高强导电Cu-Mg-Te合金强化机制和制备工艺的研究

发布时间：2020-04-02 11:04

【摘要】：铜及铜合金是最早被人类发现并使用的金属材料之一,是人们生产和生活中不可或缺的资源,在国民经济和国防建设中具有重要的应用价值。随着科学技术的不断进步,新兴产业的不断发展,对铜合金性能和产量的需求也越来越高。高强导电铜合金是指强度远高于纯铜,同时还具有优良导电性能的高性能铜合金。随着电子信息、轨道交通和国防军工等领域的飞速发展,高强导电铜合金作为重要的功能材料而被越来越广泛的使用,因此开发新型的高强导电铜合金材料具有重要的意义。高强导电铜合金的制备方法主要包括合金化法和复合材料法。即在铜基体中引入合金化元素或增强颗粒和纤维等,再通过控制合金凝固组织、变形和热处理等一系列手段,在保持铜合金导电性的同时,尽可能提高铜合金强度。本论文提出以镁元素提高铜合金的力学性能、以碲元素提高铜合金的抗电弧冲击能力的思想,设计出Cu-Mg-Te合金,并从稀土元素的微合金化角度出发,进一步改善Cu-Mg-Te合金的综合性能。论文从添加主元素的作用机理、稀土元素的微合金化、合金凝固组织的电磁场和超声场控制以及变形和热处理等几方面,分析各因素对Cu-Mg-Te合金组织和性能的影响。研究了镁、碲元素在铜合金中的作用机理及镁、碲元素含量对铜合金力学和导电性能的影响。镁元素在合金中主要起固溶强化的作用,通过实验对比分析,结果表明镁元素含量在0.2～0.7%时,铸态Cu-Mg-Te合金具有良好的力学和导电性能。碲元素对合金导电性和力学性能的影响不明显,但是利用碲元素与铜合金价电子结合能力强,熔沸点低的特点,可以提高合金的起弧电压,增强合金抗电弧烧蚀的能力。碲元素含量过高,会影响合金后续的变形处理,因此合理的碲元素含量应控制在0.1～0.4%之间。添加稀土钇、铈和硼等微合金化元素,利用其化学性质活泼,反应自由能低的特点,能够与铜合金熔液中的氧等有害杂质优先反应,同时增加合金熔液的异质形核,达到净化合金基体和细化合金组织的目的,进而改善Cu-Mg-Te合金的性能。当添加钇元素不超过0.06%、硼元素不超过0.03%时,合金的晶粒尺寸可以下降到150μm,合金的抗拉强度、伸长率、导电率等指标均有所提升。稀土铈元素对Cu-Mg-Te合金组织细化的效果十分明显。通过轧制变形和退火处理,进一步提高合金性能。铸态Cu-Mg-Te合金经过变形量为70%的热轧处理后,合金晶粒细化明显,平均晶粒尺寸下降到90μm,抗拉强度和伸长率都显著提升。再经过冷轧变形处理后Cu-Mg-Te合金呈纤维状组织结构,且随着冷轧变形量的增大,合金的抗拉强度逐步提高,但伸长率下降。当冷轧变形量达到90%时,Cu-0.52Mg-0.18Te-0.04Y合金的抗拉强度可达620MPa以上,导电率为55%IACS。退火处理会导致合金抗拉强度下降,但伸长率和导电率明显提高。通过合理控制退火处理的温度和时间,使合金处于回复阶段,能够使合金具有良好的综合性能。将Cu-0.52Mg-0.18Te-0.04Y合金经过70%热轧变形和90%冷轧变形后,在350℃退火1h,合金导电率接近60%,伸长率恢复到8%,抗拉强度达到560MPa。电磁场能够起到改善Cu-Mg-Te合金铸锭表面质量的效果。电磁连铸获得的Cu-Mg-Te合金内部组织致密,气孔、夹渣缺陷明显减少。电磁场使合金的等轴晶区范围扩大且晶粒细化明显,基本可以消除Cu-Mg-Te合金中Mg元素的偏聚,同时使Cu2Te相变得更加细小、均匀,并且降低合金中氧化物杂质的含量。与普通连铸锭相比,采用电磁连铸获得的Cu-Mg-Te合金的抗拉强度提高26.3%,伸长率提高13%。将电磁连铸锭直接进行变形量为70%的冷轧处理,合金抗拉强度达到480MPa,伸长率为14%。在Cu-Mg-Te合金凝固过程中施加功率超声振动,能够显著细化合金组织、改善元素分布。经过功率为300W,时间为120s的超声振动处理后,合金晶粒尺寸由厘米级减小到100μm左右,Mg、Te元素分布更加弥散均匀,并且有效减少合金内部的氧化夹渣、气孔和裂纹等缺陷。超声振动处理的Cu-Mg-Te-Y合金抗拉强度从151.3MPa提高到197.4MPa,伸长率由17%提高到24.7%。将经过超声处理后的Cu-0.38Mg-0.13Te-0.05Y合金直接进行变形量为70%的冷轧处理,合金抗拉强度达到465.8MPa,伸长率为17%,导电率62.6%IACS。研究结果表明,通过电磁连铸和功率超声振动处理工艺获得的Cu-Mg-Te合金都可以直接进行冷轧变形处理,其性能与普通连铸后进行热轧和冷轧两次轧制变形处理的Cu-Mg-Te合金基本一致。将电磁场和超声场应用到铜合金的实际生产中,可以简化生产工艺流程,控制产品成本。
【图文】：

趋势图,固溶元素,铜合金,导电率

电阻增加［４５］。根据Ｍａｔｔｈｉｓｓｅｎ定律，固溶兀素对铜合金导电性的影响与其浓度呈正比。逡逑固溶元素的浓度越高，，电阻率越大。因此，要选择强化效果好，且对合金导电性影响较逡逑小的元素作为固溶元素，图１．２显示了一些元素随着含量变化对铜合金导电性能的影响。逡逑１００逦￣Ａｒ逦Ｚｎ邋Ｚｒ｜逡逑召逦ｐ逡逑ｇ邋２０邋－逡逑ｕ逡逑ｉ逦１逦Ｉ逦＞逡逑０逦０．２逦０．４逦０．６逦０．８逦１逡逑Ｃｏｎｔｅｎｔ邋ｏｆ邋ｅｌｅｍｅｎｔ／％逡逑图１．２铜合金导电率随固溶元素含量的变化趋势逡逑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逡逑变形会加剧铜合金晶格的畸变程度，产生空位和位错等晶体缺陷，并导致原子间距逡逑变大。因此铜合金经过加工变形后导电率会有所降低；晶粒细化会使晶界面积增加，也逡逑会加剧电子传输过程中的散射，对铜合金导电率造成不良影响，但上述原因对铜合金导逡逑电性造成的影响远小于固溶元素对合金导电性的影响。逡逑对于时效强化铜合金和弥散强化型铜基复合材料来说，一般情况下，析出相和添加逡逑的增强相对铜合金导电率的影响与固溶元素对合金导电率的影响相比非常小，但是当第逡逑二相的尺寸与电子波的波长处于相同数量级时（ｌｎｍ），就会对电子产生强烈的散射，逡逑导致合金的导电率出现明显下降［４６］；此外，当第二相颗粒的间距小于铜基体内的电子平逡逑均自由程（４２ｎｍ）时

示意图,内氧化法,复合材料,示意图

形或时效处理使合金产生析出强化相，进一步改善铜合金综固溶强化元素及成分范围，制定相应的形变与热处理工艺参数合金非常重要。逡逑料法逡逑的导电理论，固溶元素进入铜基体中导致晶格产生畸变，对，远超过第二相对合金导电性的影响。因此，通过向铜基体化成为高强导电铜合金的一种重要强化方式［５９］，该方法在提导电性不会产生明显下降，而且能够改善合金的高温性能，的受到研宄人员的关注。按照强化相生成方式的不同，铜基人工复合材料法和自生复合材料法。逡逑工复合材料法逡逑材料法，即人为向铜基体中添加化学性能稳定且强度高的第化物质，从而使基体得到强化的方法。逡逑
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.11

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