【摘要】：銅及銅合金是最早被人類發(fā)現(xiàn)并使用的金屬材料之一,是人們生產(chǎn)和生活中不可或缺的資源,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,新興產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,對(duì)銅合金性能和產(chǎn)量的需求也越來(lái)越高。高強(qiáng)導(dǎo)電銅合金是指強(qiáng)度遠(yuǎn)高于純銅,同時(shí)還具有優(yōu)良導(dǎo)電性能的高性能銅合金。隨著電子信息、軌道交通和國(guó)防軍工等領(lǐng)域的飛速發(fā)展,高強(qiáng)導(dǎo)電銅合金作為重要的功能材料而被越來(lái)越廣泛的使用,因此開發(fā)新型的高強(qiáng)導(dǎo)電銅合金材料具有重要的意義。高強(qiáng)導(dǎo)電銅合金的制備方法主要包括合金化法和復(fù)合材料法。即在銅基體中引入合金化元素或增強(qiáng)顆粒和纖維等,再通過(guò)控制合金凝固組織、變形和熱處理等一系列手段,在保持銅合金導(dǎo)電性的同時(shí),盡可能提高銅合金強(qiáng)度。本論文提出以鎂元素提高銅合金的力學(xué)性能、以碲元素提高銅合金的抗電弧沖擊能力的思想,設(shè)計(jì)出Cu-Mg-Te合金,并從稀土元素的微合金化角度出發(fā),進(jìn)一步改善Cu-Mg-Te合金的綜合性能。論文從添加主元素的作用機(jī)理、稀土元素的微合金化、合金凝固組織的電磁場(chǎng)和超聲場(chǎng)控制以及變形和熱處理等幾方面,分析各因素對(duì)Cu-Mg-Te合金組織和性能的影響。研究了鎂、碲元素在銅合金中的作用機(jī)理及鎂、碲元素含量對(duì)銅合金力學(xué)和導(dǎo)電性能的影響。鎂元素在合金中主要起固溶強(qiáng)化的作用,通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析,結(jié)果表明鎂元素含量在0.2～0.7%時(shí),鑄態(tài)Cu-Mg-Te合金具有良好的力學(xué)和導(dǎo)電性能。碲元素對(duì)合金導(dǎo)電性和力學(xué)性能的影響不明顯,但是利用碲元素與銅合金價(jià)電子結(jié)合能力強(qiáng),熔沸點(diǎn)低的特點(diǎn),可以提高合金的起弧電壓,增強(qiáng)合金抗電弧燒蝕的能力。碲元素含量過(guò)高,會(huì)影響合金后續(xù)的變形處理,因此合理的碲元素含量應(yīng)控制在0.1～0.4%之間。添加稀土釔、鈰和硼等微合金化元素,利用其化學(xué)性質(zhì)活潑,反應(yīng)自由能低的特點(diǎn),能夠與銅合金熔液中的氧等有害雜質(zhì)優(yōu)先反應(yīng),同時(shí)增加合金熔液的異質(zhì)形核,達(dá)到凈化合金基體和細(xì)化合金組織的目的,進(jìn)而改善Cu-Mg-Te合金的性能。當(dāng)添加釔元素不超過(guò)0.06%、硼元素不超過(guò)0.03%時(shí),合金的晶粒尺寸可以下降到150μm,合金的抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、導(dǎo)電率等指標(biāo)均有所提升。稀土鈰元素對(duì)Cu-Mg-Te合金組織細(xì)化的效果十分明顯。通過(guò)軋制變形和退火處理,進(jìn)一步提高合金性能。鑄態(tài)Cu-Mg-Te合金經(jīng)過(guò)變形量為70%的熱軋?zhí)幚砗?合金晶粒細(xì)化明顯,平均晶粒尺寸下降到90μm,抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率都顯著提升。再經(jīng)過(guò)冷軋變形處理后Cu-Mg-Te合金呈纖維狀組織結(jié)構(gòu),且隨著冷軋變形量的增大,合金的抗拉強(qiáng)度逐步提高,但伸長(zhǎng)率下降。當(dāng)冷軋變形量達(dá)到90%時(shí),Cu-0.52Mg-0.18Te-0.04Y合金的抗拉強(qiáng)度可達(dá)620MPa以上,導(dǎo)電率為55%IACS。退火處理會(huì)導(dǎo)致合金抗拉強(qiáng)度下降,但伸長(zhǎng)率和導(dǎo)電率明顯提高。通過(guò)合理控制退火處理的溫度和時(shí)間,使合金處于回復(fù)階段,能夠使合金具有良好的綜合性能。將Cu-0.52Mg-0.18Te-0.04Y合金經(jīng)過(guò)70%熱軋變形和90%冷軋變形后,在350℃退火1h,合金導(dǎo)電率接近60%,伸長(zhǎng)率恢復(fù)到8%,抗拉強(qiáng)度達(dá)到560MPa。電磁場(chǎng)能夠起到改善Cu-Mg-Te合金鑄錠表面質(zhì)量的效果。電磁連鑄獲得的Cu-Mg-Te合金內(nèi)部組織致密,氣孔、夾渣缺陷明顯減少。電磁場(chǎng)使合金的等軸晶區(qū)范圍擴(kuò)大且晶粒細(xì)化明顯,基本可以消除Cu-Mg-Te合金中Mg元素的偏聚,同時(shí)使Cu2Te相變得更加細(xì)小、均勻,并且降低合金中氧化物雜質(zhì)的含量。與普通連鑄錠相比,采用電磁連鑄獲得的Cu-Mg-Te合金的抗拉強(qiáng)度提高26.3%,伸長(zhǎng)率提高13%。將電磁連鑄錠直接進(jìn)行變形量為70%的冷軋?zhí)幚?合金抗拉強(qiáng)度達(dá)到480MPa,伸長(zhǎng)率為14%。在Cu-Mg-Te合金凝固過(guò)程中施加功率超聲振動(dòng),能夠顯著細(xì)化合金組織、改善元素分布。經(jīng)過(guò)功率為300W,時(shí)間為120s的超聲振動(dòng)處理后,合金晶粒尺寸由厘米級(jí)減小到100μm左右,Mg、Te元素分布更加彌散均勻,并且有效減少合金內(nèi)部的氧化夾渣、氣孔和裂紋等缺陷。超聲振動(dòng)處理的Cu-Mg-Te-Y合金抗拉強(qiáng)度從151.3MPa提高到197.4MPa,伸長(zhǎng)率由17%提高到24.7%。將經(jīng)過(guò)超聲處理后的Cu-0.38Mg-0.13Te-0.05Y合金直接進(jìn)行變形量為70%的冷軋?zhí)幚?合金抗拉強(qiáng)度達(dá)到465.8MPa,伸長(zhǎng)率為17%,導(dǎo)電率62.6%IACS。研究結(jié)果表明,通過(guò)電磁連鑄和功率超聲振動(dòng)處理工藝獲得的Cu-Mg-Te合金都可以直接進(jìn)行冷軋變形處理,其性能與普通連鑄后進(jìn)行熱軋和冷軋兩次軋制變形處理的Cu-Mg-Te合金基本一致。將電磁場(chǎng)和超聲場(chǎng)應(yīng)用到銅合金的實(shí)際生產(chǎn)中,可以簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝流程,控制產(chǎn)品成本。
【圖文】：

電阻增加［４５］。根據(jù)Ｍａｔｔｈｉｓｓｅｎ定律，固溶兀素對(duì)銅合金導(dǎo)電性的影響與其濃度呈正比。逡逑固溶元素的濃度越高，，電阻率越大。因此，要選擇強(qiáng)化效果好，且對(duì)合金導(dǎo)電性影響較逡逑小的元素作為固溶元素，圖１．２顯示了一些元素隨著含量變化對(duì)銅合金導(dǎo)電性能的影響。逡逑１００邐￣Ａｒ邐Ｚｎ邋Ｚｒ｜逡逑召邐ｐ逡逑ｇ邋２０邋－逡逑ｕ逡逑ｉ邐１邐Ｉ邐＞逡逑０邐０．２邐０．４邐０．６邐０．８邐１逡逑Ｃｏｎｔｅｎｔ邋ｏｆ邋ｅｌｅｍｅｎｔ／％逡逑圖１．２銅合金導(dǎo)電率隨固溶元素含量的變化趨勢(shì)逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｖａｒｉａｔｉｏｎ邋ｔｅｎｄｅｎｃｙ邋ｏｆ邋ｃｏｐｐｅｒ邋ａｌｌｏｙ邋ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ邋ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ逡逑ｗｉｔｈ邋ｔｈｅ邋ｃｏｎｔｅｎｔ邋ｏｆ邋ｓｏｌｕｔｅ邋ｅｌｅｍｅｎｔｓ逡逑變形會(huì)加劇銅合金晶格的畸變程度，產(chǎn)生空位和位錯(cuò)等晶體缺陷，并導(dǎo)致原子間距逡逑變大。因此銅合金經(jīng)過(guò)加工變形后導(dǎo)電率會(huì)有所降低；晶粒細(xì)化會(huì)使晶界面積增加，也逡逑會(huì)加劇電子傳輸過(guò)程中的散射，對(duì)銅合金導(dǎo)電率造成不良影響，但上述原因?qū)︺~合金導(dǎo)逡逑電性造成的影響遠(yuǎn)小于固溶元素對(duì)合金導(dǎo)電性的影響。逡逑對(duì)于時(shí)效強(qiáng)化銅合金和彌散強(qiáng)化型銅基復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，一般情況下，析出相和添加逡逑的增強(qiáng)相對(duì)銅合金導(dǎo)電率的影響與固溶元素對(duì)合金導(dǎo)電率的影響相比非常小，但是當(dāng)?shù)阱义隙嗟某叽缗c電子波的波長(zhǎng)處于相同數(shù)量級(jí)時(shí)（ｌｎｍ），就會(huì)對(duì)電子產(chǎn)生強(qiáng)烈的散射，逡逑導(dǎo)致合金的導(dǎo)電率出現(xiàn)明顯下降［４６］；此外，當(dāng)?shù)诙囝w粒的間距小于銅基體內(nèi)的電子平逡逑均自由程（４２ｎｍ）時(shí)

形或時(shí)效處理使合金產(chǎn)生析出強(qiáng)化相，進(jìn)一步改善銅合金綜固溶強(qiáng)化元素及成分范圍，制定相應(yīng)的形變與熱處理工藝參數(shù)合金非常重要。逡逑料法逡逑的導(dǎo)電理論，固溶元素進(jìn)入銅基體中導(dǎo)致晶格產(chǎn)生畸變，對(duì)，遠(yuǎn)超過(guò)第二相對(duì)合金導(dǎo)電性的影響。因此，通過(guò)向銅基體化成為高強(qiáng)導(dǎo)電銅合金的一種重要強(qiáng)化方式［５９］，該方法在提導(dǎo)電性不會(huì)產(chǎn)生明顯下降，而且能夠改善合金的高溫性能，的受到研宄人員的關(guān)注。按照強(qiáng)化相生成方式的不同，銅基人工復(fù)合材料法和自生復(fù)合材料法。逡逑工復(fù)合材料法逡逑材料法，即人為向銅基體中添加化學(xué)性能穩(wěn)定且強(qiáng)度高的第化物質(zhì)，從而使基體得到強(qiáng)化的方法。逡逑
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG146.11

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本文編號(hào)：2611867