高强高导CuSn合金的制造及其性研究.docx
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高强高导CuSn合金的制造及其性研究
高强高导Cu-Sn合金的制造及其性研究
任务书
1.课题意义及目标
学生应通过本次毕业设计,了解高强高导铜合金研究的背景,目的及意义,
了解高强高导铜合金熔炼的过程及工艺,了解金属材料组织和力学性能的检测方法,为学生在毕业后从事材料成型技术工作打好基础。
2.主要任务
(1)查阅10篇以上的科技文献。
(2)掌握高强高导Cu-Sn合金的成分特点、制造工艺。
(3)高强高导Cu-Sn合金的导电性、力学性能研究
(4)获得高强高导Cu-Sn合金的具体成分、制造工艺参数及导电性、力学性能
指标。
(5)完成毕业设计的说明书、外文资料等。
3.主要参考资料
[1]王笑天.金属材料学[M].北京:
机械工业出版社,1987,267-274
[2]王深强等.高强高导铜合金的研究现状与展望[J].材料工程,1995(7),3
[3]王晓娟,蔡薇,柳瑞清等.铜合金引线框架材料现状与发展[J].江西有色金属,2004,18
(1);31-34
4.进度安排
设计(论文)各阶段名称
起止日期
1
查阅科技文献,完成开题答辩
12月1日~12月31日
2
高强高导Cu-Sn合金的制造工艺研究
1月1日~3月10日
3
工艺研究,完成中期检查
3月11日~4月30日
4
高强高导Cu-Sn合金的性能研究高强
5月1日~5月15日
5
整理资料,撰写论文,准备答辩
5月16日~6月10日
审核人:
年月日
高强高导Cu-Sn合金的制造及其性能研究
摘要:
铜和铜合金具有良好的导电性、热导率和优良的耐腐蚀性能,广泛应用于电力、电子、机械制造和其他重要部门。
随着我国电气化铁路的迅速发展,列车的运行速度越来越快,这就要求在加大接触线悬挂张力的同时还要提高其载流能力和运行中的稳定性,以改善机车受流质量。
如何使接触线材料铜合金具备高强度、良好的导电性能是目前研究重点。
本文通过对高强高导CuSn合金和CuSnFe合金的制备,并且对铸态、正火态CuSn合金棒材的性能研究和比较,得出结论,在CuSn合金中随着含锡量的增加,其合金的摩擦系数有所提高,在铸态和正火后的CuSnFe合金,随着含铁量的增加,摩擦系数出现相反的变化趋势。
仅仅依靠在Cu合金单一的添加元素和析出相来强化铜合金材料,所起到的作用显然是有限的,因此在CuSn合金中加入Fe元素之后在经过正火不仅能提其导电性能,而且还能增加合金的机械加工以及其他需要高强度高导电的行业中。
关键词:
铜合金、高强、高导、接触线、电导率
WithhighstrengthandhighconductivityofCu-Snalloymanufactureanditsperformancestudy
Abstract:
Copperandcopperalloywithgoodelectricalconductivity,thermalconductivityandexcellentcorrosionresistance,widelyusedinelectricity,electronics,machinerymanufacturing,andotherimportantindustrialsector.ThroughtothepreparationofthealloywithhighstrengthandhighconductivityCuSnalloysandCuSnFeandas-cast,normalizingCuSnalloysbarperformanceresearchandcompareboth.Withtherapiddevelopmentofelectrifiedrailwayinourcountry,thespeedoftrainrunningfasterandfaster,whichrequiresthecontactwiresuspensionwithtensionandimprovethestabilityofthecurrent-carryingcapacityandoperation,toimprovethequalityoflocomotivebyflow.Howtomakethelineofcontactmaterialsofcopperalloywithhighstrength,goodelectricalconductivityistheresearchfocus.
ThispaperthroughhighstrengthandhighconductivityCuSnalloysandCuSnFealloypreparation,Andfortheas-caststate,as-normalizedconditionCuSnalloysbarperformancestudyandthecomparison,concludedthatwiththeincreaseofsncontentintheCuSnalloysanditsalloyfrictioncoefficientincreased,Afteras-castandas-normalizedconditionCuSnFealloy,withtheincreaseofironcontent,thecoefficientoffrictionintheoppositechangetendency.
JustrelyontheCualloysingleaddelementsandprecipitatedphasetostrengthencopperalloymaterials,playaroleisclearlylimited,soafteraddingFeelementCuSnalloysafteras-normalizedconditioncannotonlyimprovetheelectricalconductivity,butalsocanincreasethehardalloymachineryprocessingandotherindustriesofneedhighstrengthandhighconductivity.
Keywords:
Copperalloy、highstrength、highconductivity、contactwire、conductivity
1前言..........................................................1
2高强高导CuSn合金和CuSnFe合金的制备..........................4
2.1高强高导CuSn合金CuSnFe合金的制备过程........................4
2.2配料..........................................................5
2.3酸洗与烘干....................................................5
2.4高频熔炼......................................................5
2.5去气处理......................................................5
2.6红外线测温或热电偶测温........................................5
2.7真空感应熔炼..................................................5
2.8浇注..........................................................6
3铸态CuSnFe合金棒材的性能研究.................................7
3.1铸态CuSnFe合金微观组织观察...................................7
3.1.1使用的设备、仪器、工作原理、实验条件..........................7
3.1.2实验金相图片..................................................8
3.2铸态CuSnFe合金摩擦、磨损性能.................................9
3.2.1使用的设备、仪器、工作原理、实验条件..........................9
3.2.2工作原理......................................................9
3.2.3实验条件......................................................9
3.2.4实验结果......................................................10
3.2.5不同材料的摩擦、磨损性能比较,得出结论........................10
3.2.6实验所得结论..................................................11
3.3铸态CuSn或CuSnFe合金的硬度..................................12
3.3.1使用的设备、仪器、操作规程、实验规范..........................12
3.3.2工作原理......................................................12
3.3.3实验条件......................................................12
3.3.4测得硬度值....................................................12
3.3.5不同材料的硬度值比较,得出结论................................12
3.4铸态CuSn或CuSnFe合金的导电性能..............................13
3.4.1使用的设备、仪器...............................................13
3.4.2实验条件.......................................................13
3.4.3电阻率、导电率的计算...........................................13
3.4.4不同材料导电性能比较,得出结论.................................14
4正火态CuSn或CuSnFe合金棒材的性能研究.........................15
4.1正火态CuSn或CuSnFe合金微观组织观察...........................15
4.1.1介绍使用的设备、仪器、实验条件.................................15
4.1.2金相图片.......................................................15
4.1.3与铸态微观组织之间的差别.......................................16
4.2正火态CuSn或CuSnFe合金摩擦、磨损性能.........................16
4.2.1使用的设备、仪器、实验结果.....................................16
4.2.2工作原理.......................................................16
4.2.3实验条件.......................................................17
4.2.4实验结果.......................................................17
4.3不同材料的摩擦、磨损性能比较,得出结论.........................18
4.4与铸态合金摩擦、磨损性能比较...................................19
4.5正火态CuSn或CuSnFe合金的硬度.................................19
4.5.1使用的设备、仪器...............................................19
4.5.2工作原理.......................................................19
4.5.3实验条件.......................................................19
4.5.4测得硬度值.....................................................20
4.6不同材料的硬度值比较,得出结论.................................20
4.7与铸态合金硬度值比较...........................................20
4.8铸态CuSn或CuSnFe合金的导电性能...............................20
4.8.1使用的设备、仪器...............................................20
4.8.2实验条件.......................................................20
4.8.3电阻率、导电率的计算...........................................20
4.8.4不同材料导电性能比较,得出结论.................................21
4.8.5与铸态合金的导电性能比较.......................................22
5结论............................................................23
参考文献.............................................................24
致谢.................................................................25
1前言
由于铜及铜合金具有良好的导电、热、导耐腐蚀性以及优良的工艺性能和较高的强度,广泛应用被用于电力、电工、机械制造等重要工业部门.随科学技术和现代工业的发展,铜及铜合金的性能提出了更高的要求。
大规模集成电路的引线框架、各种点焊、滚焊机的电极、大型高速涡轮发电机的转子导线、触头材料、电动工具的换向器、大型电动机车的架空导线、高压开关簧片、微波管以及宇航飞行器的元器件等都要求材料在保持优异的导电性能的同时、具有更高的强度、热交换环境中的连铸机结晶器内衬、电厂锅炉内喷射式点火喷孔、气割枪喷嘴等,不仅要求材料具有高的热导率,而且有足够高的强度。
因此人们在不断的探索具有优良的综合物理性能和力学性能的功能材料——高强高导铜合金,以满足对铜合金材料的新要求。
早在20世纪70年代,电子工业的飞速发展,英、美、日等发达国家就对高强高导铜合金进行了系统的研究,并开发了一系列的产品。
20世纪80年代以来,我国也开始进行大量高强高导铜合金的开发和研制工作,对逐步建立我国高性能铜合金体系、研究性能优异的高性能铜合金,具有重要的现实意义。
随着我国电气化铁路的迅速发展,列车的运行速度越来越快,这就要求在加大接触线悬挂张力的同时还要提高其载流能力和运行中的稳定性,以改善机车受流质量。
接触线是整个电气化列车运行体系中的关键部件,因此要求接触线材料必须具备高强度、耐高温、耐磨损、良好的导电性能和高的抗软化温度。
目前,欧洲、中国普遍采用铜银合金接触线,这种材料满足了250Km/h的列车运行速度,但是要满足350-400Km/h或者是更高速的电气化铁路列车,就必须研究开发新型的接触线材料,而接触线材料理想的性能指标为:
抗拉强度>550MPa,导电率>80%IACS,使用温度在300℃时的抗拉强度下降率在15%以下。
目前,国内外电气化高速铁路使用的接触线主要分为三大类:
(1)纯铜接触线;
(2)铜合金接触线;(3)复合材料接触线。
纯铜接触线是一种经过拉拔后不经过退火就直接使用的硬铜导线,纯铜电车接触线一般是通过冷作硬化来提高合金材料强度的,纯铜的导电性能非常好,因此纯铜电车接触线导电率在97%IACS左右,但是纯铜电车接触线的抗拉强度比较低,在350MPa左右,并且高温时接触线强度比较低,很容易软化,特别是在高温时抗拉强度大幅度下降。
资料显示纯铜接触线的最高温度不大于100℃时,抗拉强度在350MPa以上,但是温度大于150℃后,抗拉强度就会急速下降。
温度为250℃时,抗拉强度为226MPa。
很显然纯铜接触线是不宜在高速下使用的。
铜合金接触线相对于纯铜接触线来讲,抗拉强度较高,耐磨性好,生产时在铜中加入少量的合金元素,通过微合金化在保持接触线一定电导率的条件下来提高接触线的强度和高温软化性能,国外高速电气化铁路几乎上全部采用了铜合金接触线。
在我国,按照最新的铜合金接触线标准来划分,基本上可以分为三种:
铜银、铜锡、铜镁。
铜银合金接触导线在铜中添加0.08%~0.12%的微量元素银,“银”属于固溶强化型合金元素,加入到熔融的铜中与铜形成固溶体而使材料得到强化,虽然会不同程度地降低铜基材料的导电率,而耐热性却得到了大大的提高,铜银合金接触线的使用温度可达到纯铜接触线的近两倍。
铜锡合金接触线是在铜中添加0.13%的微量元素锡,锡与银同样属于固溶型合金元素,虽然会使导电率较大幅度降低,但可大大改善其耐摩耗性能,提高材料的强度,并且使耐热性能保持在与铜银合金接触网导线同等或以上水平,所以作为耐摩耗、耐热型接触线被广泛使用。
目前用连铸连轧+拉拔工艺生产的铜锡合金接触线已经得到业界的认可,并且有在准高速和高速电气化铁路建设中被大量使用的趋势。
现在法国在时速300-350Km/h的高速列车接触线中所研制的铜锡120接触线材料,抗拉强度为360MPa,接触线的导电率为70%IACS。
日本是电气化铁路使用较早、合金化技术处于前沿的国家,日本在1992年开发出了GT-SN型铜锡接触线,以适应电气化铁路高速、高寿命的要求。
该新型接触线与普通的铜锡合金接触线相比具有同等导电率、同等或以上的耐疲劳性,通过特殊的合金成分设计和加工工艺,增加锡元素含量,高温下的抗拉强度与延伸率得到改善的同时,耐摩性和强度比普通铜锡合金接触线更加优异,在300Km/h的高速运行中具有良好的集电性能和运行稳定性。
铜镁接触线在生产过程中存在着一定的问题,镁为活泼金属元素,铜镁合金的熔炼、加工和成形要求必须具备高装备技术水平。
在铜镁合金接触线的生产中,如果镁含量过高,铸造工艺与冷加工工艺的控制难度增大,而镁含量过低,则达不到所需要的强度要求。
要实现铜镁冶金材料的规模化连续生产,在加工工艺方面还存在较高的难度。
复合型接触线作为解决铁路高速化的主要手段之一,如TA接触网导线和CS接触网导线。
以钢作为芯材被覆金属铝或在钢芯上被覆金属铜,来提高材料的强度和耐摩性,得到高张力性、轻量性、耐摩性等重要性能指标,但由于其不同材料的热膨胀系数与废线处理等问题,目前在使用上还受到了比较大的限制。
目前常用的高速电气化铁路接触线主要通过固溶强化和冷作硬化来提高接触线强度的,比如常用的银铜、镁铜、锡铜电车接触线,这种强化方式存在着明显的不足,首先固溶强化的效果不是很明显,合金接触线中如果固溶的元素太多,则极大地损害接触线的导电性能;其次冷作硬化所产生的强度提高,在较高温度时接触线不能很好地保持,材料会发生不同程度的软化现象。
日本是电气化铁路使用较早、合金化技术处于前沿的国家,1992年开发出了GT-SN型接触导线,以适应电气化铁路高速、高寿命的的要求。
该新型接触导线与普通的铜锡合金接触导线相比具有同等导电率、同等或以上的耐疲劳性,通过特殊的合金成分设计和加工工艺,增加锡元素含量,高温下的抗拉强度与延伸率得到改善的同时,耐磨性和强度比普通铜锡合金接触线更加优异,在300km/h的高速运行中具有良好的集电性能和运行稳定性。
日本研究开发的PHC-110型铜铬锆合金接触导线,其抗拉强度和导电率分别达到555MPa和78.8%IACS。
这种析出强化型合金在生产中必须进行热处理才行。
将铬锆铜合金做成大长度放入接触线,实现大规模生产,还缺少此类大型的热处理和熔炼设备及热冷加工工艺,特别是大规模连续生产的热加工工艺尚需摸索。
目前国内生产厂商借鉴上述材质的开发,通过小型试验表明,含0.05%Zr元素的100mm2铜锡合金接触线的抗拉强度和导电率分别达到468MPa和79%。
现在法国在时速为300km-350km的接触网中研制和试用的锡铜-120接触线、常温抗拉锡铜-120接触线,其抗拉强度和导电率分别为360.8MPa和70%IACS。
德国在开发的时速达330km的Re-330型接触网中研制的镁铜-120接触导线的抗拉强度和导电率分别达到503MPa和70%IACS,取得了预期的效果。
我国自行研制的0.04%Ag-0.07Sn-Cu铜合金接触线抗拉强度和导电率分别达到409MPa和90%IACS,运行速度可达180-200km/h。
2高强高导CuSn合金和CuSnFe合金的制备
目前获得高强度高导电性能铜合金的主要途径有合金化法和复合材料法两种。
合金化法是传统高强高导铜合金的制备方法,它通过固溶强化、沉淀强化、细晶强化和形变强化等手段来强化铜基体,技术较成熟,工艺较简单,成本较低,适宜规模化生产,强度一般低于550MPa,电导率一般不超过80%IACS。
随着研究的深入,先后出现了一些新工艺、新技术、新动向,将对高强高导铜合金今后的研制开发产生深远的影响。
目前许多工作集中于研究Cu—Ag、Cu—Cr等合金。
但由于这些合金的原材料价格较于昂贵,制备工艺复杂,致使成本高,影响应用前景。
Cu—Fe合金是其中成本最低的一种合金系,已有不少学者进行了研究。
由于铁在铜中有较高的溶解度,而铁从铜中析出的速度很低,同时铁是能引起铜电阻大幅度
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- 高强 CuSn 合金 制造 及其 研究