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《大连理工大学》 2011年
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铜合金水平电磁连铸及行星轧制技术的研究

付亚波  
【摘要】:铜合金因具有高耐蚀、高强度、高导电等性能而被广泛应用。在铜基体中添加镍、铁和锰元素,制备具有良好耐腐蚀性能的BFe10-1-1合金,可运用于海水淡化和船舶等行业。在铜基体中添加微量铬和锆元素,形成具有高强度和高导电性能的Cu-Cr-Zr合金,可运用于高速铁路等行业。 传统BFe10-1-1管材的制备工艺复杂,成品率不足40%,市场竞争力较弱,需要开发一种短流程的制备工艺。时速超过350km高铁所需Cu-Cr-Zr接触导线也需要用短流程工艺制备,如京沪高铁要求的接触导线强度为600MPa以上、导电率80%IACS以上和单根盘重2500kg,传统Cu-Cr-Zr合金的真空熔铸及加工方式无法满足要求。因此,研究一种新技术制备这两种铜合金管线材,具有重要意义。 电磁搅拌技术作为细化晶粒、消除偏析的重要手段,可显著提高BFe10-1-1和Cu-Cr-Zr铸坯的质量。行星轧制技术能够实现超长铸坯的大变形,而且能依靠动态再结晶改善组织性能。本文通过水平连铸及行星轧制短流程工艺制备BFe10-1-1管材的研究,分析了旋转磁场和行星轧制对材料性能的影响,然后把该工艺运用于Cu-Cr-Zr接触导线的制备。 本文研究了旋转磁场对BFe10-1-1管坯的表面质量、组织和晶粒尺寸等性能的影响,结果表明:管坯表面的平均粗糙度Ra(μm)降低了65.87%;柱状晶组织消失,管坯上下端组织均匀,晶粒在横断面和纵断面的生长方向均被打散;管坯晶粒得以细化,平均晶粒尺寸为0.55mm;元素分布均匀。 BFe10-1-1管行星轧制变形的研究表明:再结晶细化晶粒的效果显著,管坯的抗拉强度为293MPa,硬度为99HB,断面收缩率为26%,具有良好的塑性变形性能;轧制后90%管坯的偏心率保持在2.8%—6.0%,优于挤压穿孔工序的偏心率,可有效防止拉伸过程的不均匀变形。拉伸变形通过了多次实验验证。短流程工艺制备BFe10-1-1管获得成功。通过研究BFe10-1-1管的塑性变形规律发现,塑性变形中同时存在固溶强化、形变强化和细晶强化三种机制,固溶强化、形变强化是引起强度增加、塑性降低的主要原因;而细晶强化在提高强度的同时也提高了塑性,只是对提高塑性的贡献率没有固溶强化和形变强化对降低塑性显著,三者叠加的结果使材料整体性能表现为强度提高、塑性降低。 针对时速超过350km高铁所需特殊性能接触导线,将短流程工艺运用于Cu-Cr-Zr接触导线的制备。研究了非真空条件的水平电磁连铸技术,发现施加旋转磁场使Cu-Cr-Zr棒坯的铸造温度降低了22℃,实现了低温铸造,是非真空条件熔铸棒坯的关键因素。通过现场多次实验,确定了非真空条件下水平电磁连铸技术制备φ87mm、长度45m的Cu-Cr-Zr棒坯工艺:铸造速度为108 mm/min,铸造温度为1255-1260°C,冷却水流量1.9 m3/h,旋转磁场参数为50 A、30Hz。棒坯表面无裂纹,凝固组织均匀,内部无气孔和夹渣,晶粒得以细化,元素分布均匀。 长度45m的Cu-Cr-Zr棒坯进行了行星轧制,轧制变形使棒坯完成了动态再结晶,平均晶粒尺寸为0.04mm,抗拉强度为244.04 MPa,伸长率为29.31%,导电率为75.10%IACS。轧制后棒坯的固溶工艺为860°C×1h。三道次冷加工变形后棒坯的时效工艺为385℃×2h。经过水平电磁连铸、行星轧制、固溶处理、冷加工和时效处理工艺,制备的成品导线的抗拉强度达到610 MPa、导电率85%IACS、单根盘重2500kg。强度不断提高是细晶强化、固溶强化、时效强化和形变强化共同作用的结果。在合作工厂制备了200吨高强高导Cu-Cr-Zr接触导线,于2010年10月3日在京沪高铁线上通过了高铁史上最高运营时速486.1公里的实验,新型高强高导接触导线的开发获得成功。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TG339

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