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《浙江大学》 2002年
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低溶质Cu-Cr-Zr合金的微结构与性能

齐卫笑  
【摘要】: 本文以高性能滑动电接触导线材料为应用背景,对一种时效硬化型的低溶质Cu-Cr-Zr合金的组织结构和性能进行了研究。论文主要探讨了热处理工艺特别是时效处理对Cu-Cr-Zr合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。 采用透射电子显微镜、能谱仪等微观分析手段对Cu-Cr-Zr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Cu-Cr-Zr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GP区转变为过渡相(Heusler相,CrCu2(Zr,Mg)),最后向平衡相(Cr与Cu_4Zr)转变的过程;在500℃时效2h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(CrCu_2(2r,Mg)),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,讨论了热处理工艺包括时效温度、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Cu-Cr-Zr合金的最佳热处理工艺。结果表明,合金在500℃时效2h后达到了其峰值硬度,导电率也达80IACS%以上;时效前的冷变形处理可以在很大程度上提高合金的硬度,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;合金经固溶处理后进行96%冷变形处理,再在500℃时效2h后,样品的抗拉强度为562.7MPa,硬度为159.3(HV),导电率为80.57IACS%,达到了强度和导电率的较佳搭配。 在MMW-1型销—盘式摩擦磨损试验机上进行了Cu-Cr-Zr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、合金磨损率的影响,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,摩擦系数随施加载荷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“双峰”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擦行为在合金的亚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工况条件,进行了Cu-Cr-Zr合金/黄铜摩擦副的电接触滑动磨损实验。探讨了电流条件对合金滑动磨损性能的影响,并对其在电流作用下的磨损行为和机理进行了分析;研究了合金在不同热处理状态下的电接触滑动磨损行为,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 浙江大学硕士学位论文 摘要 着电流的增大,Cu-Cr-Zr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Cu-CrZr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 500℃时效 2 h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 Cu-Ag合金导线(CTHA)比较,在相同的电接触滑动条件下,Cu-Cr-Zr 合金的耐磨损性能明显优于CU-吨合金。 综上所述,采用添加低溶质合金元素,通过合理的热处理工艺,使Cu-Cr.Zr合金的强度获 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以有效地提高合金的电接触滑动摩擦磨损性能,与CU-吨合金导线 的比较发现该Cu-CrZr合金具有更为优良的耐磨性。因此,该低溶质Cu-CrZr合金是一种同时 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。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2002
【分类号】:TG135

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