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非真空熔炼Cu-Cr-Zr合金的组织与性能研究

马健凯  
【摘要】:本文采用正交试验方法对Cu-Cr-Zr合金的成分进行设计,采用非真空熔炼和铜模成型的方法制备直径、长度相同,成分不同的Cu-Cr-Zr合金样品,使用万能试验机、电阻测量仪测量得到其力学性能、电阻值,采用室温拉伸、金相分析、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等,系统地研究了不同处理工艺对Cu-Cr-Zr合金力学性能、导电性能和微观组织的影响。铜模冷却使Cu-Cr-Zr合金中的铜晶粒得到明显细化,其大小约为30~40μm,但在微观组织中会出现一定数量的第二相,其当量直径小于5μm,有一些第二相是纳米级的沉淀析出粒子。Cu-Cr-Zr合金淬火后的微观组织相比淬火前发生了明显的变化,处于晶粒内部和晶界上的第二相通过固溶处理基本上被固溶于铜基体中,此时材料具有较高的抗拉强度;轧制处理使Cu-Cr-Zr合金微观组织中的晶粒形貌由等轴晶变为长条状,塑性变形使合金位错密度大大提高,晶界面积增多,合金的强度大幅度增加;退火处理减少了合金微观组织中的晶格畸变,但是该退火处理工艺控制只发生在回复过程,不进行再结晶过程,可使材料维持比较高的抗拉强度;经拉拔变形之后合金的强度可达到500MPa以上。Cu-Cr-Zr合金铸态电导率较低;合金淬火处理后,固溶于铜基体中的Cr、Zr原子引起了晶格畸变而增加对电子的散射作用,引起Cu-Cr-Zr合金的电导率下降;轧制处理后铜合金内部的铸造缺陷(缩孔、缩松、气孔)等被焊合,导电性增强;退火后,固溶于基体中的溶质原子沿晶界析出或者在晶内析出,晶格畸变减少,对电子的散射作用减弱,电阻率下降;合金中第二相数量增加,尺寸增大,与固溶态相比,弥散析出的第二相对电子散射作用较小,也会使电阻率下降,可使电导率达到80%IACS以上;虽然拉拔也产生晶格畸变,但是由于这种协同晶格畸变对电导率影响较小,有一些合金的电导率仍可以达到80%IACS以上。采用非真空熔炼的方法制备Cu-Cr-Zr合金,实验结果说明正交试验的方案设计合理,合金中Cr、Zr含量较低时,虽然合金的导电性较好,但强度偏低;反之,合金强度高但导电性较差。合金的含Cr量在0.5%~0.7%范围之内、含Zr量在0.6%~0.7%范围之内其强度可达到500MPa,电导率可达到80%IACS以上,符合铁道部《300~350Km/h电气化铁路接触网装备暂行技术条件(OCS-3)》中的抗拉强度值为360MPa~500MPa,电导率60%IACS~97%IACS的技术要求。通过扫描电镜和高分辨透射电镜的分析确定了合金中的化合物主要是Cu5Zr,显微组织中的第二相大部分呈球形颗粒状分布,其直径大约为20~30nm,有少量长约50nm,宽约10nm的板条状第二相。


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