（材料学专业论文）热型连铸技术制备cusn合金线材及其组织与性能分析.pdf

硕十学仃论文 摘要 热型连铸技术制备的金属铸杆具有优良的塑性加工性能。本文用横引式热型连铸 设备制备了c u - s n 合金线杆，研究了热型连铸凝固过程中的组织演化过程。采用两种冷 拔工艺将所得线杆加工成线材。对c u s n 合金线杆铸态、冷拔态，及热处理后的力学及 电学性能进行了测试分析；通过对合会线杆不同状态的金相组织、静拉伸断口形貌观察， 分析了影响合金线材外在性能表现的内在规律。主要得出以下结论： l 热型连铸c u s n 合金铸秆具有轴向挺直平行排列的柱状晶及单晶组织，横向晶粒 尺寸数毫米，晶粒内分布有明显的胞状组织。与相同成分的普通金属型铸杆相比，热型 连铸c u s n 合金杆抗拉强度约低1 2 ，伸长率约高3 0 ； 2c u 0 3 s n 合金铸杆直接冷拔成线材后其显微组织未见明显改变。冷拔后抗拉强 度大幅提高，而对导电率影响很小。当冷变形率7 4 时，抗拉强度从铸态时的1 6 5m p a 增加到3 8 7 m p a ，导电率从7 2 8 i a c s 下降到7 1 3 i a c s 。 3c u - o 3 s n 合会铸杆在冷拔过程中通过再结晶退火工艺处理后c u s n 线杆中的胞 状组织消失，产生的再结晶晶粒在冷拔后成为平行分布的细长晶组织。当冷变形率5 4 时，合会线材的抗拉强度达到4 2 1 m p a ，导电率7 3 2 i a c s ；通过软化性试验( 3 0 0 退火2 4 , 时) 后，抗拉强度下降不到6 。与直接冷拔成线材的工艺相比，通过“热型连铸 线杆+ 冷拔+ 再结晶退火+ 冷拔”工艺制备的c u s n 合金线材抗拉强度与导电率都有明显提 高。采用该工艺制备c u - o 3 s n 合金线材的抗拉强度、导电率和耐软化性能均达到 t b t 2 8 0 9 2 0 0 5 中c u s n 合会接触线的性能要求。 关键词c a s n 合金；热型连铸；组织演化；冷拔；抗拉强度；电导率 热叩迕铸技术制备c u s n 合金线材及纲织1 j 性能研究 a b s t r a c t t h em e t a l l i cr o d sh a v ee x c e l l e n tp l a s t i cw o r k a b i l i t yp r e p a r e db yh e a t e d m o l dc o n t i n u o u s c a s t i n gp r o c e s s c u - s na l l o yr o d sw e r ep r e p a r e db yh e a t e d m o l dc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s t h es t r u c t u r e se v o l u t i o no fc n - s na l l o yi nh e a t e d m o l dc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s sw e r e r e s e a r c h e di nt h ep a p e r t h ew i r e sw e r ef i n a l l ym a d eb ys u c c e d e n tc o l dd r a w i n g , t h e m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e so f a s - c a s t a s a n n e a l e da n dh a r d d r a w nc u - s na l l o y w i r e sw e r et e s t e da n da n a l y z e d t h er u l e st h a ti n f l u e n c et h em a c r o s c o p i c a lr e p r e s e n t a t i o no f p r o p e r t i e sa r ee x p l o r e db ya n a l y z i n gm i c r o c o s m i cs t r u c t u r e sa n ds t a t i cl o a d i n gf r a c t u r eo ft h e a l l o yi nd i f f e r e n ts t a t e s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w n a sf o l l o w s ： 1c u s na l l o yp r e p a r e db yh e a t e d m o l dc o n t i n u o u sc a s t i n gh a sp a r a l l e lt a c t i cc o l u m n c r y s t a l so rs i n g l ec r y s t a ls t r u c t u r e sa ta x i a lo r i e n t a t i o n , i t sg r a ms i z ei ss e v e r a lm i l l i m e t e ra t l a n d s c a p eo r i e n t a t i o na n d t h e r ei sd i s t i n c tc e l l u l a rs t r u c t u r e sd i s t r i b u t e di n s i d e ：t oc o m p a r e w i t ht h ea l l o yp r e p a r e db yc o m m o nm e t a lm o l dc a s t i n g ，t h et e n s i l es t r e n l g t hi sl o w e ra b o u t1 2 a n d p e r c e n t a g ee l o n g a t i o ni sh i g h e ra b o u t3 0 a tr o o mt e m p e r a t u r e 2t h r o u g hc o l dd r a w i n g , t h ec e l l u l a rs t r u c t u r eo fc u - 0 3 s na l l o yh a v en or e m a r k a b l e c h a n g e t h e nt h et e n s i l es t r e n 【g t hw a si n c r e a s e de v i d e n t l yw h i l et h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y d e c r e a s e dl i t t l e w h e nd e f o r m a t i o nr a t ea d du pt o7 4 ，t h et e n s i l es t r e n g t hc a nr e a c ht oa b o u t 3 8 7m p af r o m1 6 5 m p aa sc a s t i n ga n dt h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yd e c l i n e df r o m 7 2 8 l a c st o 7 1 3 i a c s 3a st h er e c r y s t a l l i z a t i o na n n e a l i n gt e c h n i c sa r eu s e di nt h ec o l dd e f o r m a t i o np r o c e s s ，i t i sd i s c o v e r e dt h a tt h ec e l l u l a rs t r u c t u r e si sd i s a p p e a r e da f t e rt h ea n n e a l i n gt r e a t m e n t t h e g r a i n so ft h er e c r y s t a l l i z a t i o na f t e rt h ec o l dd e f o r m a t i o np r o c e s sb e c o m et h ec o n t i n u o u s f i b r o u ss t r u c t u r e s w h e nt h ed e f o r m a t i o nr a t ea d du pt o5 4 ，t h et e n s i l es t r e n 【g t hr e a c ht o a b o u t4 2 1 m p a ，m e a n w h i l e ，t h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yi sa b o u t7 3 2 i a c s t h r o u g ht h e i n t e n e r a t ee x p e r i m e n t s ( a n n e a l e d2 ha t3 0 0 ) ，t h es t r e n g t hd e s c e n d sn o tm o r et h a n6 t o c o m p a r ew i t ht h et e c h n i c st h a tt h ew i r e sa r ep r e p a r e db yd i r e c th a r dd r a w ，t h r o u g ht h e t e c h n i c st h a tc u ，s na l l o yw i r e sa r ep r e p a r e db yh e a t e d m o l dc o n t i n u o u sc a s t i n ga d dc o l d d e f o r m a t i o na d dr e c r y s t a l l i z a t i o na n n e a l i n ga d dc o l dd e f o r m a t i o n ，t h et e n s i l es t r e n g t ha n d e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yw e r eo b v i o u s l yi m p r o v e d i ts h o w st h a tt h et e n s i l es t r e n g t h ，t h e e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ya n dt h ea n t i n t e n e r a t ep r o p e r t i e so ft h ec u 一0 3 s na l l o yt h a tm a d eb yt h e a b o v em e t h o dc a nr e a c ht h et bt 2 8 0 9 2 0 0 5s t a n d a r d sr e q u i r e m e n t so fc u s na l l o yc o n t a c t w i r e s k e y w o r d c u s na l l o y ：h c 。t t e d m o l dc o n t i n u o u sc a s t i n g ：s t r u c t u r ee v o l u ! i o n ：c o l d d r a w i n g ；t e n s i l es t r e n g t h ；l l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：橼 日期易呵年多月口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权兰 州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：力7 年 日期少叮年 门扣日 zj j 肜日 铖可 i，吮 硕士学竹论文 1 1 课题研究背景 1 1 1 接触导线简介 第一章绪论 自1 8 7 9 年5 月3 1 日在德国柏林举办的世界贸易博览会上，由西门子和哈尔斯克公 司展出了世界上第一条电气化铁路，迄今已有1 2 0 多年的历史。最初，电气化铁路大都 修建在城市近郊线路和一些工矿线路上。后来，随着工业的发展，才逐渐发展到城市之 间和运输繁忙的干线铁路上来。 电气化铁道架空接触网是电气化铁路的重要设施，一旦发生断线，就会造成接触网 断电，机车停运，影响铁路运输安全畅通。接触网中与机车受电弓滑板相接触并传输电 流的导线称为接触线1 1 j ，俗称电车线。接触线是一种传输电的裸线，广泛应用于铁路、 公交、煤矿、冶金等系统，其中绝大部分是用于电气化铁路的建设。【2 l 接触线是铁路接 触网中最重要的组成部分，要求具有高强度和高导电性。接触线般制成两侧带沟槽的 圆柱状，其沟槽为便于安装线夹并按技术要求悬吊固定接触线位冠而又不影响受电弓滑 板的滑行取流，如图】1 为了适应我国经济高速发展的需要，我国电气化铁路正在不断的提速，国家已经把 高速铁路的建设提上了同程。2 0 0 7 年4 月1 8 日，全国铁路正式实施第六次大面积提速， 时速达n 2 0 0 公罩以上，其中京哈、京沪、京广、胶济等提速干线部分区段可达到时速 2 5 0 公里。这次铁路大提速涉及京哈、京九、京广、京沪、陇海、兰新、浙赣、胶济等 主要干线，提速后时速两百公晕以上的铁路线超过6 0 0 0 公里，时速1 6 0 公晕以上的铁路 线达l ! i j l 4 0 0 0 公里。主要城市日】的列车运行时间进一步缩短。 图1 1 接触线形状 要实现电气化列车的高速化，必须在受电弓沿接触线高速滑行的过程中达到稳定 的受流状态。电力机车受电弓沿接触线高速滑动时，引起接触线上、下振动的横波吼 热刑造锛技术制斋c u s n 合会线材及纠织j 件能研究 根据平面波波动方程得出接触线传播的横波波速为： y = 居 m - ， 式中，卜一接触线的波动传播速度i n s ： 7 接触线的线张力； 旷一接触线的线密度k g m ； 可以看出波速与接触线的线张力和质量线密度的有关。根据国外高速电气化列车 实际的运行经验，当列车的运行速度在波动传播速度的7 0 以下时，可以达到稳定的 受流状态1 3 j 。因此列车运行速度越高，则要求接触线波动传播速度也越大，必须增加接 触线的架线张力或者降低线密度。对于等截面的同类材料，线密度差别很小，所以只能 依靠增加接触线的线张力，但接触线允许使用的架线张力与接触线的拉断力有关，增加 接触线面积以增加拉断力。同时也增加了线密度。并不能降低1 3 值( 行车速度与波动传播 速度之比) 1 5 j 再考虑接触线允许的磨耗和安全系数等因素，实际上是必须提高接触线的抗 拉强度。 高速列车电力牵引用接触线是通过电力机车受电弓滑板滑动摩擦直接接触向电力 机车输送电流的导线。它除正常的磨耗外，除在受电弓滑板通过定位时而产生电弧，还 常常受到非正常的机械冲击负荷和故障大电流的影响而形成离线产生电弧，使接触线温 度升高【4 l 。由于接触线一般是在硬态下使用的，接触线温度升高会引起机械强度和表面 硬度下降，造成电烧蚀损耗和机械磨损增加。 因此随着电气化列车向高速、重载的方向发展，要求接触线不但要高强高导，还要 有良好的耐高温软化性能、耐磨性能。以及良好的平直度以减少离线产生电弧的几率。 【】按照国内仅有的数家接触线厂家现有的接触线设计和生产能力，不仅在数量上难以保 证我国电气化铁路发展需要，其在强度和耐软化性能方面更难以胜任电力机车高速重载 运行的要求。目前我国高速电气化铁路用接触线主要依靠进口f 5 1 。因此，开发出适用于 高速化铁路，经济实用的接触线迫在剧睫。1 2 l 目前，国内外电气化铁路使_ j 的接触导线主要有三大类，分别是：( 1 ) 纯铜接触线( 硬 铜接触线) ( 2 ) 铜合金接触线( 3 ) 复合接触线。【5 一i 纯铜接触线。是一种拉拔后不纤退火就直接使用的硬铜导线，其强化仅靠加1 硬 化来实现，这种接触线具有导电性能优良、耐腐蚀忤能强、施工性能好的优点，但其机 械强度往往偏低，尤其是在高温f 抗拉强度人幅度f 降。如导线的最高温度不大于1 0 0 时，抗拉强度3 5 0 m p a 以上，似温度人于1 5 0 后，抗拉强度急速下降；温度为2 5 0 时，抗拉强度为2 2 6 m p a ：而”1 温度达到： o oc 时，抗拉强度仅为1 5 7 m p a 引。由f 纯铜接 触线这种高温软化的性能，疑然小适合f 1 高j 巫卜使川。 铜合会接触线。铜合会接触线强煌，： ，州臃一r 好，在铜中加入少量合金元素 通过微合会化柬在保持一定旨i 乜率的条什r 农挺r ： 触线的强度和高温软化忭能。刚外 “速电7e 化铁路几乎全部采j t j 铜合会叛触甘：7 e 。州人我国铁道部最新杯准的制合会接触 线f j 铜银，铜锡，铜镁- i 类i i ， 硕卜学位论文 铜银合金导电性优良，导电率与铜线相近，可达到9 7 i a c s 以上，但强度、耐磨 性，特别是耐高温性较差，不能满足较高速度铁路的需求。 铜镁接触线的强度高，可达到4 9 0m p a 以上。但由于镁是非常活泼的金属，易氧 化，在空气中即可点燃，是极易氧化的元素，而且导电率较差，一般电导率在6 2 以上。 同时铜镁合金熔炼工艺复杂，制造难度也很大。 1 2 铜锡接触线的导电率强度和导电率介于铜银和铜镁之间，具有较高的软化温度， 同时与受电弓滑板接触时不容易引起大的火花放电。对于高速铁路，使用c u s n 接触线 比较有前途一种接触导线【9 , 1 2 。 复合接触线。复合接触导线主要有铝包钢和铜包钢两种。如图1 2 图1 2 复合接触导线 铝包钢接触线是在钢芯外包覆铝的一种复合线材由于内芯为钢材所以强度很高， 可以实现大跨度架设，能承受高原地区冰霜堆积的压力，并且有较好的防腐蚀能力我国 早期的电气化铁路主要采用这种接触线，2 0 世纪9 0 年代以前，约有7 0 电气化铁路使用。 目i j 在国内主要应用于襄樊、银川、兰州等供电段但是由于其导电性差，对于电气化铁 路的长距离输电会造成很大的电损耗因此新架设和改造的电气化铁路都不采用这类接 触线。铝包钢接触线正逐渐被淘汰1 2 1 铜包钢接触线是在钢芯外包覆紫铜而制备成的一种高强度、高导电性、耐软化、耐 磨损的异型线材。相对铝包钢接触线，铜包钢强度和导电率都高。但是在小截面时优势 不明显。而大截面接触线线密度大，使加大悬挂张力以提高波动传播速度的效果受到了 限制。且铜包钢接触线的加工较为困难，成形工艺较为复杂，对技术要求很高，成本很高， 对它的大范围应用的条件还不够成熟。目前仅日本在其铁路线上应用此类接触线。1 2 , 1 3 】 相对而言，铜包钢接触线是性能最理想的产品，是接触线的发展方向之一，但其属 复合线材加工方法太复杂，技术要求太高，成本太高，在短时自j 内难以形成一定规模的 产业化。铜具有很好的导电性和耐蚀性，合理添加合金元素后的铜合金经过合理热处理或 形变处理能获得较高的强度，同时又不太大地影响其导电性i l l j 总体上看，开发出高强度，高导电性，易成形的铜合金接触线受到了广泛关注， 是目前高速接触线最切实际的研发方向的，也是是接触线发展的必然趋势1 1 2 , 1 5 1 1 1 2 铜合金接触线的制造方法 金属线材的制各，通常分作三步走：即制成锭坯，制成线杆，和制成线材。 如图1 3 3 热耳j i i 铸技术制簖c u s n 台会线 f 及铜织jr 能研究 图1 3 金属线材加工过程及方法 第一步是将会属在电炉或火焰炉中熔化并精炀后，铸成圆锭或方锭，或平铸成线锭， 或连铸，半连铸制成锭坯。对于难熔金属( 如钨、钼、钽、铌等) 常用粉末冶金法压制 并烧结成坯锭。 第二步制线杆。制线杆的方法较多，早先使用自山锻造工艺，将锭坯锭退火拔长而 成。扎制工艺出现后，锻造逐渐被淘汰，但个别会属仍保留，如镍和镍合会的线杆。然 向孑l 型轧制是当今制造线杆的主流，它适合于规模大，品种规格单一的工厂。一些装备 有挤压机的工厂，用挤压法制线杆，它适合于牌弓品种多、批量小的生产方式。也有跳 过制坯锭，直接铸成线杆是一种流程短、投资少、上马快的方法。 第三步是制线材。几乎所有的线材都由拉制而成。一些断面积较大的非硬态的线材， 特别是i # 圆截面的线材，可以用挤压法直接制得。或将线杆用连续挤压法制取。1 1 6 1 各类铜合金接触线的具体生产方法主要有：( d 铜或铜合金锭一加热一轧制一拉拔 法( 简称铜锭轧制法) ；连铸一连轧线杆一拉拔i = ! ( 简称连铸连轧法) 和上引连铸线 十卜一冷轧一拉拔法( 简称上引连铸法) ；i - _ 5 1 连铸线秆一连续挤压一拉拔法( 上引挤压 法) 等1 种如图【6 t 1 7 1 各种厅法的共同特点是最后一道工序都是拉拔，1 要差别在于拉拔i i 坯料的制备。嗍 ( 1 ) 钏锭轧制法 铜锭轧制法是最为传统的工艺，采用含氧量很高i f j i l , , j 锭( 重约1 2 0 k g ) ，经热轧后，成为 表面氧化严重的黑铜杆，需经酸洗，然后通过冷扣制成成品。在该工艺中，铸锭含氧量 商，产沾长度受到铸锭重量和热轧条件的限制，爿嘤焊接接长，因此难于制造低含氧 每 、长j 篷大于1 5 0 0 m ( 1 5 0 0 k g ) 的产品，目i i 基本淘汰、例 【2 ) 迎铸连轧法 j 尘铸连轧法是采用连铸连轧设备，连铸坯“ 连4 l 机轧成e 1 ) 2 0 m m 杆坯，用3 5 洒精，：6 压水去除氧化，然后经涂腊保护，最后迎jj i 今拔加 方法制出成品。其优点是 j i 铸_ i i l l 坯经过热加工成细小等轴晶粒的再结晶升。钞：用这种卡t 坯制造的接触线，其横 销籼 寸小于0 0 3 m m ，机械性能高，机车取流f 好，高线火花程度小1 1 8 l 。而且具 f j 软化，胁度高、平直度好，耐磨性和抗蠕变能j 岛 点，完令允服了传统技术生产的 i 念纠i ：的缺点【”l 。 求4j 连铸连4 l 生产铜合会接触线，获得的材 f j 组织为细小、均匀的晶粒。刚时 - 1 i l i 迓i 彳r 强度商、软化温度高、平a 度好、肘舻“i 抗蠕7 蹙能力高等特点，完全克服 jf 钉k 术，i ：，一的铸念务l 钐l 的缺点i ”。 ! 讣：制边援触线普遄采用连铸连轧法。违锚州f l 4 过柑中确i | 结晶过程 4 硕十学信论文 发生，接触线成品的晶粒细小均匀。但由于生产过程中空气的侵入难以避免，含氧量一 般都在0 0 1 5 0 0 4 之间。晶界上形成脆性的氧化亚铜及非会属夹杂的存在，都会使 杆坯质量控制难度加大，也破坏了铜基体的连续性而成为微裂纹源，降低抗疲劳性能。 在制造和使用中容易造成接触线抗弯折性能不良、抗疲劳性能差，发生脆断现象。高速 运行条件下容易发生疲劳断裂事故，在我国电气化铁路运用中曾多次发生。 另外，连铸连轧设备庞大、投资大，是为满足年产量在3 0 0 0 0 吨以上产量的纯铜杆 生产要求而设计的，而我国的铜合金接触线需求总量通常为每年5 0 0 0 吨左右。显然，这 种方法不适合于小批量、间断性生产的铜合金接触线产品的生产【射。 ( 3 ) 上引连铸法 般用中3 0 m m 的上引杆冷轧成巾1 6 4 w 圆杆，再通过3 5 道次拉拔成接触线。 其最大优点是原坯料为上引连铸法生产的。这种铸造方法的好处是熔炼的金属直接结晶 成杆坯，熔炼和连续铸造过程不经过流槽、中间包和浇包，都是在隔绝空气的条件下进行 的，生产出的是杆质纯净，几乎没有氧化物及非金属夹杂物存在的高纯度、高导电、高 延展性的无氧铜合金杆，实际含氧量都在0 0 0 1 以下【1 0 l ，特别适合于各种铜合金的熔 炼。另外，炉容小，拆炉、洗炉成本低，变换生产铜合金品种灵活，适合小批量间断性 供货的要求，生产成本比连铸连轧法低。国内大部分工厂一直采用上引连铸法制造铜接 触线和银铜合金接触线1 6 】。 但采用上引连铸法制造接触线的最大问题在于晶粒粗大。由于没有再结晶过程，接 触线的金相组织粗大，同时有明显的横向柱状晶残留，其平均横向晶粒尺寸大于2m i l l ， 按面积计算比连铸连轧制的接触线的晶粒( 横向晶粒尺寸约为0 0 2 册) 大1 0 4 数量级， 中3 0 哪的上引杆在常温下轧制和拉拔，变形穿透力小，不能改善内部组织，拉拔后 产品断面组织为晶粒粗大、未完全破碎的铸造组织。由于这种组织造成的残余应力，使 接触线架设后沿其长度方向有许多不规则的微小波浪弯，高速电力机车通过时会产生 连续细碎的离线火花，降低了机车的取流质量，也降低了接触线自身的寿命，在承受悬 挂张力和机车受电弓压力时还会产生极不均匀的弹性变形。 8 , 1 0 l ( 4 ) 上引挤压法 采用连续挤压工艺有如下优点：坯料无需加热。连续挤压是通过坯料与进料导板的摩 擦生热来控制会属的形变温度，铜合金在变形时的温度可达5 0 0 甚至更高，因此无 需加热，能量消耗可降低3 0 以上【5 】。实现无间断的连续生产。变形金属受力状态好， 组织致密。坯料在连续挤压过程中处于强烈的三向压应力状态，有利于提高金属的塑性， 消除铸造缺陷，发生再结晶，改善会属组织结构，细化内部晶粒，从而提高了金属的 机械性能和电性能：同一种直径的杆坯既可以生产更小截面的产品，也可以通过扩张 模生产比杆坯截面还大的产品，从而满足不同线径产品的需要。上引挤压法的缺点是生 产时在接触线表面容易产生气泡。1 6 j 由此可见，寻找一种既可以获得均匀、细化的晶粒组织，又能克服因含氧量过高 而导致的脆断的接触线制造工艺迫在眉睫。 5 填掣近铸技术制器c u s n 合金线材及细织j 忭能研咒 1 2 铜合金的强化设计 高性能铜合会的设计思想是在保持铜合金一定导电性的酊提f ，运用各种强化疗 法，改善其力孑性能。也就是根掘实际用途兼顾铜合金的高强和高导，同时还要考虑加 工性能及成本。总体一f - 看，设计思路不外乎有两种，一是引入适量合会元素强化铜基体 形成合会提高强度，同时尽量减少对电导率的不良影响；二是引入第二强化相形成复合 材料，通过复合强化取长补短，故铜的设计制备方法主要有合会化法和复合材料法两种 1 4 2 1 1 2 1 合金化法 ( 1 ) 固溶强化通过溶质原子溶入铜基体形成固溶体从而引起晶格畸变，由晶格 畸变所产生的成力场与周围的弹性应力场产生交互作用，来阻碍位错的运动，从而使材 料得到强化。尉溶强化的效果取决于两个因素：第一，溶剂原子和溶质原子的尺寸差别， 固溶强化的效果越大，因为尺寸差别大的溶剂原子进入溶剂后，造成的品格畸变也大， 从而给位错的滑移增加了困难。一般间隙固溶体比置换固溶体强化效果大。第二，添加 的合金元素越多，固溶强化的效果也越大。当然，不管溶质原子的尺寸是大还是小，如 果添加的量超过了其固溶度时，就会析出另外的新相。这种新相也会使材料强化，产生 另外一种强化机制一弥散强化。i ”l 但是，合金元素引入铜基体中，虽然能够提高铜的强 度，但却不同 i ! 度的降低了铜基体的导电率。 金属中的位错使位错区域的点阵结构发生畸变，产生位错应变能，而围溶体中的溶 质原子能减小这种畸变，结果使位错应变能降低，使位错比原来稳定，位错难运动，这 就是溶质元素对位错的“钉扎”作用。 ( 2 ) 二相强化 二相强化有两种类型，一种是弥散强化，就是将强化相的粉末，与铜粉均匀混合后， 利用粉未冶会等方式加工成犁，使强化相的粉末分布于铜基体中，利用强化相阻止品界 滑动和对位错的“钉扎”作用，使铜合会的强度得到提高【2 l2 3 1 。 另一种时效析出强化，利用合金元素在铜中固溶度随温度下降而迅速减小的合会元 素，通过高温砧j 溶形成过饱和固溶体，在降温时效后，使过饱和吲溶体机合会元素以 沉淀相的形式辛j i 出弥散分钿存基体中。产生析出强化的合会元素臆具备高m 和低温下在 铜中固溶度相彳较大，以便时效时能产生足够的析出相：同时任审温时刚溶度应极小， 以减小对基体的高导电件的影响较小。析出相的种类、数量、分和、大小， 眵态是决定 合金强度的重篮因素。电甘串的高低主要取决于合会元素的类掣、合会几参t 电导；簪的 影响及合会元东在室濉p 的、f 衡溶解度等因素1 2 l l 。二相强化特点是存提- 矗强f 篷的刚时， 对铜的导电性和导热r 影呻1 f h 小。目前j “泛使用的c u c r ，c u z r 系合龠，试芷t t 类型强化 的典，l ! j 例子。 ( 3 ) 细晶强f 二方汪， h ij 品界c l l 托v , j 卫“ j 墅形，冈此对多晶体龠属材料震晚，晶 越“细化，j f 起 品界干 的增加计f c i l l l , , j 小人。细t 仙强化成为仑埔材料的r f 盐强化，二。 6 硕卜宁俯论文 多晶体的屈服强度与其晶粒尺寸问的关系符合h a l l p e t c h 公式1 2 4 j ： s - 哥i 删。1 ，2 ( 1 1 ) 式中，s 。为多晶体的屈服强度；s j 为晶格磨檫力；k 为常数；d 为平均晶粒度直径。 根据h a l l p e t c h 关系式可以看出，晶粒细化可以提高材料的强度，细化晶粒的本质时 晶界有效地阻碍位错地运动，由于晶界处地原子排列混乱，杂质缺陷多，而且晶界两侧地 晶粒位向不同，可以阻碍位错从一个晶粒向另一个运动，从而提高合金地强度。细化晶粒 对材料强度提高还是有限的。细晶强化的特点是在提高强度的同时还可以提高塑性，因 为晶粒越细，材料的变形分布于更多的晶体内，变形越均匀。同时材料变形时境界处位 错塞积所造成的应力集中可以得到有效缓解，推迟了裂纹的萌生，材料断裂前可以实现 较大的变形量。 细晶强化主要利用晶界对位错的阻碍作用，通过细化晶粒来增加晶界提高材料强 度。 ( 4 ) 形变强化 通过金属在冷塑性变形中位错密度大量增殖，根据位错理论，使弹性应力场不断 增大，位错相互交割、缠结，这样位错问的交互作用不断增强，使位错运动越来越困难， 产生加工硬化，从而提高铜合金的强度和硬度，同时塑性急剧下降。对多晶体金属形变 强化，在均匀变形阶段应力应变符合式【明 “ s - k e “( 1 2 ) 式中s 为真实应力；e 真实应变；k 为形变强化系数：n 加工硬化指数。 一般面心立方金属比体心立方金属具有更大的加工硬化指数，所以形变强化是具 有面心立方的铜合金最常用的强化手段。但加工硬化引起合金强度的增加有限，所以一 般不会单独使用该方法。实际上，以上几种强化方法都很少单独使用，通常都是几种强 化方法配合使用，例如采用固溶强化+ 冷变形+ 时效强化或固溶强化+ 时效强化+ 冷变 形工艺。前者偏中于保持高导电性，或者保持高强度1 2 1 , 2 2 1 。 1 2 2 复合材料法 按照复合材料增强相的不同分为粒子增强型和纤维增强型，粒子增强型承受载荷的 主要是基体，第二相粒子主要阻止位错在基体中的运动，合会强度取决于分散粒子对基 体中位错阻碍能力。纤维增强型承受载荷的主要是纤维，基体只是负责向纤维传递和分 散载荷，材料的强度取决于纤维的强度和纤维与界面之间的剪切强度。根据引进强化相 方式不同可分为人工复合材料1 2 6 】法和自生复合材料法。复合强化法可大幅提商合金强 度，但工艺复杂，产品性能不稳定，生产成本高，需进一步研究。 ( 1 ) 人工复合材料法指人为加入第二相颗粒、晶须、或纤维对铜基体强化，或依 靠强化相本身强度增大材料强度的方法， 是研制高强高导铜合金的发展方向。氧化物 弥散强化铜( 0 d s c ) 是向铜基体中引入均匀、细小、具有良好热稳定性的氧化物颗粒， 如a 1 。0 ，、z r 0 2 、s i 0 ：等来强化铜而制得的材料。氧化物弥散强化铜的强化机理和沉淀强 化型铜合金类似，但其第二相颗粒高温性能稳定，抗高温软化能力馋良。 除颗粒增强 7 热刑j i 铸技术制符c u s n 合金，e 材及纲织j 件能研究 铜外，纤维增强铜也应用于高强高导铜合金中。 ( 2 ) 自生复合材料法是向铜中加入一定量合金元素，通过特殊工艺，使铜内部原 位生成增强相。而不是加工i ；i f 就1 字存增强体与基体铜两种材料，主要有以下方法：塑性 变形复合法、原位反应复合法、原位生长复合法。塑性变形复合法指向铜中加入适量合 金元素( c r ，f e 等) 制成两相复合体，再进行大量拉伸变形，使合金元素由枝晶状结构 转变为纤维结构，从而生成纤维增强型复合材料。这种合金元素具备以下特点：l 在铜 中溶解度很小，不对铜基体导电性产生太大影响；具有良好耀性，便于加工变形。原位 反应复合法是在铜中通过元素问或元素与化合物i 日j 发生放热反应生成复合材料。哈尔滨 工业大学研制的“直接接触反应法”就属此类。1 2 7 】 1 3 热型连铸技术 1 3 1 定向凝固技术 定向凝固是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固熔体中建立起特定 方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，获得具有特定取向柱状晶 的技术。 定向凝固技术是在高温合会的研制中建立和完善起来的。最典型的应用就是制备航 空发动机叶片，使叶片晶粒沿受力方向生长，消除横向晶界，甚至整个叶片制成单品。 与普通铸造方法相比，可以明显地提高材料的高温强度、蠕变性和持久特性、热疲劳性 高温力学性能。在各类人工功能晶体中6 0 的硅单晶、激光晶体、红外晶体等是利用定 向凝固技术获得的磁性材料定向凝尉后的性能也引起了极大的关注。用定向凝固方法得 到的自生复合材料，消除了其他复合卡彳料制备过程中增强相与基体问界面的影响，使复 合材料的性能大大提高。另外，定向凝固技术是观代凝固理论的基础。i 揖删 同时，该技术也广泛应用于模拟合会的凝围过程，研究凝固界面形态、凝固组织， 制备半导体材料、功能材料和定向i i 生复合材料。定向凝固技术的工艺参数包括，；疑 固过程中固液界面前沿液相中的温胜梯度g l 和同、液界面向前推进速度r 。g l r 值是控 制晶体长大形态的重要判据。定向凝| 士| 技术和装置在不断改进，其中技术关键之一足 致力于提高固液界面液相的温度梯f 眨( ；l 。1 2 9 1 传统定向凝固技术主要幸l 发热刺法( e p 法) 、功率降低法( ( p d 法) 、快速凝固法( f i r s ) 快速凝固法( h r s ) 、液念金属冷却汪、( ( 1 。m c ) 等m 3 1 j 。 1 3 2 热型连铸技术原理 定向凝固技术为高温合仑的制备f 会属凝理论提供了平台，但是传统的定向联! 啊 方法获得的铸件尺寸有限，为此外发j 热掣连铸技术，就是将高效的连铸干定向凝刖技 术结合起来。可以获得长艘小受限静旧定向凝组织。1 3 2 l 热犁连铸技术，义称( x 【技术( f l nc o n ! i i i n ) u sc a s t i n g ) ，是由大里f ：0 是( a o hr 一) 1 9 7 8 年发明1 3 列，并于1 9 8 6j 片次y ，厶的1 3 。 。热犁连铸b 普通迮铸味州蛐1 刽l1 j f 0 後，l 铸不同，热犁连铸采川n l m 铸，掣代 硕十学伊论文 传统连铸中冷铸型，可以消除铸型内壁首先形核的可能性。同时，由于型外冷却作用， 使热流沿着拉铸方向由铸型出口向冷却区传输，从而形成定向凝固的条件。由于依赖于 固相的导热，适合于热导率大的金属。 传统连铸过程铸型同时起结晶器的作用，会属液体首先在铸型的激冷作用下凝固， 逐渐向中心生长，因此在最后凝固的铸锭中容易产生气孔，缩松缩孔及低熔点合金元素 与杂质的偏析。凝固壳层与铸型摩擦力大。 同时，由于型外冷却作用，使热流沿着拉铸方向由铸型出口向冷却区传输，从而 形成定向凝固的条件。热型连铸技术具有以下特点【3 5 。7 1 ： ( 1 ) 在铸型出口端与冷却区之间有悬殊的温差和高的温度梯度，型内金属液的热量主 要沿拉铸方向单方向传输，造成有利于定向凝固的条件，可铸出长度不受限制的单晶 和柱晶铸锭。 ( 2 ) 金属液在铸型出口端凝固结壳，显著减小铸件与型壁的摩擦磨损，可铸得表面非 常光洁的复杂截面形状的薄壁型材。因此，热型连铸技术是一种近成型技术，可用于制 造那些通过塑性加工难于成形的硬脆合金及金属问化合物等线材、板材及复杂管材。 ( 3 )由于是沿拉铸方向定向凝固的，凝固过程析出的气体及排出的杂质进入液相，不 会卷入铸锭。因此不会产生气孔和夹渣等铸造缺陷。同时铸锭中心先于表面凝固，不存 在铸锭中心补缩困难问题，因而无缩松缩孔等缺陷，铸锭纯净致密，还可获得单晶或柱 晶材料。 ( 4 )由于铸锭组织致密，没有缩松缩孔、夹杂、偏析等铸造缺陷，横向晶体界少，因 而塑性加工性能非常好。可以减少甚至消除冷加工过程中的中问退火，节省能源，提高 生产效率。 图1 4 热型连铸与传统连铸原理示意图 1 3 3 热型连铸设备的演变 根据合金材料及铸造型材形状及尺寸的不同，目前已开发出几种热型连铸装置i 蚓 9 热掣迎铸技术制备c u s n 台金线材及组织与性能研究 ( 1 ) 下引式 下引式主要用于连铸大直径铸件( 图1 5 ) ，优点是凝固界面金属压头均匀，冷却方 便，金属液体内气体和杂质容易上浮，铸锭质量好。但最大缺点是铸型出口处的压力不 易控制，金属液体的压力容易抵消金属液的界面张力，故很容易发生漏液。装置设计也 困难。 ( 2 ) 虹吸下引式 为了克服下引式的缺点，开发出了虹吸垂直下拉热型连铸装置( 图1 6 ) ，它具有垂直下 拉式装置的优点，同时又降低了金属液压头，即使在较高的拉铸速度下也不易拉漏，但 虹吸管清理困难，因此，在实际生产中没有得到发展。 ( 3 ) 上引式 上引式主要用于连铸适合空冷的高熔点合金( 图1 7 ) ，其优点是凝固界面处的液体 金属压力容易得到控制，没有金属液体泄漏的危险，对铸锭尺寸也无限制。缺点是气体 和夹杂在浮力的作用下，始终滞留在液固界面处，容易卷入铸锭，同时存在冷却水漏入 合金液的危险，尤其对热容量大、熔点高的金属，当需要用液体冷却剂冷却时。有使冷却 剂漏到金属液上发生爆炸的危险。并且冷却装置设计复杂。 ( 4 ) 水平横引式 水平横引法热型连铸装置设备比较简单( 图1 8 ) ，铸型温度也容易控制，但由于重力 的作用，铸件径向尺寸受到限制，而且上下两侧冷却不均匀，适合于生产细杆、线材、 小直径管材及薄壁板类型材。相对而言，水平横引法是目前研究和应用最多，也是最为 成功的热型连铸方法。 围1 5 下引式图 也加建幢 图1 6 虹吸下引式 硕十学位论文 - 乜i 盐 图1 7 上引式 图1 8 水平横引式 1 3 4 热型连铸技术的应用 ( 1 ) 金属单晶材料 单晶材料表面非常光洁，又没有晶界和各种铸造缺陷，具有优异的塑性加工性能， 可拉制成极细的丝和压延成极薄的箔。用热型连铸的铝硅合金单晶可拉制成直径2 5 “m 的细丝，用作集成电路的引线；热型连铸的单晶镁可压延成弘m 厚的箔，用作耳机的振 动膜【3 9 l ：国内兰州理工大学与河南焦作森格高新材料有限责任公司合作开发的热型连铸 技术制备单晶铜杆项目已经产业化，单晶铜杆具有良好的机械性能、电学性能、信号传 输保真性能和耐腐蚀性能。公司用热型连铸单晶铜杆生产的单晶铜高保真音频线缆已在 国家大剧院和北京世贸国际商业中心等国家重点工程中得到应用。 ( 2 ) 截面形状复杂的薄壁型材 o c c 技术也可以制造截面形状复杂的薄箔型材，日本三井公司目前己成功地开发了 各种截面形状复杂的热型连铸铜管。例如带有内外翅片、双层壁、多通道等特征的铜管， 其翅片厚度仅0 3 m m ，管壁厚0 5 m m ，可用作高性能换热器、热管和感应加热线圈等。 用作空调换热器的带翅片铜管的传热系数是无翅铜管的3 5 倍1 4 0 l ( 3 ) 其他工艺难以加工的型材 用热型连铸法还可生产表面异常光洁、尺寸精度很高的净形或近净形型材，以及双 金属连铸材和金属包铸光纤材料，尤其是生产各种难以控制的高硬度合金焊条( 丝) ，例 如硬质合金、不锈钢和高硬度铝铜合金焊条( 丝) 等。i 3 9 】 热型连铸产品具有很好的抗疲劳性能。例如对 6 m m 的a i - i c u 合金线材进行9 0 。循 环弯曲试验。结果表明，金属型铸造的线材弯曲3 5 次就断了，而热型连铸技术制备的 可弯曲3 0 次【朔。 1 1 热犁连铸技术制各c u s n 合金线材及组织b 性能研究 1 4 课题研究目的与意义 目i ； f 铜合金接触线是高速铁路用接触线最有应用前景的，其中铜锡合金具有高强 度，较好的导电性，耐磨性和耐高温性等综合的优良性能，成为高速铁路用接触线的一 枝独秀。 值得一提的是，2 0 0 6 年1 2 月1 9 日，沪宁线2 5 0 k m h 提