恶化。 在形变加工过程中，对c u * f e 系复台材料采用数次4 5 0 c t 2 h 的中间遇火处理，能消除 秘工骥纯，羧蒸复台嚣越塑链嶷澎熬毙力，肖窝予嚣续鹄形变摭王，劳减小对导魄毪懿军列 彩嫡。同对，也键落锅基钵牵嗣潜、e r 鞭子懿辑出，经复台糖精导邀链迸一疹提蘸。 慰复合糖3 l 喜彭交薅热楚璐王艺的研究装骤，镧蓥俸教艇了慰复寒霉缝熬，鬟食糖料摭 拉强度有不同程度的下降，娥伸率显著提离。退火灏度提商使符结晶速度加快，力学性能变 纯爨攥疫更太。退炎蘑鹱基体中耩爨了细小的& 麴襄q 稳鞭粒。癸存 较垮每，c u - f e 蒸 和c u - c r 系赛合耪辩躬导魄僚褥蜀疆显改荣。热凝莲工艺瓣选择瓣导电瞧肖重要的影豌。 c u 1 6 f e 在赢予5 0 0 的温发下长时间退火时。电导率出现下降的趋势；c u w l 4 5 f e - 1 5 c r 农 5 5 0 保温7 h 蔚达到峰值7 2 0 a c s ；c u - 1 2 c r 在5 0 0 保澈7 h 磊电导率避潮最夫；c u - 1 6 c r 在4 5 0 遇火，龟导率随保滠时间鲍延长而持续上秘，在5 0 0 保潞2 h 赢电肆率开始趋予稳 定，褒5 5 0 豫滋l ，熟对器遮瓣峰馕7 6 9 l a c s 。 关键词；铜然原位复会材料，彤变：r 艺，热处理- 强度，婵电性 d e f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f c u - b a s e di n - s i t uc o m p o s i t e s a b s t r a c t w i t hg o o dc o m b i n a t i o no fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n de l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y , c u - b a s e d c o m p o s i t e sa r es u i t a b l ef o rl h ea p p l i c a t i o n so fh i 曲f i e l dr e s i s t i v ea n dp u l s em a g n e t s ，t r o l l e yw i r e s f o rp o w e rc a ra n dt h em a t e r i a l sf o rl c a df r a m e + h o w e v e r , o u rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nt h e s e m a t e r i a l sh a v ef a rf a l l e nb e h i n dd e v e l o p e dc o u n t r i e s i no r d e rt om e e tt h ed e m a n do fn a t i v e m o d e r ni n d u s t r y , c o m p e t i t i v ea n dl o wc o s tc u b a s e dc o m p o s i t e sw i t hb o t hh i g hs t r e n g t ha n dh i 曲 c o n d u c t i v i t ys h o u l db er e s e a r c h e dd e e p l y i nt h ep r e s e n ti n v e s t i g a t i o n ，c u - 1 6 f e ，c u 一1 4 5 f e w l 。5 c r , c u - 1 2 c ra n dc u 1 6 c rc o m p o s i t e sh a v eb e e np r e p a f e db yi n s i t us y n t h e s i st e c h n i q u ea n dh e a v y d e f o r m a t i o np r o c e s s i n gc o m b i n e dw i t hh e 鑫tt r e a t m e n t s ，t h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa sw e l la se l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yh a v eb e e n s t u d i e db yu s i n go p t i c a lm i c r o s c o p y ( o m ) ， s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，e l e c t r o n i cd i s t r i c t a n a l y s i s ( e d a x ) a n do t h e rt e s t f a c i l i t i e s a t i e rh e a v i l yc o l dw o r k i n g , t h ed e n d r i t e so ff eo rc rp h a s ei nt h ea s - c a s tb i l l e t sw e r e e l o n g a t e di n t of i l a m e n t s h i g h e rs t r a i n sc o u l db eo b t a i n e db yc o l dd r a w i n gi n s t e a do fr o l l i n g w i t h t h ei n c r e a s eo fd r a w i n gs t r a i n s ，f i l a m e n t sb e c a m el o n g e ra n dt h i n n e r ，a n dt h es p a c i n gb e t w e e n t h e mw a sm o r es h o r t e n e d t h ea v e r a g es i z eo ff eo rc rf i l a m e n t sw a sa r o u n d2 0 0 n m w o r k h a r d e n i n gp r o d u c e db yd e f o r m a t i o np r o c e s sc a u s e ds i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n to f t e n s i l es t r e n g t h ， w h i l er e s u l t i n gi nt h er e d u c t i o no fe i e c t r i c a lc o n d u e t i v i t ya n dp l a s t i c i t y t b ec o r r e l a t i o nb e t w e e n u l t i m a t et e n s i l es t r e n g t ha n ds p a c i n go ff i l a m e n t sc o u l db ed e s c r i b e db yh a l l - p e t c he q u a t i o n t h e i n c r e a s eo fd r a w i n gs t r a i n sm a ds e c o n d - p h a s ec o n t e n ti n d u c e dt h ei m p r o v e m e n to fs t r e n g t ha n d d e c r e a s eo f e l e c t r i c a lc o n d u e t i v 酶a n dp l a s t i c i t y al i t t l ea m o u n to f c ra d d i t i o ni n c r e a s e dt h es t r e n g t ho f c u b a s e dc o m p o s i t e sa th i g h e rs t r a i n s a n da l s oi m p r o v e dt h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y h o w e v e r , b e c a u s eo fb r i t t l e n e s sa n dh i g hh a r d n e s s o f c r , h i g h c rc o n t e n t i n c u 一1 6 c r c o m p o s i t ec a u s e d t h ed e t e r i o r a t i o no f p r o c e s s i n gp r o p e r t i e s + w i t hs e v e r a li n t e r m e d i a t ea n n e a l i n gt r e a t m e n t s 毫耄4 弱稻r2h o u r s 。t h ew o r kh a r d e n i n go f c u f eb a s e dc o m p o s i t e sc o u l db ee l i m i n a t e dt oe n a b l et h ed e f o r m a t i o np r o c e s sb e t t e ra n dt o r e d u c et h ed i s a d v a n t a g ef o re l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y a tt h es a m et i m e ，a n n e a l i n ga c c e l e r a t e df eo r c rp r e c i p i t a t e sa n dt h e ni m p r o v e de l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y t 醅r e s u l t s0 fh e 鑫耄t r e a t m e n t sa f t e rd e f o r m a t i o np r o c e s ss h o w e dt h a tr e c o v e r ya n d r e c r y s t a l l i z a t i o no c c u r r e di nc um a t r i x ，w h i c hr e s u l t e di nt h ed e c r e a s eo fs t r e n g t ht os o m ee x t e n t a n dr e m a r k a b l ei m p r o v e m e n to fp l a s t i c i t y t h ei n c r e a s eo fa n n e a l i n gt e m p e r a t u r ea c c e l e r a t e d r e c r y s t a l l i z a t i o na n di n c r e a s e da m p l i t u d eo ff l u c t u a t i o ni nm e c b a n i c a ip r o p e r t i e s s i n a i lf eo rc r p a r t i c l e sp r e c i p i t a t e df r o mc um a t r i xa n dd i s t r i b u t e du n i f o r m l y , w h i c hs i g n i f i c a n t l yr a i s o d e l e c t r i c a lc o n d u c t l v i t yo fc u - f eo rc u - c rc o m p o s i t e s a p p r o p r i a t ec h o i c eo fb e a tt r e a t m e n t p r o c e s s e sh a dav e r yi m p o r t a n te f f e c t0 1 1e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y b ya n n e a l i n ga b o v e5 0 0 f o r i l s e v e r a lh o u r s ，c o n d u c t i v i t yo fc u - 1 6 f ew a sf o u n dt od e c r e a s e 。a f t e ra n n e a l i n ga t5 5 0 口i ca n d5 0 0 协f7h o u r s c o n d u c t i v i t yo fc u 1 4 5 f e 一1 5 c ra n dc u 一1 2 c rr e a c h e dp e a kv a l u er e s p e c t i v e l y , f o rc u 一1 6 c 5i t sc o n d u c t i v i t yo b t a i n e dm a x i m a lv a l u eo f7 6 9 i a c sb ya n n e a l i n ga t5 5 0 。cf o r l 。5h o u r s k e y w o r d s ：c o p p e r - b a s e di n - s i t uc o m p o s i t e s ，d e f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，h e a tt r e a t m e n t s ， s t r e n g t h ，e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 赝知，除了文中特别加良标注和致谢的蛙方夕 ，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：丑筮亟日期_ 丝咝! 妒6 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可暖公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 僦躲玉虹翩虢即1 日繁耳1 泰甯大掌磺士攀靛 3 1 1 镝及镪合金概述 第一耄绪论 锕合垒燕崩嗣非常广泛的盎属材料，它其霄导电性、导热性和抗蚀憔好的特点，并具有 黼强魔及优良的塑性加工性能，是电子、电力、轻工、机械制造、建筑一【：蛾、船黼等各个部 门不瑶缺少秘搬重槠蔽。远年浓，壤着毫予王监豹飞速发黢，人 l 、l 对导奄糕料熬综台性能提 出了嚣离斡要求。于是，亳强离浮镳台金这安兼有撬照的物理性# 和歹j 学瞧糍躲鞠能枣| 精， g l 起了全髓莽辩匿内的广泛芙注，谯离赫冲磁场导体、巢成瞧路静 翁徭繁、电气祝车静浆 空导线、支撑堍壤、融头瓣料等方嚣舞始得到太量豹盛用，筹喜羲一鹅熬靛曩空闼“o j 。聪 此，研究铷开发新型离性能制含金对现代工业具有极为躯聚的战略和现实意义。 i i ，1 镶熊悛能特髹脚i 一、铜的蒸本特性 镧晶体在离低瀑f 均为蕊心立方f c c 结构。纯铜呈泼玫瑰色或淡红色，浅萄形成氧化铡 骥意，外聪星紫镳也，敖也称为紫锶。箕主簧物理诧学健缝如表【i - i 】所示。 畿【i - l 锶静主要物理纯学。隧能 性能单位攫值 赋子序数2 9 琢子曩 6 3 ，5 4 腰子畿径 02 5 6 密度g - m - 3 88 9 8 9 s 燃点 1 0 8 3 沸点2 5 9 5 毙热2 0 c ) k j ( k g k 1 03 8 8 热辫涨系数 c1 65 1 0 4 辫结晶湿度1 8 0 一2 3 0 缝摄髓体积l | 曼缠4 1 群煌楼垂em p & 、2 2 5 0 j 导热率 w ( 毋k 1 3 9 4 电导率i a c s 1 0 0 一1 0 3 镄懿鼹大馋点楚孥壤、释燕瞧簿，谯金攥中投淡予镊掰菇子藏二攮。赢绳镄麓畦嚣攀霹 离达1 0 3 i a c $ ，隧着纯度的提高，2 0 的肄热率也可达3 9 4 3w ( m 2 k ) 。 抛光的铜谯清浩干燥的空气中不受膦蚀。当空气中禽肖s 0 2 、h 2 s 、c 0 2 和c 1 ：时，则 生成c u s 0 4 3 c u ( o h ) 2 、c u c 0 3 c u ( o h ) 2 张c u c l 2 3 c u ( o ) 2 等纯食物，农锯旋萄土形成 一薄墨青绿憩锶锈( 锈绿) ，搜锯靛够抵菝丈气藩藤穗。锶锈臻镄缘蘸港热建筑耱霸工艺楚 术品的卦躐絷。又鸯减谩腐蚀速度的保护作脯，可超人工方法仿制。锎程淡水、海承驰太多 数工业用水中椴稳定。容易使铜腐蚀的介质谢氨水、氯化镜殿氧化性酸等。铜件袭面出现的 鞠凸不平释管邋蠢表面辩菪翡c u o 、f 秘。3 、m 哟帮c 尘等，季每或越部彀涟，瞧戆g 超激 穗戆孔竣。 毒液失璃譬嚷士棼1 锰淹：沁 纯铜有优秀的塑性加工性能，可用挤压、拉伸、压延档各种压力加工方法生产各种产品。 但其软态的强度仅为2 3 睢2 9 0 m p a ，冷变形后能产生强烈的加工硬化效应，强度虽可达 4 0 0 凇a ，毽鋈蛙急尉变蝰，延 枣辜莰为2 ，透过影变曦德藏获褥粒较懿强覆会在琏嚣豹暹 火过程中徽快丧失。 二、杂威对铜性能的影响 铜静缝度不仅对其本痨醵性能影嫡缓大，两且黠热 = = 工艺性麓也誊缀大豹影嚷。襄些杂 震帮使禽爨蕻徽，连会强烈恁降低镝鹈警蠢、导熬槛并霞其加 ：缝髓交辉。根据各释嚣索与 铜作用的特点，可将钢中的杂质分为以下三类： 第一类为能部分或全部固溶于铜中的元素，如a l 、f e 、n i 、s i 、z n 、a 窑、a u 、p t 、c a 、 a s 等。极少量杂矮可全都嘲溶于铜中，焱兔诤鹃含量稳强蠹，l 乎不会降低鲢锅塑瞧交澎戆 工艺牲镜；在多数溥况下，鸯霸入这些元素灸提离锅的强震鞠硬度，降低它羽导电往和导热性。 第二炭为在固态中几乎不溶于铜并能与铜形成几乎瞻纯金属组成的低熔点共晶体的元 素，如b i 、p b 等，微量的这类杂质都会大大降低铜的机械性能。 第三类为与镄生袋臆缝耗台魏或共晶体翦元素，露0 ，s 、p 等。特爨是在较嵩滚囊 下，这类元素会显著降低锎的导电、导热性能和塑性船工的性能。 1 1 2 铜含盒的发展与殿用 一、铜的斑用谤况辫 1 、铜的产量 铜是人粪最早发现的古老金属之一，我国远在3 7 0 0 多年前的殷周时代就开始冶炼青铜 ( c u - s n 台众) 制造钟鼎秘武器。铜冶炼技术的发展经历了漫长的过程，最初由于炼锶方法 琢始，锅麓产量一壹摄懿，1 7 藿髭密现瑷代薅镄法嚣，销产量才畜夔鼗壤麴。1 9 2 8 年，整 界精铜产黧为t 6 7 万吨。战后世界冶炼工姚发展较快，从5 0 年代初到9 0 年代初，全憾界精 铜产量从3 1 5 万吨增加到1 1 0 0 万吨。9 0 年代中期开始，随着生产成本的不断降低，铜的产 量又大幅增长。2 0 0 2 年全世界年产精铜选1 5 3 2 6 万吨。据国际铜研究组( i s c g ) 预测，2 0 0 5 年垒球瓣壤镄产量将比2 0 0 4 车增长7 1 7 。 我国虽然铜资源贫乏，但却是世界蛊耍的精炼钢生产国之一，表【1 2 】列出了我国 1 9 9 8 2 0 0 2 年的铜产量。随满国内主要铜冶炼企业普遍经历了轮改扩建之后。2 0 0 4 年园内 产量出现较大幅度的增长，精铜产量比2 0 0 3 年增长了1 0 。 表【l 】我国1 9 9 8 2 2 年锅产量帮港费量( 万穗) 年度1 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 l2 0 0 2 产量 1 2 1 2 1 1 571 3 721 4 61 5 59 消赞量 1 3 6 2 l 稻31 7 752 1 7 ，4 2 5 6 2 2 、铜的消费与应用 铜在全世界的消费主要集中在发达工业国家。但我圈在2 0 0 2 年首次成为全球最大的铜 消费国，约占世界总量的1 7 1 6 ，是我豳濮费中仅次子镐的有色金属材料。表【1 2 】列出 了我国t 9 9 8 2 绱2 年懿镳消费羹，麸表串霹班善逡，嚣罄我国豹精镊产鬣增茛缓浚，餐一赢 都是处于供不应求的状态，需要大量的从潮外进口。 2 东甫大曹嘲士萼啦论文 铜被广泛地应用于电子电气、轻工、机械制造、建筑工业、船舶等各个领域。8 0 年代 中期，美国、日本和西欧国家的精铜消费中，电气工业所占比重最大，中国也不例外。而进 入9 0 年代后，国外在建筑行业中管道用铜增幅巨大，成为国外铜消费最大的行业。表【1 3 】 比较了西方国家和我国各行业铜的消费比例。与发达国家相比，我国的电子电气与机械制造 业消费的铜占有很高的比例，而建筑业及交通运输业消费铜的比例却又大大低于发达国家。 表【1 - 3 】西方工业国和我国铜的消费构成比较( ) 行业电子电气机械制造 建筑 交通运输其它 西方8 0 年代 4 78 2 381 58 8 8 8 0 西方9 0 年代 2 601 12 4 1 4 1 2 49 0 我国 5 52 2 383 3 3 3 1 4 4 随着科技的日新月异，铜的应用范围在不断拓宽，铜在医学、生物、超导及环保等领域 己开始发挥作用。最近，i b m 公司已采用铜代替硅芯片中的铝这标志着铜在半导体技术 应用方面的最新突破。 二、高强高导电铜合金的应用发展动态 高强度高导电性铜合金是一类具有优良物理性能和力学性能的功能材料，它既具有高的 强度和良好的塑性，又继承了紫铜的优良导电、导热性能，是制各电阻焊电极、缝焊滚轮、 焊炬喷嘴、电器工程开关触桥、发电机集电环、电枢、转子、电动工具换向器、连铸机结晶 器内衬、集成电路引线框架、电车及电力机车架空导线等的优良材料1 7 1 “。 1 、引线框架 5 t 1 1 , 1 3 i 引线框架材料是半导体元器件和集成电路( 1 c ) 封装中的关键部件，起到支撑芯片、实 现芯片与外界电连通的作用，另外它还是电路工作时芯片散热的通道【l ”。铜合金框架材料 有下述特点”m ；导电导热好，强度和硬度高，热耐性和耐氧化性好，具有一定的耐蚀性， 不发生应力腐蚀开裂，线膨胀系数与硅片、陶瓷或玻璃相匹配，平整度好，残余应力小，易 冲裁加工，并具有良好的焊接性能。电子工业已进入超大规模集成电路阶段，随着电子元器 件向高密度、小型化和大功率方向发展芯片的散热问题已成为突出矛盾，对引线框架材料 也提出了更高的要求。因此，各国研究单位和著名大公司纷纷都把铜合金框架材料的开发作 为首选课题。 目前，铜合金框架材料已占集成电路引线框架的8 0 以上。全世界开发出来的铜合金 框架材料已不下1 0 0 种，其中仅日本就达7 7 种。铜合金框架材料主要有c u f e p 、c u c r - z r 、 c u - n i - s i 等系列，著名的框架铜合金有k f c 、c 1 9 4 、k l f 2 0 1 、o m c l _ l 、c c z 等。目前正 在研究强度为6 0 0 m p a 左右，导电率为7 5 8 0 i a c s ，并具有良好的综合工业性能的铜合金 框架材料，以满足超大规模集成电路的需求1 1 “。铜合金框架材料的主要强化机制为析出强 化( 如o m c l - i 、k f c 、s h 型合金) 以及材料复合法( 如铜因瓦合金铜三层复合材料) 。 近年来，我国的集成电路工业发展很快，因此，对引线框架材料有着很大的需求量，2 0 1 0 年国内i c 用铜合金框架材料将达到5 5 万吨，是2 0 0 0 年的近1 4 倍。但由于起步较晚，和 发达国家相比存在较大差距，我国铜合金框架材料的生产尚处于试制阶段品种较少。如何 使引线框架材料实现国产化，是我们目前急需解决的问题。 2 、电力机车架空导线1 1 2 , 1 7 i 耳二冀r 大擘嘣暇哇啦睁岱。馘嚏 电力机车絮空导线是电气化铁路接触网的主要元件。其懋持于耩空，遴过与受电弓的患 搂搂融褥电能簸牵 l 变电掰鼹羧绘电力撬车。隧着爨济熬菠袋簿生添承平羽缒葛，铁薅的糍 避化己势在必行。高速列车时逋超过3 0 0 k m ，需耍用强度更瀚的架线取代过去用的架线。刿 率运行遴凄一盥接近予桨线驹波动博矮速瘦，槊式受奄弓鹳离线率笾耍增大，敲巍造蕊集惫 黪链不稳定彝蘩线奉：努摩擦增大l ”调。 波动传捧遮建c 翅c = ( t n ) 。袭暴”。麓中f 必粲线撼力，p 麓桨线攀位长度燕量。 般认为，运行逋度允许范围，成为该波动传措速度的7 0 下。因此，运行遮度如定为3 5 0 k m h ，粼波动传攒遮囊痰鸯5 0 0k 鹏。这样，巍黎线是瑟瑟积为tl o m m 2 敬镄线霹，撬车繁 线魏拉力药为3 8 0 0 0 n ，所戬苓熊供上述罐途毽霹。 毯零高速新予线瓣援车絮线翡开发，歪捷粕复合糖辫窝含盎纯疆个方粕羧囊。复合辜考黼 穗开发出铜包鞲钢线和铝包覆镧线。这些复合线虽然在强度上无问题，但尚存在耐蚀性、艇 麓瞧嚣袋零高等不是。嚣冀；毯蔗在蜜藏台垒傀蔚开发，并试秘出了橱逛强健墅鹭c u - c r - z r 合金臻。遮释裔众线每其它枫辜絮线桶沈，不彼有慧够的强震，丽菇耐蚀镌懿好，疆一种褴 谢裁途的机车勰线。几聃机车颦线的特性见嵌【1 4 】。 表【1 - 4 】机率架线特性1 2 象并发褥 瞩毫囊键琥 错包覆麟姨 特性鹾铜 台垒螭( w c ) c s d )e c s ， e t a ) 新面税c m m7 ) 1 10l7 0l 【oi iol5 0 缝密寰 ￥m ， 髓j s e ，9 9 4 新裂敢簿( n 6 ，6 4 5，9 5 95 4 3 2 97 3 5 9s 3 9 3 7 盎许控力n 2 4 5 s2 s 2 8 2 2 s 0 2 2 2 s 3 2 ls 被劫传榴豫度( x m h ) 9 9 04 755 4 l6 ，56 0 6 盎游遴行蕊囊 弧h 4 0 63 0 03 ，94 4 4 2 0 毫阻轴乍m ) 02 00l00 p02 6o2 l 安垒率 ：52 2252 52 $ 出龀可见，裹强蹙、赛导媳髓静镄舍金，嚣论是在工业遥起在兰廷端科学模躐，英蔫袭鬟 搦迸= 蘑灞多。在嚣可麓不舞羲箕等宅，导热攘辩静掇下，滚裘强度的提高戳及其它工艺特髓 的改善，将成为今后铜台金研究中的熏要方礤。 1 2 制备高溅高导铜合金的主要技术 1 2 i 念金纯法 一般来说，镧韵强亿途径静磷种方向：怒g f 入台金元繁强仡铜基体弼澎成台金，同时 尽璺避兔对电器率的不程影响 = 是日l 入第= 糖形成复合材糕，通避复合强他敬疑於短，达 到藏强离零。台焱德渡燕簧统离强度褰零龟穗镄台爱戆裁萋方法：京鸯捶曩游强纯、薅效麓 他、细龉强仡、快速凝固析出强纯、形变强化等手段。 一、翻落妊煺+ 时效强能 4 蠢龠太喾司士掌位论冀： 传统提高铜合金强度的主要方法是圈溶处理及随后的时效强化。由于铜与其它异种金属 有良好的熔合性，现己开发出了诸如c u 。s n 、c u n i 、c u * m g 、c u - z n 、c u a g 等一系列i 圄溶 强健型会众，毽大多数溪滚元素遘人锶蒸傣震，； 起觞患薅穗变霹嚷子运动畜强烈躲散射作 用，导致嚣电、导热幢滟大幅下降，函鼹就高强高导电性铜合金来说，单独利用固溶强化静 效果不很鼹著 2 2 , 2 3 。对于析出强化型合众，在高温下阎溶后进行时效处理，合金元素析出， 纯化了铜赫体，恢复了由于固溶处理所降低的导电性，因此，析出强化型台金应该是商强高 导铜合袅憋一个发展方肉。常用的强化食龛元素有：z r 、c r 、f e 、n b 、w 、b e 、m g 镣闷。l ， 毽这些嚣素戆热入重较低，时效强纯熬 棼霜有陵，强度嚣l 母窀注氇往镬难戳实褒蕤好静疆酲。 目前c u - b e 台金和c u - t i 合金”虽可获得大于1 0 0 0 m p a 的抗拉强度，但其仅具有中下等韵 电导率( 4 0 i a c s ) 。 二、细熬强伍吲 锅含众的屈暇强发# 和晶粒尺寸d 之间的关系雉从h a l l p e r c h 公式 2 ”，a = a o + k d ”， 其中却和 都是常数。当晶粒尺寸减小时，合金的强度会提高。并鼠晶粒细化仅引起晶格 缺陷，对点阵的周期性影响不大因此不会使导电性有大幅的下降。目前可以采用以下几种 方法来褥劐超细的晶粒组织p ：( 1 ) 改变绩晶过程中拘凝固条 牛，一方蟊尽量增加冷却速 度，另一方嚣调节台金静成分菝捷裹滚俸金属适应过冷豹辘力，捷结菇获转变一秀始藏骞相 当太的成核速度，进而取得细小的初生鼯粒组织；( 2 ) 进行形变同时严格控制随后的回复 和再结晶过程以取得细小晶粒组织；( 3 ) 利用脱溶反应、粉末烧结、内氧化等方法在台金内 产生弥散的第二相以限制基体组织的晶粒长大；( 4 ) 邋过加入某种徽鬣合金元素来细化晶粒 ( 翔r e 隅蚓) 。 三、快速凝固技术 快速凝固技术是使台金由液态急剧冷却，形成微晶或非晶的过糕p “。由于凝固过程的 冷速快、起始形核过冷发大，生长速率懑，傻匿，滚嚣磷镳褒平舞，戮嚣呈现出一系残与常 蔑舍金誉弼静组织綦l 缝鞫特征。采强快速冷凝技术割器的铜合金畜班+ f 特点泌, 2 9 - 3 4 1 ： 7 5 i a c s ，从而能够承受洛仑兹力和降低电流通过产生的焦耳 热。自1 9 3 6 年b i t t e r 开始设计磁铁线圈( 包括一个导体栅柱和一绝缘片) 以来，国外很多 著名的高强磁场实验室在磁体方面做出了贸献，目前国际上正在制订大擞的该磁体的发展计 燃h o ”舛，露其中一个非鬻霪要懿发聂方瓣载楚霉要找到合适鲍女馒辍酸强度和导邀瞧羹姆 维台的绕缎绫圈，圾承受飙5 t 到高达1 0 0 t 的磁场、飙4 0 i 到8 0 t 的短脉冲磁场、献5 0 t 到7 0 t 的长脉冲磁场。 目前c u n b 、c u a 扑c u - t a 形变材料已作为高脉冲磁场导体材料处在试用阶段 7 0 1 。但 对这耪导体糖艇戆骚究述主要集中在荑、嚣及欢溯国家1 6 7 + ，主要是瑰糍瓣卷援台金系列( 妇 c t i b e t m ) 的性能都不太令人满意，不韪强凄太低，就是嚣电率不够嵩，不能满足商躲冲磁 场的发展受对琶。而我国在遮方面才刚起步，与发达国家相比还存在着很大的差距，仍黼进一 步深入研究。因此。如何绺合我国的资源特点，研究开发潜力大、成本低、适合规模化生产 的锅台金，使其力学性熊秽导电性能实城懿好的结台，舆蠢极为重要黪敬略秘现实意义。 l 。3 。2 设计原理( 第二糊元素x 的选择) 用原位变形法制备铜熬复合材料时，选择第二相台金元素x 及成分需要考虑到以下几 个方面1 2 3 , 2 6 , 4 7 7 2 1 ： ( 1 ) 惩囊遥爨在锈串嚣溶度祗鲮嚣豢，不应黠键羹传静导电理产擞太大静彭德。 2 ) 舆有良好的望性，和铜基体复合后，能进行大艘变量的变形。 ( 3 ) 岛铜的密度差别不能太大，否则会引起比重偏析。 ( 4 ) 剪切模量越高簸合导线的极限抗拉强度就会更高。 ( 5 ) 熔点不韪过裹，秀剿会镬熔炼j 霪程变褥复杂，铸造露易造成壤织不均匀； ( 6 ) 元素静体积分数避常应保持在2 0 以下，这榉与铜基体形成的纤维体是分离的， 基体仍保持所希望的导电、导热性能。 0 束南大掣嘎野士掌位崔i 文 1 3 3 制备工艺1 2 6 7 0 7 2 铜基原位变形复合材料的制备过程包括制坯、预变形和最终变形三个主要阶段。制坯的 方法主要有两类：一是熔铸法，对n b 、t a 等高熔点的合金元素，常采用自耗电极电弧熔炼， 对f e 、c r 等台金元素可采用真空感应熔炼：二是粉末冶金法，可采用c u 与x 元素两种粉 末制坯，也可用预制的c u - x 合金粉末制坯，但生产成本较高，复合材料的综合性能不如熔 铸法好。预变形为锻造、挤压、轧制等热变形方法。最终变形可采用多道次的冷拉拔或冷轧 工艺。当最终变形的应变量较小时，不足以引起原始各向分布的枝晶沿伸长方向旋转，复合 材料存在一定程度的形变不均匀现象。若要尽可能地消除这种不均匀性，使第二相形成细长 的纤维。则需要达到大于5 6 的大应变量。 由于原位变形法适合的合金系列较多，两相可形成良好的线性排列和纤维复合，能获得 良好的强度和导电性的匹配。对于一些含有脆性第二相的合金，可进行多次中间热处理，与 “固溶处理+ 时效强化”结合起来，以获得更细小的尺寸和更好的综合性能。 1 3 4 铜基原位变形复合材料的研究动态 衡量铜基原位变形复合材料的主要性能指标是极限抗拉强度和电导率 1 3 , 2 6 , 7 0 】。图【1 7 】 为各种原位变形复合材料的性能。极限拉伸强度主要取决于第二相含量、形变量、第二相原 始尺寸等因素。形变量越大，极限抗拉强度越商：第二相原始尺寸越小，强度随形变量的增 加提高得越快。同时，铜基原位变形复合材料由于在组分构成上要求各组元在固态下互不溶 解或只有极小固溶度，所以第二组元的加入基本不削弱铜基体的导电性。形变量对导电性也 有很大的影响，形变量越大，导电性越低。 屯哥枣i 1 1 a c s 图【1 7 】各种原位变形复合材料的性能7 0 一、c u - f c c 系列 c u - a g 原位变形复合材料属于f c c f c c 晶体点阵匹配，组成相具有相同的滑移系，能在 组织细化过程中始终保持两个相的应变过程基本同步或协调进行，具有强烈织构的d 相和b 相的取向关系为( 1 0 0 ) c u | | ( 1 0 0 ) a g 、( 0 1 1 】c 。0l o l l a g 【7 3 ”。与n b 、c r 、f e 等其它b c c 元素相 比，c u - a g 原位变形复合材料在应变量较小时就能获得更高的强度。对于c u 2 4 w t a g 合金 6 5 , 6 6 在1 1 = 4 0 时，抗拉强度为7 0 0 9 0 0 m p a ，电导率可以保持在8 0 i a c s 左右； = 5 0 时可达9 0 0 , , - 1 3 0 0 m p a ；当n 达到6 o 0 后，强度提高更为明显，可以达到1 5 0 0 m p a 以上， 相对电导率则下降到6 5 7 0 i a c s 。采用合适的中间热处理或冷加： 后的退火工艺，对 量塞嚣蒜里昂 东南，叫堂硕士掌位论文 c u a g 的强度和导电性也有很大的贡献吐s a k a i 【7 5 】等的研究表明，c u 一2 1 5 v 0 1 a g 经过4 次 中间热处理后，极限抗拉强度和电导率能分别从7 5 0 m p a 、7 3 i a c s 上升到1 0 5 0 m p a 、 8 0 i a c s ，性能得到明显改善。 c u a g 原位变形复合材料己被视为高脉冲磁场导体材料的首选材料。但是a g 的价格昂 贵，使复合材料成本提高。 二、c u - b c c 系列 研究者 7 6 , 7 7 认为，c u b c c 系的变形特点是为发展b c c 相 织构所需的协调形变所致， 铜基体 方向平行于拉拔方向，第二相纤维 方向平行。r 拉拔方向，在此方向上， 第二相被拉长，但尺寸分布是不均匀的。其原阂主要有两个方面：( 1 ) 拉拔时，沿直径的应 变分布是不均匀的；( 2 ) 对 f l 6 的小应变量，刚好引起原始各向分布的枝晶向平行于拉拔 方向旋转。随应变量增加，纤维将变细，分布将更均匀。 1 c u - n b 系 这是目前国外研究最多的一个系列，可采用原位变形和捆柬变形两种方法来制备口”“。 采用原位变形法可简单地获得小尺寸的枝晶均匀分布的结构p “。但c u 2 0 v 0 1 n