（材料加工工程专业论文）高强高导电铜合金研究.pdf

上海交通大学博士学位论文 高强高导电铜合金研究 摘要 高强高导电铜合金广泛应用于微电子、交通、航天、航空、冶金 和机电制造等行业领域，本文以电气化铁路接触电网和超大规模集成 电路引线框架用材为研究对象，分别研究开发c u - f e p 和c u - n i s i 两种高强高导电铜合金新材料。 研究技术路线：采用c a l p h a d ( c a l c u l a t i o no fp h a s ed i a g r a m ) 技术，对所研究的合金系进行相平衡热力学计算，预测合金中各时效 温度下析出强化相的组成和质量分数，以此指导研制合金的化学成分 设计；通过对合金的成分和热处理工艺技术进行优化，获得优选的显 微组织，以提高合金的综合性能；采用对材料导电率影响小的时效强 化、加工硬化和细晶强化复合技术制备合金，通过添加物理化学性质 特殊的稀土和硼元素提高合金再结晶开始温度并细化晶粒来实现三 种强化手段的叠加。依据上述技术路线，设计和制备了实验合金材料， 使用t h e r m o - c a l c 软件对c u - f e p 和c u - n i s i 两个系列的合金进行 了相平衡热力学计算。采用光学显微镜、扫描电镜、电子探针和透射 电镜等结构分析手段和拉伸实验、显微硬度测量、电阻率测量等实验 测试手段，系统地研究了合金成分、稀土和硼微量元素、热处理工艺、 冷变形对试验合金的显微组织和力学与导电性能的影响规律及作用 机制，取得以下主要研究结果： 采用c a l p h a d 技术，在相关研究已有的实验数据基础上，对 c u f e - p 和c u n i - s i 合金体系的热力学参数进行了优化，计算了两 个体系合金的富铜区等温截面相图。计算结果表明，c u f e - p 和 c u - n i s i 系合金在3 0 0 - - 7 0 0 等温截面的富铜区均存在多个二相区 和三相区，合金的析出相种类及各相所占的比例分别主要取决于成分 中的f e p 、n i s i 比值和温度，因而通过调整合金的成分和时效温度 就可以控制合金中的析出相。本文的相平衡热力学计算结果为 c u - f e p 和c u - n i s i 系高强高导电铜合金的成分设计及时效工艺的 制定提供了重要的理论依据。 通过研究添加微量元素对试验合金的组织与性能的影响规律，发 现微量的c e 和b 元素可以显著地提高c u - f e _ p 和c u - n i s i 系合金的 再结晶开始温度，使合金的再结晶在时效达到强化峰值后发生，因而 合金可获得较佳的加工硬化和时效强化复合的效果，这不仅使合金的 强度峰值明显提高，而且使合金的强度峰值与导电率峰值正好对应于 相同的时效温度。c e 和b 影响试验合金回复与再结晶过程的机制为： b 和c e 原子在晶体缺陷及晶界处的偏聚，阻止c u 基体中的点缺陷的 迁移、位错的滑移与重排和再结晶界面的迁移，从而推迟合金的回复、 抑制再结晶核心的形成和晶体的长大。同时，添加微量的c e 和b 元 素还起显著的细化晶粒和净化材质的作用。所以，正是由于b 和c e 元素的这些作用，使得合金获得了优异的高强度与高导电率综合性 能。 研究了冷变形对试验合金组织和性能的影响规律，结果表明，增 加冷变形量可以大幅度地提高合金的强度，而对导电性影响不大。但 工i 上海交通大学博士学位论文 当变形率达到5 0 左右时，继续增加变形量合金强度的上升趋缓。 对时效析出与再结晶的交互作用进行了分析研究，理论分析结果 表明，如果时效析出先发生，则析出相的钉扎作用强烈抑制再结晶的 进行。而再结晶发生后，再结晶界面扫过的析出颗粒将快速粗化，这 与试验结果相吻合。因此，合金应避免高温长时间时效。 c u f e p 合金的显微组织分析结果表明，对于f e p 值较低的合 金，主要存在f e d 和f e 2 p 两种析出相。而f e p 值较高的合金，则存 在f e 3 p 、f e 2 p 和a f e 三种析出相。在高温时效时，f e 、p 元素含量 高的合金在析出f e 3 p 和f e 2 p 相的同时也会出现一部分a - f e 析出相， 这与热力学计算的结果基本吻合；f e p 比值较低的合金具有更高的 强度，但是，降低f e p 比值会增加基体中固溶的p 原子数量，对合 金的导电率不利。因此，应根据强度和导电综合性能要求合理地设计 合金的f e p 比值和f e 、p 元素的加入量。研究结果表明，当f e 、p 元素加入总量在0 2 8 叽左右，f e p 质量比为3 6 7 左右时，合金 成分位于f c c - a 1 + f e s p 二相区，而邻近f c c _ a i + q f e + f e 3 p 三相区， 有利于获得高强度和高导电综合性能。 对c u - n i s i 合金的显微组织分析结果表明，在合金成分的n i s i 质量比为4 2 左右的情况下，合金的时效析出相主要是正交晶格的6 - n i 。s i 相，同时，存在少量的y - n i 。s i ：相，这与热力学计算的结果一 致。6 - n i z s i 析出相有利于合金获得高的强度，而又同时保持较好的 导电性能。 由于实现了对合金成分优化和显微组织的控制，以及加工硬化、 时效强化与细晶强化的复合叠加，本文研制的 捕要 c u - 0 2 2 f e 一0 0 6 p - - o 0 2 b - o 0 5 c e 和c u 一3 2 n i - o 7 5 s i 一0 0 2 b - o 0 5 c e ( w t ) 合金，拉伸强度分别达到5 2 5 和7 5 5 m p a ，延伸率分别达到 1 6 和1 3 ，导电率分别达到8 2 和4 3 i a c s 。两种合金的强度与导 电综合性能优异，实用价值较高，具有良好的应用前景。 关键词：高强度，高导电，铜合金，c u - f e p ，c u - n i s i 上海交通大学博士学位论文 s t u d yo nh i g h s t r e n g t ha n dh i g h c o n d u c t i t yc o p p e ra l l o y s h i 曲一s t r e n g t ha n dh i g h - c o n d u c t i v i t yc o p p e ra l l o y sa w i d e l yu s e d i nm i c r o e l e c t r o n i c ，t r a n s p o r t a t i o n ，a s t r o n a v i g a t i o n , a v i a t i o n , m e t a l l u r g y a n dm e c h a n i c a l - e l e c t r o n i ci n d u s t r i e s t h i sp a p e rh a sd e v e l o p e dt w on e w l l i g h - s 打e n g 1a n dh i g h o c o n d u c t i v i t yc o p p e ra l l o y s ，c u - f e - pa n dc u - n i s i ， f o c u s i n g o nt h ee l e c t r i f i e dr a i l w a yc o n t a _ c te l e c t r i cn e t w o r ka n dl e e d f x a m e so f s u p e r - l a r g e - s c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i tm a t e r i a l sr e s p e c t i v e l y t h et e c h n i c a lr o l i t i n eo ft h i sr e s e a r c hi sa sf o l l o w s ：t oc a l c u l a t et h e p h a s ee q u i l i b r i u mt h e r m o d y n a m i c so fa l l o y st ob es t u d i e da n dp r e d i c tt h e p r e c i p i t a t e sa n dt h e i rm a s sf r a c t i o n sa td i f f e r e n ta g i i l gt e m p e r a t u r e sb y c a l p h a d ( c a l c u l a t i o n o fp h a s ed i a g r a m ) t e c h n i q u e ，t h e nt og u i d et h e d e s i g nf o rt h ec o m p o s i t i o no fe x p e r i m e n t a la l l o y sb yc a l p h a dr e s u l t s ； t oa c h i e v em i c r o s t m c t u r ea n dg o o d p r o p e r t i e sb yo p t i m i z i n g t h e c o m p o s i t i o no fa l l o y sa n dt h eh e a t - t r e a t m e n tp r o c e s s ；t op r e p a r ea l l o y s b yc o m b i n i n ga g i n gs t r e n g t h e n i n g , c o l dw o r k i n gh a r d e n i n g a n d f i n e - c r y s t a ls t r e n g t h e n i n g ，w i t hal i t t l ei n f l u e n c eo nt h ec o n d u c t i v i t yo f a l l o y s ；t oa c h i e v ec o m b i n a t i o no ft h et h r e es t r e n g t h e n i n gt e c h n i q u eb y a d d i n gl a t e e a r t ha n db o r o ne l e m e n t sw h i c hp o s s e s ss p e c i a lp h y s i c a l a n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c st o r a i s et h er e c r y s t a l l i z a t i o na a r t m g t e m p e r a t u r eo fa l l o y sa n dr e f i n e 粤_ a i n s a c c o r d i n gt oa b o v et e c h n i c a lr o u t i n e ，e x p e r i m e n t a la l l o y sw e r e d e s i g n e d a n dp r e p a r e d t h ep h a s e e q u i l i b r i u mt h e r m o d y n a m i c s o f c u - f e - pa n dc u - n i - s ia l l o ys y s t e m sw e r ec a l c u l a t e db yt h e r m o - c a l c s o l ! t 、】v a r e t h es y s t e m a t i ci n v e s t i g a t i o no ne f f e c to ft h ec o m p o s i t i o n , r a r e e a r t ha n db o r o na d d i t i o n ，h e a tt r e a t m e n ta n dc o l dw o r k i n go nt h e v a b s t r a c t m i c r o s t r u c t u r e s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dc o n d u c t i v i t yo fe x p e r i m e n t a l a l l o y sw e r ec o n d u c t e db y m e 4 1 n so fo m , s e m ，e p m a ，t e m ，t e n s i l et e s t , v i c k e r sh a r d n e s sa n dr e s i s t i v i t ym e a s u r e m e n t s t h em a i nr e s u l t so ft h e r e s e a r c ha l el i s t e db e l o w ： b a s e do nt h er e l a t e d e x p e r i m e n t a ld a t a , t h et h e r m o d y n a m i c p a r a m e t e r sw e l eo p t i m i z e da n dt h ei s o t h e r m a ls e c t i o n so fc u - f e - pa n d c u - n i s ip h a s ed i a g r a m sw e r ec a l c u l a t e db yc a l p h a dt e c h n i q u e r e s u l t ss h o wt h a tt h e r ea r es e v e r a lb i n a r ya n dt e r n a r yp h a s e se x i s t i n gi n t h ec u - r i c hs e c t o r so f b o t hd i a g r a m sa t3 0 0 7 0 0 0 c t h et y p ea n df r a c t i o n o fp r e c i p i t a t e s m a i n l yd e p e n d 0 1 1t h er a t i o so ff e p , n i s ia n d t e m p e r a t u r e s t h e r e f o r e ，t h ep r e f e r a b l ep r e c i p i t a t e sc a nb eo b t a i n e db y a d j u s t i n gt h ea l l o yc o m p o s i t i o na n da g i n gt e m p e r a t u r e t h ec a l c u l a t e d r e s u l t so fp h a s ee q u i l i b r i u mt h e r m o d y n a m i c sw i l lp r o v i d et h ei m p o r t a n t t h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e s i g no fc o m p o s i t i o na n da s m gp r o c e s s eo f h i g h - s t r e n g t ha n dh i g h - c o n d u c t i v i t yc o p p e ra l l o y s i tw a sf o u n dt h a tt h er e c r y s t a l l i z a t i o ns t a r t i n gt e m p e r a t u r eo f c u f e - p a n dc u - n i s ia l l o y sw a sg r e a t l yr a i s e db ya d d i n gt r a c ec ea n db ，w h i c h r e s u l t e di nt h a tt h er e c r y s t a l l i z a t i o no fa l l o y sd i dn o th a p p e nu n t i lt h e a g i n gs t r e n g t h e n i n gp e a kw a sr e a c h e d t h u s ，t h eg o o ds t r e n g t h e n i n g e f f e c tc o n t r i b u t e db yb o t hp r e c i p i t a t i o na n dc o l dw o r k i n gw b so b t a i n e d ， a n dn o to n l yt h ep e a ks t r e n g t hw a so b v i o u s l yi n c r e a s e db u ta l s ot h e s t r e n g t hp e a ka n dc o n d u c t i v i t yp e a ka p p e a r e d a tas a m e a g m g t e m p e r a t u r e t h em e c h a n i s mo fc ea n dba d d i t i o na f f e c t i n gt h er e c o v e r y a n dr e c r y s t a u i z a t i o no fe x p e r i m e n t a la l l o y si st h a tba n dc ea t o m sh a v e t h et e n d e n c yt oe x i s ta t c r y s t a l d e f e c t sa n dg r a i nb o u n d a r y , w h i c h p r e v e n t st h es p o td e f e c t sf r o mm i g r a t i o n ，t h ed i s l o c a t i o n sf r o mo i d ea n d r e a r r a n g e m e n t , t h er e c r y s t a l l i z e di n t e r f a c e sf r o mm i g r a t i o ni nc um a u l , a n dt h u s d e l a y s t h er e c o v e r ya n di n h i b i t st h en u c l e a t i o no f r e c r y s t a l l i z a t i o na n dt h eg r a i ng r o w t h m e a n w h i l e , t h eg r a i n sw e r er e f i n e d a n da l l o yw a sp u r i f y e do b v i o u s l y t h ew d t c ea d d i t i o no fc ea n dbm a k e s 上海交通大学博士学位论文 t h ea l l o y sa c h i e v ea ne x c e l e n tc o m b i n a t i o no fh i g hs t r e n g t ha n dh i g l l c o n d u c t i v i t y t h ee f f e c to fc o l dw o r k i n go nt h es t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e so ft h e e x p e r i m e n t a la l l o y s w s ss t u d i e d t h er e s u l t s s u g g e s t e dt h a t t h e d e f o r m a t i o nc o u l dg r e a t l ye n h a n c et h es t r e n g t ho fa l l o y s ，w h i l eo n l y e x e r t e dl i t t l ei n f l u e n c eo nt h ec o n d u c t i v i t y b u tt h ei n c r e a s i n gt e n d e n c yo f s t r e n g t hw o u l d f a l ld o w nw h e nt h ed e f o r m a t i o nw a so v e r5 0 t h ei n t e r a c t i o no f t h e p r e e i p i t a t i o na n dr e e r y s t a l l i z a t i o nw a sa n a l y z e d t h et h e o r e t i c a l l y a n a l y s e d r e s u l t ss h o w e dt h a ti ft h e p r e c i p i t a t i o n h a p p e n e dp r i o rt ot h er e e r y s t a l l i z a t i o n , t h ep r e c i p i t a t e sw o u l ds t r o n g l y i n h i b i tt h ep r o c e s so f r e c r y s t a l l i z a t i o n w h e nt h er e e r y s t a l l i z a t i o ns t a r t e d , t h ep r e c i p i t a m ss w e p tb yt h ei n t e r f a c eo fr e c r y s t a l l i z e d 掣面n sw o u l d c o a r s e nq u i c k l y , w h i c hw a sc o i n c i d e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s o , i tw a ss u g g e s t e dt h a tt h ea l l o y ss h o u l db ea v o i db e i n ga g e da te l e v a t e d t e m p e r a t u r e aa n dl a s t i n gal o n gt i m e t h em i c r o s t r u c t u r e so fc u - f e - pa l l o y sw e r e a n a l y z e d ，a n dt h er e s u l t s s h o w e dt h a tf o rt h ea l l o y sw i t hl o w e rf e pr a t i o ，t h e r ew e r em a i n l yf e 3 1 a n df e 2 pp r e e i p i t a t e s ，a n df o rt h ea u o yw i t hh i g h e rf e pr a t i o ，t h e r ew e r e t h r e e p r e c i p r a t e s ，f e 3 只f e 2 p a n da - f e w h e n a g e d a te l e v a t e d t e m p e r a t u r e s ，t h ea l l o y sw i t hl a r g e ra m o u n to ff ea n dp w o u l dp r e s e n ta c e r t a i np o r t i o no fo - f ep r e c i l ；i i t a t e sb e s i d e sf e 3 1 , a n df e 2 et h e a n a l y z e d r e s u l t sa p p r o x i m a t e l ya g r e e dw i t ht h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o nr e s u l t s t h e a l l o y sw i t hl o w e rf e p r a t i os h o w e dh i g h e rs t r e n g t h h o w e v e r , d e c r e a s i n g t h ef e pr a t i ow o u l dr e s u l ti na ni n c r e a s eo fps o l i d - s o l u t i o n e di nt h e m a u i x , w h i c hw a sh a r m f u lt oc o n d u c t i v i t y t h e r e f o r e ，t h ef e p r a t i oa n d t h ea m o u n to fa d d e df ea n dps h o u l db ea p p r o p r i a t e l yc h o s e na c c o r d i n g t ot h er e q u i r e ds t r e n g t ha n dc o n d u c t i v i t yf o r t h ea l l o y s t h er e s u l t si nt h i s r e s e a r c hs h o w e dt h a tw h e nt h ea d d i t i o no ff ea n dpw a sr o u g h l ya t 0 2 8 w t a n dt h ef e p r a t i ow a sa b o u t3 6 7 。t h ea l l o yc o m p o s i t i o n w o u l dl o c a t ei nt h et w o - p h a s er e g i o no ff c c - a 1 + f e 3 pa n dc l o s et ot h e a b s t r a c - x t e r n a r yr e g i o no ff c c - a i + a - f e + f e 3 p , w h i c h w a sh e l p f u lf o ra e q u h s n g ac o m b i n a t i o no f h i g h - s t r e n g t ha n dh i g h - c o n d u c t i v i t y t h em i c r o s 仃u c t u r e so fc u - n i - s ia l l o y sw e r ea n a l y z e d ，a n dt h er e s u l t s s h o w e dt h a tw h e nt h en i s ir a t i ow a sa b o u t4 2 ，t h e r ew e l em a i n l y 8 - n i 2 s ip r i c i p i t a t e sa n daf e w1 - n i s s i 2p r i c i p i m t e ，w h i c ha g r e e dw i t h t h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o nr e s u l t s t h e8 - n i 2 s ip r e c i p i t a t e sw e r eh e i r i f i l l f o r a l l o y ss t r e n g t ha n dc o n d u c t i v i t y b a s e do nt h eo p t i m i z a t i o no fa l l o yc o m p o s i t i o na n dm i c r o s t r u c t u r e a n dt h ec o m b i n e ds t r e n g t h e n i n go fc o l dw o r k i n g ，a g i n ga n d 鼬 r e f i n e m e n t , t h ec u - o 2 2 f e 0 0 6 p 一0 0 2 b 一0 0 5 c c ( w e 0 ) a n dc u - 3 2 口q i - o 7 5 s i - 0 0 2 b 一0 o s c e ( w e 0 ) a l l o y sh a v eb e e nd e v e l o p e di nt h i sr e s e a r c h , w h i c he x h i b i te x c e l l e n tp r o p e r t i e s ：t h et e n s i l es t r e n g t h ( o b ) 5 2 5 m p aa n d 7 5 5 m p a , e l o n g a t i o n1 6 a n d1 3 ，a n dt h ec o n d u c t i v i t y8 2 i a c sa n d 4 3 i a c s ，r e s p e c t i v e l y , m a k i n gt h e t w o a l l o y s b eo fp r o m i s i n g a p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s ：h i g hs t r e n g t h ，h i g hc o n d u c t i v i t y , c o p p e ra l l o y s ，c u - f e - p , c u - n i - s i 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个入和集体，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结果由本人承担。 学位论文作者签名： 仕l 气晋 日期：d 。，降6 月a 1 日 上海交通大学 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。本人授权上海交通大学可以将本学 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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密匠扎 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 他一千 日期：a 呷年6 月a j 日 特荔：膣 斑嶝f 互 日期：们年6 月f 日 上海交通大学博士学位论文 1 。1 引言 第一章绪论 高强高导电铜合金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，是为了满足微电子、通讯、交通、航天、航空等高技术领域发展 需求而开发的一类新型结构功能材料，在制造集成电路引线框架、电气机车接触 线、电阻焊电极、连铸结晶器、大型高速涡轮发电机的转子导线、电触点材料、 电厂锅炉内喷射式点火喷孔、气割机喷嘴等方面得到广泛的应用“】。 国外发达国家自上世纪7 0 年代开始，对高强高导电铜合金进行了大量的研 究和开发工作，针对不同的用途开发了多个系列产品，并已商业化生产，其中美 国、日本、德国等是主要的生产和出口国。我国在高强高导电铜材料领域的研究 起步较晚，许多研究工作仍处于试验阶段，大多数未形成产业化规模，使得我国 高性能铜材料大部分依赖于进口。而我国是铜资源大国，拥有众多的铜加工企业， 因此，对高性能铜材料进行研究开发，逐步建立拥有自主知识产权的材科体系， 具有重要的战略意义和现实意义 1 2 高强高导电铜合金的主要应用领域 1 2 1 引线框架材料 引线框架是半导体元器件和集成电路封装中的关键部件，起到支撑芯片、 实现芯片与外界电连通和工作时散热的作用。为保证集成电路的可靠性和耐久性， 对框架材料有一系列的性能要求嘲，共计5 0 多项指标。主要要求有较高的拉伸 强度、良好的导电导热性和延展性、膨胀系数与硅和塑料接近等。在这些特性中， 强度、导电和导热性则是最重要的。 上世纪6 0 年代初世界上第一块集成电路问世。最早的引线框架材料是可伐 合金( f e n i c o ) 进入7 0 年代后，由于c o 的价格暴涨因而开发了“4 2 ”合金 ( f e - - n i 4 2 ) ，但是这种合金的成本仍然较高1 9 7 0 年美国奥林公司首先研制 生产c 1 9 4 铜合金替代铁镍合金作引线框架材料，由于铜合金引线框架材料具有 第一章绪论 优良的传导性、良好的强度和硬度以及优异的加工性，并兼有良好的电镀钎焊性、 耐应力腐蚀开裂性、与树脂封装的密着性、成本低等特点，显示出良好的发展前 景，因此，很快就掀起了铜合金引线框架材料研制和生产热潮。目前，全世界开 发出来的铜引线框架材料达7 0 余种，锅合金框架材料已占集成电路引线框架的 8 0 以上，主要有c u f e p 、c u - c r z r 、c u - n i - s i 、c u _ c r _ s n 、c u - n i s n 等系列， 其中典型的高强高导电铜引线框架材料及性能列于表1 1 中”1 t a b l e1 - l1 埘c a jm g h 咖g i t ia n dt i i 班稍n d u 甜哪c o p p e ra l l o y s f o rl e a df r a ma n dt h e i rp r o p 硎e s 表卜1 典型的高强高导电铜引线框架材料及桂能 随着集成电路向高密度化、小型化、多功能化发展，所用引线框架的厚度由 0 2 5 r a m 经历0 1 5 r a m 、0 1 2 5 m 田，现己降低到0 0 8 m m ，相应对引线框架材料的强 度和导电、导热等性能提出更高的要求，迫切需要开发高性能的新材科。目前， 铜合金引线框架的主要生产国为日本、美国、德国、法国和英国，而以日本发展 最快，近些年韩国和台湾也大有后来居上之势。国内清华大学、西安交通大学、 中南大学、洛阳工学院、江苏冶金研究所、长沙矿冶研究院、洛阳铜加工厂等高 校、科研机构和企业在此领域开展了研究工作旷埘。取得了丰富的成果。但目前 的研究和试制尚不能满足我国电子工业对引线框架，尤其是高强高导电铜引线框 架材料的需求，至今我国的引线框架铜带仍主要依赖进口 2 上海交通大学博士学位论文 1 2 2 接触线材料 接触线是电气化铁路、城市交通电车、工矿电机车等用滑接馈电线，其作 用是通过与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，不仅要 传输电流，还要承受悬挂张力、附加力、运行中豹冲击力和机车受电弓滑板的磨 耗，因此，要求接触线材料具有优良的导电性、较高的拉伸强度、良好的耐磨性 和耐大气腐蚀性等性能。对于一般的电气化铁路，国内外广泛使用纯铜和铜合金 接触线。随着电气铁路运行向重载、准高速和高速发展，要求加大接触线的载流 量和悬挂张力，提高接触线的稳定性、波动传播速度，改善机车受流质量，因此 要求接触线在具有良好导电性的同时，还应具有高的力学强度，尤其是在受热后 不软化“1 町。国外高速铁路多采用银铜、锡铜、镁铜、镉铜、铬锆铜等高强高导 电铜合金接触线，而我国的高速铁路用接触线尚是空白，需从国外进口。国外高 速铁路常用的铜合金接触线材料及性能列于表1 - - 2 中 t a b l e1 - 2t h ec o p p e ra l l o y sf o rh i g h - s p c e dr a i l w a yc o n t a c tw i r ea n dt h e i rp 唧枷d e $ 表1 2 国外高速铁路常用的铜合金接触线材料及性能 1 2 3 电阻焊电极材科 电阻焊是将上、下两个电极压靠在被焊两块金属板的两侧，短时间内通过 强大的电流在两块板之间产生很高的接触电阻热，使两块金属板进行高温焊合， 在汽车、家电、机械制造等焊接生产中占有相当重要的地位随着现代工业生产 中自动焊机、机械手的大量运用，焊接在高速、高节拍下完成，使电阻焊电极在 高温、高压下频繁的与工件接触，要求电极材料具有高的强度、高的软化点和高 的导电性能。常用的铬锆铜电极材料，由于软化温度较低，大约在5 0 0 c 左右， 因此损坏严重使焊接成本提高，焊接质量下降，同时，经常更换电极会严重影 3 第一章绪论 响生产效率因而，焊接设备企业及用户均希望有性能更好的新电极材料问世 美国s c m 公司在1 9 7 3 年开始推出了氧化弥散强化铜( o x i d ed i s p e r s i o n s t r e n g t h e n e dc o p p e r 简称0 d s c ) ，由于采用了全新的制造工艺，综合性能得到 了较大的提高在国外已得到广泛应用，特别是在生产线、机械手等焊接设备中， 体现出较大的优势。国内上海交通大学、北京科技大学、哈尔滨工业大学、西安 理工大学、中南大学、昆明冶金研究院等高校、科研机构陆续开展了弥敌强化铜 的研制工作“”，并开发了几种产品。国内外典型的电阻焊电极材料列于表1 3 中 t a b l ei - 3 聊i c a lc o p p e ra l l o y sf o re l e c t r o d ea n dt h e i rp r o p 柏 表l 一3 典型的电阻焊铜电极材料和性能 1 3 高强高导电铜合金的强化方法 1 3 1 加工硬化 加工硬化是常见的铜合金强化手段之一，它是通过对铜合金进行冷塑性变形 从而提高其强度、硬度的方法。由于冷加工会产生各种晶体缺陷，如位错、空位 等，铜合金的导电率会有所下降，但由于变形引起的导电率下降与杂质分布无关 因而，导电率下降不会太大，而且在回复或再结晶过程中可以部分或全部地恢复 随着铜冷加工变形量的加大，其力学强度会相应提高，但再结晶开始温度也相应 降低，使合金的软化温度较低，此外，材料加工硬化的同时，塑性和韧性显著降 低，因此，仅通过加工硬化来提高铜材强度有相当的局限性，但加工硬化与其它 材料强化方法相结合却是研究铜基高强高导电材料行之有效的方法 上海交通大学博士学位论文 1 3 2 固溶强化 固溶强化是通过合金元素溶入锅基体产生品格畸变，从而阻碍位错运动来提 高合金强度的强化手段。但形成固溶体时，合金导电性能会降低。即使是在导电 性好的金属溶剂中溶入导电性很高的溶质金属时，也是如此。这是因为在溶剂晶 格中溶入溶质原子时，溶剂晶格的扭曲畸变破坏了晶格势场的周期性，从而增加 了电子散射几率，电阻率增高。微量合金元素对铜电阻率的影响程度示于图l 一 1 町。从图卜l 可见，仅有少数元素如c d 、z n 、a g 、n i 、p b 、s n 等微量加入铜中 对铜电阻率的影响不大，可利用其提高基体强度。由于受材料导电率的限制，合 金元素的加入量一般较低，这就会影响固溶强化的效果，单独采用固溶强化制备 的合金强度提高有限，因而，通常与其它强化方法配合使用。 f 嘻1 1e f f e c to f t r a c ee l e m e n l so nr e s i s t i v i t yo f c o p p e r t 伽 图1 一l 微量合全元素对铜电阻率的影响伽 1 3 3 细晶强化 细晶强化是指金属中因晶界增多而引起的强化现象。细化晶粒的显著特点就 是在提高强度的同时还能提高金属塑性和韧性。细晶强化一般是通过快速凝固、 添加合金元素和优化热处理工艺等手段来实现。由于晶粒细化仅使晶体界面增 多，引起的晶格畸变较小，因而对材料导电率的影响不大“”。所以，可作为高强 高导电铜合金的辅助强化手段 5 莒a，o_【一hp卅争_fpdf口西 第一章绪论 1 3 4 第二相强化 第二相强化是指在基体中存在的第二相使合金得到强化的一种方法。导电理 论指出，第二相与固溶在铜基体中的原子引起的点阵畸变相比，前者对电子的散 射作用比后者要小得多，因而第二相强化成为高强高导电铜合金中应用最广的强 化方法。第二相强化的机理与第二相的大小、形态、数量及其在基体上的分布方 式有关。 1 3 4 1 时效强化 时效强化是在铜基体中加入有较大固溶度变化，且在铜中室温固溶度微小或 几乎不固溶的合金元素，如f e 、c r 、z r 、t i 、b e 、n b 等；或加入能形成的相在 铜基体中固溶度变化大的元素，如f e p 、n i s i 、f e