铬、锆元素对纯铜组织和力学性能影响的研究

【摘要】： 铜及铜合金具有优异的导电、导热性,良好的强度,耐疲劳性能,杰出的耐腐蚀性,因而得到了广泛的应用。随着现代工业的发展,许多领域对铜及铜合金材料的综合性能提出了更高的要求。含Cr、Zr元素的铜合金既能提高纯铜的强度,又具有纯铜的高导电导热性,因而一直备受有关行业的青睐。 本文采用熔铸法利用含Cr、Zr的中间合金,工业纯铜和标准阴极铜,在大气环境下制备了Cu-Cr合金、Cu-Zr合金及Cu-Cr-Zr合金。首先采用高温箱式硅钼棒电阻炉研究了Cr(W_(Cr)=0%、0.3%、0.75%、1.2%)对工业纯铜的组织和力学性能的影响。然后使用普通中频感应电炉分别研究了Cr(W_(Cr)=0.3%、0.53%、0.76%、0.99%)、Zr(W_(Zr)=0.15%、0.25%、0.35%)及Cr、Zr复合加入(W_(Cr)=0.3%、0.53%、0.76%,W_(Zr)=0.15%、0.25%、0.35%)对标准阴极铜的组织和力学性能的影响。试验中所采用的热处理工艺为固溶时效处理。最后对所研究合金的铸态和热处理态试样进行了金相分析、力学性能测试,利用XRD、SEM、EPMA等方法深入分析了所得合金材料的相和组织,并从理论上分析和解释了Cr、Zr元素对纯铜的组织和性能的影响。本研究旨在为铸铜冷却壁、高炉风口和电动机集电环等铸件的材质选择及生产工艺提供重要的理论参考依据。研究结果表明: (1)在大气环境下使用高温电阻炉或普通中频感应电炉,利用含Cr、Zr的中间合金,采用适宜的熔炼工艺,可在Cu液中较为有效地加入Cr、Zr合金元素。 (2)Cr对工业纯铜的组织和性能有较大影响。铸态和热处理态合金的拉伸强度及硬度均随Cr的加入量的增加而升高。适量的Fe有益于铜合金的力学性能。 (3)本试验条件下,利用标准阴极铜所研制合金的铸态、热处理态的力学性能最大值分别为:Cu-Cr合金,σ_(b铸)=211.5MPa,HB_铸=85.8;σ_(b热)=274.6MPa,HB_热=116.9。Cu-Zr合金,HB_铸=70.3;HB_热=97.2。Cu-Cr-Zr合金,σ_(b铸)=279.5MPa,HB_铸=89.6;σ_(b热)=411.1MPa,HB_热=147.1。固溶时效处理可有效地提高铸态合金的力学性能。 (4)Cu-Cr-Zr合金的铸态及固溶时效态合金的拉伸试样断口均为韧性断裂断口,组织为韧窝组织。能谱分析显示断口处颗粒为铜锆化合物组织。 (5)利用标准阴极铜所研制合金试样的X射线衍射和电子探针分析结果表明,在铸态及固溶时效合金中主要相为α-Cu,Cr以单质形式或者Cr_2Zr存在,Zr以Cu_(51)Zr_(14)、Cu_5Zr及Cu_3Zr等形式存在,但对析出相的成分尚存在争论,对于合金时效过程与析出相之间的关系有待更深入研究。 (6)Cr、Zr元素对纯铜的强化主要表现为:Cr、Zr对铸态合金的强化、Cr、Zr的沉淀强化及Cr、Zr的复合强化。Cr、Zr的交互作用,也待深入研究。