（材料学专业论文）低溶质cucrzr合金的微结构与性能.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 y 2 3 _ f 8 本文以高性能滑动屯接触导线材料为应用背景，对一种时效硬化型的低溶质c u c r - z r 台金 的组织结构和性能进行了研究。论文主要探讨了热处理t 艺特别是时效处理对c u c r - z r 台金微 结构以及材料力学、电学和摩擦磨损性能的影响规律，以寻求最佳的材料加工工艺，满足电接 触导线材料高强度、高导电性以及优良摩擦磨损性能的要求。 ， f 采用透射电子显微镜、能谱仪等微观分析t - 段对c u c r - z r 合金固溶以及不同时效处理状态 的微观结构进行了系统的观察，对析出相的形貌特征、形成机理做了较详细的分析，并对合金 不同阶段的时效特性进行了探讨，总结了c u c r - z r 合金的时效析出规律。结果表明，该时效强 化型合金的时效过程是析出相由时效初期的g p 区转变为过渡相( h e u s i e r 相，c r c u 2 ( z r , m g ) ) ， 最后向平筏相( c r 与c u 。z t ) 转变的过程；在5 0 0 时效2 h 后样品内形成了大量弥散、均匀分 布并与基体呈良好共格关系的析出相( c r c u 2 ( z r , m g ) ) ，合金处于最佳时效状态。 在对合金微结构分析的基础上，研究了不同热处理状态下合金的力学性能和导电性能，讨 论了热处理= 艺包括时效温度、时效时间以及时效前的冷变形处理对合金力学和电学性能的影 响，从而给出了c u c r - z r 台金的最佳热处理工艺。结果表明，合金在5 0 0 。c 时效2h 后达到了 其峰值硬度，导电率也达8 0 1 a c s 以上：时效前的冷变形处理可以在很大程度上提高台金的硬 度，并可以有效地促进溶质原子的析出，从而使合金的导电率仍能保持较高水平；台金经同溶 处理后进行9 6 冷变形处理，再在5 0 0 。c 时效2h 后，样品的抗拉强度为5 6 2 7 m p a ，硬度为1 5 9 3 ( h v ) ，导电率为8 0 5 7 i a c s ，达到了强度和导电率的较佳搭配。 在m m w - i 型销一盘式摩擦磨损试验机上进行了c u c r - z r 合金的干滑动摩擦磨损试验，研 究了施加载荷和滑动速度的改变对摩擦系数、台金磨损率的影响，并用扫描电子显微镜和x 射 线能谱对其磨损表面形貌及试样亚表层的微观形貌进行了观察分析。结果表明，摩擦系数随施 加载薪和滑动速度的增加均略有降低：合金的磨损率随载荷的增加而逐渐上升，随速度的增加 出现了“烈峰”曲线特征：合金的磨损形式主要有粘着磨损和磨粒磨损，试样表面不断的滑动 磨拣行为在合金的旺表层形成了高度集中的塑性变形区。 在电接触滑动磨损试验机上模拟实际铁路电力机车馈电弓与馈电网之间的t 况条件，进行 了c u c r - z r 台金黄铜摩擦副的电接触滑动磨损实验。探讨了电流条件列合金滑动磨损性能的影 响，对其在电流作用下的磨损行为和机理进行了分析：研究厂合金在不同热处理状态下的屯 接触滑动磨损行为并着重探讨了时效处理对合金电接触滑动磨损的影响情况。结果表明，随 ：r - z r 的影 四届 浙江大学硕士学位论文摘要 着电流的增大，c u c r - z r 合金黄铜摩擦副的磨损质量损失均增加；在电流作用下，合金的磨损 机制主要有粘着磨损、磨粒磨损与电侵蚀磨损：在电流的条件下，时效状态对c u c r - z r 合金的 耐磨性有很大的影响，其磨损率随时效温度的升高逐渐降低，经5 0 0 c 时效2h 时合金达到最低 的磨损率，而后随着时效温度的进一步升高，磨损率持续增大，与合金硬度的变化有较好的对 应关系；与目前使用的c u - a g 合金导线( c t h a l l 0 ) 比较，在相同的电接触滑动条件一f ，c u c r - z r 合金的耐磨损性能明显优于c u - a g 合金。 、， 综上所述v 采用添加低溶质合金元素，通过合理的热处理工艺，使c u c r - z r 合金的强度获 j 得了很大提高，而其导电率仍能保持较高水平，实现了铜合金高强度及高导电性的有机统一； 同时，合理的时效处理也可咀有效地提高合金的电接触滑动摩擦磨损性能，与c u a g 合金导线 的比较发现该c u c r z r 台金具有更为优良的耐磨性。因此，该低溶质c u - c r - z r 台金是一种同时 具有高强度、高导电性以及优良摩擦磨损性能的电接触导线材料。 关键词：低溶质c u c r - z r 合金：微结构；时效处理：摩擦磨损：电接触 浙江入学硕j 学位论文摘要 a b s t r a c t u p o nt h ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d o fh i g h p e r f o r m a n c es l i d i n g e l e c t r i c a lc o n t a c t p a r t s ，t h e m i c r o s t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e so fp r e c i p i t a t i o n - h a r d e n e dd i l u t es o l u t ec u c r - z ra l l o yw e r es t u d i e d t h ee f f e c to fh e a tt r e a t m e n t ，e s p e c i a l l ya g i n gt r e a t m e n t ，o nm i c r o s t r u c t u r e s ，m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a l p r o p e r t i e s ，a n ds l i d i n gw e a rb e h a v i o ro fc u c r - z ra l l o y w a sd i s c u s s e d ，i no r d e rt om e e tw i t ht h e d e m a n do fs l i d i n ge l e c t r i c a lc o n t a c tw i r ew i t hh i g hs t r e n g t h ，h i g hc o n d u c t i v i t ya n dg o o dw e a l r e s i s t a n c ea sw e l l t h em i c r o s t r u c t u r e so f s p e c i m e n so f s o l i ds o l u t i o na n da f t e ra g i n gt r e a t m e n tw e r es y s t e m a t i c a l l y i n v e s t i g a t e db y m e a n so fs e m ，t e ma n de d s t h em o r p h o l o g i c a la n ds t r u c t u r a l a s p e c t s o f p r e c i p i t a t e s a n di t sf o r m a t i o nm e c h a n i s mw e r es t u d i e di nd e t a i l t h ec h a r a c t e r so ft h e a l l o y a t d i f f e r e n ta g i n gs t a g e sw e r es u r v e y e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np r e c i p i t a t i o na n da g i n gt r e a t m e n t s o ft h ec u - c r - z ra l l o yw a st h e ns u m m a r i z e d i tw e t sf o u n dt h a tt h ea g eh a r d e n i n go fc u - c r - z ra l l o yi s t h er e s u l to ft h ei n i t i a l h o m o g e n e o u sm e t a s t a b l ep r e c i p i t a t i o n o fa c o m p l e xi n t e r m e t a l l i cp h a s e ( h e u s l e rp h a s e ) w i t has u g g e s t e dc o m p o s i t i o no fc r c u 2 ( z r , m g ) t h a td e c o m p o s e st h e r e a f t e ri n t ob c c c h r o m i u ma n dc u 4 z rp a r t i c l e sg i v i n gaf i n e rd i s p e r s i o n a g i n ga t 5 0 0 cf o r2 hr e s u l t si nt h e f o r m a t i o no ff i n e ，d i s p e r s i v ea n dc o h e r e n tp r e c i p i t a t e sw i t h i nt h ec o p p e rm a t r i x t h em 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 fc u - c r z ra l l o ya f t e rv a r i o u sh e a tt r e a t m e n t sw e r e i n v e s t i g a t e d t h ee f f e c to fh e a tt r e a t m e n t ，i n c l u d i n ga g i n gt e m p e r a t u r e ，a g i n gt i m ea n dc o l dw o r k i n g b e f o r ea g i n gt r e a t m e n t ，o nt h em 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 sw e r es t u d i e da n dt h eo p t i m a lh e a t t r e a t m e n tc o n d i t i o nw a sp r e s e n t e d i tw a sf o u n dt h a tc u c r - z ra l l o ya g e da t5 0 0 cf o r2hs h o w e dt h e o p t i m a lc o m b i n a t i o no f h i g hh a r d n e s sa n dh i g hc o n d u c t i v i t yt h e c o l dw o r k i n gb e f o r ea g i n gt r e a t m e n t c a ni m p r o v et h eh a r d n e s so f c o - c r - z ra l l o yi nag r e me x t e n tw h i l ei t se l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ys h o w sn o s i g n i f i c a n td r o p a f t e ro p t i m a lh e a tt r e a t m e n t ，c u c r - z ra l l o ys h o w e dt h ei n t e g r a t e dp r o p e r t yw i t h s t r e n g t ho f 5 6 27 m p a ，h a r d n e s so f i5 9 3 ( h v ) a n de l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo f s 0 5 7 1 a c s t h ef r i c t i o na n dw e a rb e h a v i o ro fc u c r - z ra l l o y sd r ys l i d i n ga g a i n s tab r a s sc o u n t e r f a c ew e r e i n v e s t i g a t e d o nam m w - ip i n - o n d i s kw e a rt e s t e r t h ew o r ns u r f a c e so ft h ec u - c r - z ra l l o y sw e r e s t u d i e db ys e ma n de d st h em i c r o s t r u c t u r e so ft h es u b s u r f a c ea r e ao fc u - c r - z ra l l o ya f t e rw e a r t e s t sw e r ea l s oa n a l y z e db yt e m t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t ss h o w e dag e n e r a l t r e n do fd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fn o r m a ll o a da n ds l i d i n gs p e e d t h ew e a rr a t eo ft h ea g e d c u - c r - z ra l l o yi n c r e a s e dm o n o t o n i c a l l yw i t ht h ei n c r e a s eo ft h en o r m a ll o a d w i t hi n c r e a s i n gs l i d i n g s p e e d t h e w e a rr a t eo ft h ea g e dc u - c r - z ra l l o ) 7d e c r e a s e di nt h ei n i t i a l s t a g e a n dt h e nb e g a nt o i n c r e a s ea f t e rr e a c h i n gt h em a x i m u mw e a rr a t e 、t h ew e a rr a t ed e c r e a s e da g a i nw i t hf u r t h e ri n c r e a s i n g i nt h es l i d i n gs p e e d a d h e s i v ew e a ra n da b r a s i v ew e a rw e r et h ed o m i n a n tw e a rm e c h a n i s m su n d e r u n l u b r i c a t e dc o n d i t i o n sw i t hh i g hl o a da n dc o n t i n u o u ss l i d i n gb e h a v i o r s ，t h ep l a s t i cd e f o r m a t i o nw a s i i 浙江大学硕j 学位论文摘要 i n t e n s i f i e da n dt h u sf o r m e dal a y e rw i t ht h e f r a g m e n t e d m i c r o s t r u c t u r ea n di n t e n s i f i e d p l a s t i c d e f o r m a t i o nz o n ei ns u b s u r f a c er e g i o n t h ee l e c t r i c a l s l i d i n g w e a rb e h a v i o ro fc u c r - z r a l l o y sa g a i n s t ab r a s sc o u n t e r f a c ew a s i n v e s t i g a t e do nap i n o n d i s kw e a r t e s t e rt h ew o r ns u r f a c e so ft h ea l l o y sw e r ea l s oa n a l y z e db ys e m a n de d s t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t w e a rm a s sl o s so fc u - c r - z ra l l o y b r a s sb o t hm o n o t o n i c a l l y i n c r e a s ew i t hi n c r e a s i n ge l e c t r i c a l c u r r e n ta d h e s i v ew e a r , a b r a s i v ew e a ra n da r ce r o s i o nw e r et h e d o m i n a n tm e c h a n i s m sd u r i n gt h ee l e c t r i c a ls l i d i n gp r o c e s s e s u n d e re l e c t r i c a lc u r r e n tc o n d i t i o n s ，t h e a g i n g t r e a t m e n t sh a da ne f f e c to nt h ew e a rr e s i s t a n c eo f c u - c r - z ra l l o ya tt h ec o n s t a n tc u r r e n td e n s i t y t h ew e a rr a t eo fc u - c r - z ra l l o yd e c r e a s e dw i t ha g i n gt e m p e r a t u r e ，a n dr e a c h e dt h em i n i m u ma t5 0 0 。c ， t h e ni n c r e a s e dw i t hf u r t h e ri n c r e a s i n ga g i n gt e m p e r a t u r e c o m p a r e dw i t hc o m m e r c i a l l yu s e dc u - a g a l l o yw i r e ( c t h a 110 ) u n d e rt h es a m et e s tc o n d i t i o n s ，t h ec u - c r - z ra l l o ya g e da t5 0 0 。cf o r2 h e x h i b i t e dm u c hb e u e rw e a rr e s i s t a n c e i nc o n c l u s i o n ，b ya d d i t i o no fd i l u t es o l u t ea l l o y i n ge l e m e n t sa n da p p r o p r i a t eh e a tt r e a t m e n t ，t h e s t r e n g t ho fc o p p e ra l l o yi n c r e a s e sg r e a t l yw h i l ei t se l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ys h o w sn os i g n i f i c a n td r o p a na p p r o p r i a t ea g i n gt r e a t m e n tc a na l s oi m p r o v et h ew e a rr e s i s t a n c eo f t h em a t e r i a l sc o m p a r e dw i t h c o m m e r c i a l l yu s e dc u - a ga l l o yw i r e ，t h ec u - c r - z ra l l o ye x h i b i t e dm u c h b e t t e rw e a rr e s i s t a n c e s o ， t h ed i l u t es o l u t ec u c r - z ra l l o ys h o w st h ei n t e g r a t e dp r o p e r t yo fh i g hs t r e n g t h ，h i g hc o n d u c t i v i t ya n d g o o dw e a r r e s i s t a n c ea tt h es a m et i m ew h i c hc o u l dm e e tw i t ht h ed e m a n do fs l i d i n ge l e c t r i c a lc o n t a c t j r e k e ) w o r d s ：d i l u t es o l u t e c u - c r - z ra l l o y ；m i c r o s t r u c t u r e ；a g i n gt r e a t m e n t ；f r i c t i o na n dw e a r ； e l e c t r i cc o n t a c t 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 现代交通运输的不断发展，对电接触导线的性能提出了愈来愈高的要求：一方 面，电接触导线要有较高的导电率，以减小电流在传输过程中在电车线内的欧姆热 损耗及电压降；另方面，电接触导线要有较高的机械强度，以适应大跨距敷设及 减少敷设费用的需要。此外，为了延长接触导线的使用寿命，还必须具有良好的耐 磨以及耐热、耐腐蚀、耐疲劳性能。目前，我国交通运输线上普遍使用的是铝合金 电车线以及铜银合金电车线。这些电车线不同程度地存在着导电性差、抗蚀性能不 足，或者强度不够的严重缺陷，不仅大大增加了电车线的更换频率，而且换线也影 响了交换运输的正常进行，造成了大量的经济损失i l - 3 l 。现有的电气化铁路正在向高 速重载化发展，对电接触部件提出了越来越高的性能要求，迫切需要具有高导电、 高强度以及低摩擦磨损的高性能电接触材料的出现。 铜基合金以其高导电性、高强度、耐腐蚀、抗强磁场等性能得到了许多领域的 青睐，广泛应用于电子、电器及与导电相关的其他工业领域。7 0 年代以来，国内外 对铜合金进行了大量的开发和研制，到现在为止，许多新型的铜基合金已经问世。 其中，时效硬化型c u c r - z r 合金因为其高强度、高导电性以及优良的耐磨、耐热性 能近几十年来倍受人们关注【4 - 6 1 。 本文对低溶质c u c r z r 合金的微观结构和力学、电学以及摩擦磨损性能进行了 较为系统地研究，探讨了不同的热处理工艺特别是时效处理对c u c r - z r 合金微观结 构乃至对材料力学、电学和摩擦磨损性能的影响规律，以得到合理的热处理工艺， 把台金的综合性能提高到一个新的水平，为电接触导线材料的开发和应用提供理论 和实践依据。另外，据预测，受我国大力发展城市轨道交通、铁路电气化改造以及 高速铁路计划的影响，高性能电接触材料的需求量将在未来3 0 年内快速增长，对高 性能滑动电接触导线材料的研究还具有重大的经济和社会价值。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 铜接触导线材料的研究与应用现状 铜是人类历史上应用最早的金属，也是应用最广泛的金属材料。主要用作导电、 导热并兼有耐蚀性等器材及制造各种铜合金，是电气仪表、化工、造船、机械等工 业部门中的重要材料。纯铜最突出的性能是具有高的导电、导热性，仅次于银而居 第二位。因此，工业上，纯铜用作各种导线、电缆、导电牌、电器开关等各种导电 器材。 长期以来，铜接触导线以其优异的导电性能及良好的抗腐蚀性能引起了人们的 广泛兴趣，大有取代铝合金线及钢铝复合线的趋势。但是，铜的比重比较大，在架 高敷设铜电车线时对其强度要求较高。而一直以来，在铜接触材料的研究中存在着 高强度和高导电率之间的矛盾，这种矛盾甚至贯穿于整个导电材料研究的始终。一 般认为要保持铜材的高导电率，则其强度往往不足，而提高铜材强度却往往在很大 程度上降低了其导电率。如何在保持铜高导电率的前提下，有效地提高其机械性能 的问题已经成为电接触材料研究和发展的中心任务之一，这特别是在把发展电力拖 动作为铁路运输现代化重要举措的今天显得尤为迫切。为了有效地解决这个问题， 人们一般从金属材料的各种强化方式入手，在尽可能不降低或少降低铜导电率的前 提下，寻求提高其机械强度的途径。对铜等有色金属来说，主要的强化途径有冷变 形强化、固溶强化、沉淀强化、弥散强化或过剩相强化、细化晶粒强化以及纤维增 强复合强化等 5 - 8 1 。 综观多年来铜接触导线的研究状况发现，人们在解决高强度和高导电率这对矛 盾的时候，大都是在尽可能少地降低铜导电率的前提下，采用固溶强化、冷作强化 或第二相粒子强化基体来提高接触导线的强度。如何在保持铜高导电率的前提下， 有效地提高其机械性能的问题已经成为此类材料研究和发展的关键。 1 2 1 铜接触导线材料 按照强化方式的不同，目前铜接触导线材料的研究大致分为以下几类6 ( 1 ) 硬铜电车线 硬铜电车线是指铜在拉拔成线材后不经过退火处理而直接使用的电车线。原材 料一般为电解法精炼得到的纯度大于9 9 9 的工业纯铜，其强化主要依靠冷作硬化 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 来实现。实践表明冷变形度在9 0 以上时，铜电车线的抗拉强度可达4 5 0m p a ，而 导电率只降低2 i a c s 。不难推测，单纯的冷作硬化效果有限，使得这类电车线强 度往往不高。而且，由于自然时效作用的影响，其强度很难保持长久。特别在大载 荷电流通过时产生的热效应作用下强度衰减更加显著。 ( 2 ) 铜合金电车线 纯铜强度不高，抗拉强度仅为2 3 0 2 4 0m p a ，布氏硬度约为4 0 5 0 ，伸长率 为5 0 。采用冷作硬化方法虽可提高抗拉强度和硬度，但伸长率急剧下降到2 。 因此要进步提高强度并保持较高的塑性，就必须在铜中加入适当的合金元素使其 合金化。铜合金是常用的电车线材料之一。一般是通过冷作硬化、时效强化及少量 的固溶强化来提高铜材强度。加入合金元素采用多元少量合金化原则，使合金元素 对铜导电率的影响尽量小。常用的合金元素有a g 、c d 、c r 、z r 、s n 、r e 等。有些 高强度导电铜合金正在电车线上推广使用。据悉，新型c u - a g 合金电车线的研制已 在上海获得成功，并已在上海地铁线上使用。 ( 3 ) 铜钢复合电车线 为了充分发挥纯铜的高导电性能，又同时提高电车线的抗拉强度，9 0 年代以来， 在高强度钢芯外包覆铜层的铜包钢复合电车线也得到了开发。据报道，用热浸涂法 生产的c s 电车线抗拉强度可达6 5 0m p a ，且具有良好的耐磨性能。目前，这种电车 线已在日本部分线路上使用。但该电车线的最大缺点是其导电率很低，仅为6 0 i a c s ，又存在着复合电车线所固有的电化学腐蚀性，因而没有得到大范围推广。 ( 4 ) 氧化物弥散强化铜电车线 氧化物弥散强化采用颗粒增强的金属基复合材料技术，在铜基体中形成了均匀 分布的微细的氧化物颗粒( 要求这些颗粒具有良好的热动态稳定性，如t h 0 2 、y 2 0 3 、 a 1 2 0 3 、z r 0 2 等) ，不但提高了室温下材料的强度和硬度，而且可以阻滞再结晶发生， 因此材料在高温下仍具有良好的机械性能。o d s 铜的电导率可达9 0 i a c s 以上， 在4 0 0 。c 以上时屈服强度明显高于一般的高导电性铜材，这些优点在电车线的制造 方面有着重要意义。但是，o d s 铜的制各大多以机械混和、内氧化等粉末冶金的方 法进行，仅适合于一些如电阻焊条、继电器刀闸等小型件的生产，难以在长度很大 的电车线的生产上运用。 ( 5 ) 纤维增强铜电车线 纤维增强铜电车线是通过定向凝固等技术使第二相纤维与基体相均匀相间、定 1 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 向整齐排列的一类复合材料。使高强度的第二相纤维成为载荷的主要承担者，基体 金属仅起着连接纤维相、向纤维相传递受载时的应力及在部分纤维断裂时承担局部 载荷的作用。材料强度主要取决于纤维相的强度。另一方面，当纤维相分布方向和 电流方向一致时，纤维相对铜基体的导电特性影响较小，从而有可能有效地解决高 导电率与高强度的矛盾，形成一种具有高导电性能、高强度、高耐磨综合性能的新 型电车线铜材。 1 2 2 铜合金的制备方法 如前所述，在铜合金材料的研究与制备中，高强度与高导电性之间同样存在类 似于此消彼长的关系，采用某种强化手段使之强化后其电导率必然会有某种程度的 下降。如何根据不同的应用环境的要求选择合适的强化方式，解决好两者之间的矛 盾同样是此类合金研制的关键。 ( 1 ) 合金化法【5 】 合金化法是制备高强度高导电性铜材料的基本方法之一。即通过在铜基体中添 加一定的合金元素，以形成固溶体或过饱和固溶体，使铜基体发生晶格畸变或时效 析出强化相，从而获得高强度高导电性能兼备的铜合金。 合金化法的基本原则有：( a ) 低合金化和冷作硬化。加入的合金元素总量要少， 且这些元素很少降低铜的导电率：( b ) 时效强化。在加入起沉淀强化作用的元素时， 最好使合金元素之间形成不含铜元素的强化相，而且这种强化相在基体中的固溶度 随温度的降低而急剧减小。合金元素的选择及其熔铸工艺成为合金化法的关键。常 见的合金元素有：s n 、a g 、c d 、c r 、z r 、r e 等，这些元素含量较低，大都在1 左 右。在这些元素中，除了a g 、c d 、m g 等是借助固溶强化和冷作硬化来提高强度外， 其他元素几乎都是利用时效强化来强化基体的。 ( 2 ) 粉末冶金法1 5 , 9 1 粉末冶金法是生产铜及铜合金结构件、磨擦材料、碳刷及高导电率铜的重要方 法。为了进一步得到高导电性、高强度特别是高温强度的铜材料，近年来迅速发展 了氧化物弥散强化铜。该材料通过在铜基体中引入均匀分布的微细的具有良好热动 态稳定性的氧化物颗粒，如t h 0 2 、y 2 0 3 、z r 0 3 、a 1 2 0 3 等，不但提高了材料的室温 强度和硬度，而且可以阻滞再结晶的发生，从而使铜材料在高温下仍具有良好的机 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 械性能。粉末冶金法基本分为三个步骤：粉末的制备及预处理、致密化成型加工和 烧结。烧结是在保护气体中( 或在真空里) 对致密坯体中的粉末颗粒进行高温加热 处理。烧结时经过不同过程，从热力学意义上讲，初态和终态的自由能之差是这些 过程的推动力。从宏观上看，烧结体的尺寸变化和物理性能的变化均与这些过程有 关。铜钨、铜，钼和铜一石墨等材料均采用粉末冶金的方法制备。其中铜石墨广泛用 做输电用的滑动触头和滑动电刷，这种材料的抗熔焊性能很好，受到电弧作用时， 材料损耗仅有一小部分是由于熔焊铜喷溅造成的，大部分是在蒸汽状态损耗掉了。 ( 3 ) 热处理法 在开发铜基导电合金的初期和实际生产中，普遍采用这种方法。固溶处理使合 金元素固溶于铜基体中，提高了材料的强度，但同时恶化了材料的电导性。在随后 的时效处理中，大部分合金元素以第二相形式从固溶体中沉淀析出，既提高了材料 的电导率又因为发生沉淀硬化而保持了材料的高强度。但这种制备方法所制得的铜 基体中仍有较多的合金元素以固溶方式存在，电导性的提高受到限制。 ( 4 ) 形变热处理法 在普通热处理法的基础上，但如果同时结合形变强化，即采用固溶处理后经冷 变形再时效的形变热处理法，能有效地提高材料的综合性能。r i g h t i u l 研究发现，变 形过程可使位错密度持续增加，合金的强化与位错密度的平方根成正比。董志力等 i t 2 1 研究了冷变形对c u z r 、c u z 卜s i 时效析出特性的影响，认为适当的冷变形促进 固溶原子z r 沿位错析出，使电导率在时效处理后得到较大的提高，并且析出物对位 错的钉扎作用减缓了回复及随后的再结晶过程。还有报道1 3 。5 】认为，预时效可使合 金导电率增加。此外，材料经大的冷变形，可能会出现变形织构，导致材料性能的 各向异性1 6 - 1 8 1 。 ( 5 ) 快速凝固法( r s 法) s a 9 i 快速凝固法使合金的凝固极大地偏离平衡状态，使铜合金的固溶度大大提高， 从而提高了时效处理后的基体中的第二相含量，使沉淀相进一步弥散，细化沉淀相， 组织更细小均匀，有利于在保持高导电率的前提下大大提高合金的强度。自7 0 年代 末开始，英美瑞士等国家开始利用这种方法制备高强度高导电铜合金及其复合材料。 7 0 年代末，美国麻省理工学院的s a r i n t l 9 , 2 0 1 等人用氮气雾化法制备c u z r 、c u z r c r 合金，冷却速率可达1 0 3 1 0 4 ks ，颗粒尺寸小于1 4 9i x m ，z r 和c r 在铜基合金中富 集，提高了锆和铬在铜合金中的固溶度。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 ( 6 ) 机械合金化法 机械合金化技术是由美国i n c o 公司在六十年代末期开发的技术。它利用高能 球磨的方法，通过磨球与磨球之间、磨球与球罐之间的碰撞，使粉末反复变形、冷 焊与断裂，在此过程中，各组元通过扩散达到合金化。机械合金化法开发铜基导电 合金是近年来发展起来的新方法之一，由于在球磨中引入了大量的位错、晶界等缺 陷、严重的应变以及纳米级的微结构，具有常规方法无法比拟的优点，利用这种方 法开发的合金的硬度比常规方法开发的合金高，电导性也优于常规方法开发的合金。 丹麦t i a i n e n l 2 1 1 用机械合金化法制备c u 一1 5 。】n b 复合材料，研究表明在保持材料的 高电导率的同时具有良好的高温力学性能且热稳定性好。这种方法主要用于开发高 导电合金，目前尚处于实验阶段，未进入实际生产中。 另外，随着复合材料技术的发展，自生复合材料得到了迅速发展，该材料以其 独特的优点在高强度高导电性铜合金材料的制备方面显示出巨大的应用潜力和良好 的发展前景，如c u f e 、c u t a 、c u n b 等。所谓自生复合材料，是指共晶合金、包 晶合金或偏晶合金等复相合金在定向凝固过程中，通过合理地控制工艺参数，使基 体相和增强相均匀相间、定向整齐排列的一类复合材料。在高强度高导电性铜合金 材料的制各方面，自生复合材料具有很多优点。均匀定向排列的的第二相纤维使第 二相的强化作用得到最大发挥，并且易于与连续铸造相结合，可大幅度降低铜合金 材料的生产成本，因此比较适于各种电线电缆铜材的制造1 5 , 7 】。 1 2 3 铜合金的强化机理 根据铜基合金的制备方法可以看出，采用下列方式可以提高其强度：固溶强化、 冷变形强化、沉淀强化、s p i n o d a l 分解强化以及复合强化等。 ( 1 ) 固溶强化。当金属晶体中溶入溶质原子形成固溶体，可使其滑移临界切应 力显著提高，从而提高材料的弹性极限和屈服强度，称为圃溶强化。固溶强化时塑 性还能保持在良好的水平上。强化的原因是合金元素溶入基体金属后，使基体金属 的位锚密度增大，同时晶格发生畸变，畸变所产生的应力场与位错周围的弹性应力 场交互作用，使合金元素的原子聚集到位错线附近，形成所谓的“气团”。位错要运 动就必须克服气团的钉扎作用，带着气团一起移动，或者从气团中挣脱出来，因而 需要更大的切应力。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 由于单独利用固溶强化效果不很显著，所以对已开发出的铜合金单独利用固溶 强化的例子较少( 如日本目立电线公司的0 1 s n o f c 合金c u 一0 0 1 s n ) ，该强化方式主 要用于要求铜合金具有高电导率，而对强度要求不高的场合，多数情况下是固溶强 化与时效强化一同使用。 ( 2 ) 冷变形强化。金属材料在再结晶温度以下冷变形后材料被强化。经冷变形 强化的原因有两种。一种原因是位错密度随变形量增大而增加，位错问的交互作用 加剧，位错相互缠结并形成位错胞，出现亚结构，从而提高滑移临界切应力，使合 金强化：另一种原因是加工过程中产生相变，由冷变形强化和相变强化综合作用所 致。 ( 3 ) 沉淀强化。在固溶度随温度降低而减小的合金系中，当合金元素含量超过 一定限度后，淬火可获得过饱和固溶体。在较低的温度加热( 即时效) ，过饱和固溶 体将发生分解，析出弥散相，并引起合金的强化，即沉淀强化。其强化机理是存在 的不同于基体成分的第二相。有的还与基体保持共格或半共格关系，造成点阵内应 变和共格应变，其应力场与可移动位错发生交互作用，阻碍位错移动，提高临界滑 移切应力，使合金得到强化。 ( 4 ) s p i n o d a l 分解强化。s p i n o d a l 分解的过饱和固溶体分解的一种形式，但与 沉淀析出过程不同，它不需形核，通过母相浓度的周期起伏以及浓度波幅的连续增 大而形成溶质浓度呈周期分布两相调幅组织陋j 。这两种不同的区域间保持共格， 所产生的周期变化的弹性应变场强烈地阻碍位错线的移动，而使合金强化。 实质上，以上几种强化手段都是通过合金化和各种工艺途径改变材料的组织结 构，从而提高其强度极限和其它机械性能指标的。了解了各种强化机理和手段，就 可以比较自由地研制新的电接触滑动铜基合金和充分发挥材料潜力。在实际应用中， 往往要综合二种或多种强化机制，以获得最佳的强化效果。在实验中所采用的强化 机制，就是冷变形强化、沉淀强化和弥散强化机制的结合。 另外，纤维复合强化是金属材料迄今为止最有效的强化方法之一。高强度的第 二相纤维成为载荷的主要承担者，基体金属仅起着连接纤维相、向纤维相传递受载 时的应力及在部分纤维断裂时承担局部载荷的作用。材料强度取决于纤维相的强度。 另一方面，当纤维相分布方向与电流方向一致时，纤维相对铜基体的导电特性影响 较小，从而有可能有效的解决高导电率与高强度的矛盾，形成一种综合具有高导电 性能高强度高耐磨性能的新型电车线铜材】。 浙江大学顿j 。学位论文第一章绪论 按强化途径可将当前主要使用的高性能铜基合金分为以下几类【2 3 2 5 l ：( 1 ) 经过 冷加工变形，再经低温退火后的形变强化型合金，如黄铜、磷青铜和德银( 白铜) 等。这类合金的低温退火处理亦称低温退火硬化处理，因为它不是内部组织的回复 达到合金的软化，而是在组织回复的同时伴随着硬化，从而提高合金的强度和硬度。 这种硬化效应已在工业中应用，但其硬化机理尚不十分明了，有待进一步探讨。有 人认为这是由于退火时溶质原子与晶体缺陷产生化学的相互作用。使缺陷周围的溶 质原子浓度增高所致。( 2 ) 经固溶处理、冷加工成型，再经时效处理的沉淀强化型 合金( 析出强化型合金) ，如铍青铜、钛青铜等。这类合金是依靠时效处理时析出第 - - 十f l 而达到硬化的。( 3 ) 调幅分解型合金( s p i n o d a l 分解强化型合金) ，如c u n i s n 系合金。s p i n o d a ! 分解型合金的强度指标接近铍青铜，且价格便宜、无公害问题， 是一类新近发展的合金。( 4 ) 微粒弥散强化型合金，指如c u f e p 、c u a 1 2 0 ，等合 金通过第二相粒子弥散分布于铜基体中，阻碍位错运动，从而提高了材料强度。这 类合金强度高、导电性和热稳定性好，是很有发展前途的一类合金。 回顾高强度高导电铜合金近4 0 年的发展，目前所开发的高强度高导电性铜合金 主要是c u - z r 、c u c r 、c u - c d 、c u - n i 、c u - f e 、c u a g 、c u n b 等系列合金以及高强 高导铜基复合材料 j 。根据本文的研究内容，下面就铜合金中的c u c r 、c u c r z r 合 金的合金化原理及应用现状作一介绍。 浙江人学硕j 一学位论文 第一章绪论 1 3c u c r 合金及c u c r z r 合金 1 3 1 合金化原理 如前所述，铜合金的导电率和强度往往成反比关系，一般说来导电率高则强度 非常低，强度高则导电率很难提高。高强度高导电铜合金要求具有高强度的同时具 有高导电率，合金元素的加入都不同程度地降低铜的导电率，因而开发和研制高强 高导铜合金的基本原理是：采用低固溶度的合金元素加入铜中，通过高温固溶处理， 合金元素在铜基体中形成过饱和固溶体，导电率恶化，强度提高。时效处理后，过 饱和固溶体分解，大量的合金元素以沉淀相析出与铜基体中，导电率迅速提高，同 时由于时效析出相的强化作用，因而仍保持较高强度口】。 按照合金化理论，合金化程度高，合金的强度就高，但电导率低：反之，电导 率升高，强度则降低。应在尽量少降低电导率的前提下。大力提高合金的强度和耐 热性。合金元素对铜的导电率的影响与