高强高导Cu-Cr-Zr合金非真空熔炼工艺及性能研究

摘要

铜合金具有良好的力学性能和优异的导电、导热性能而被广泛应用于诸多领域。随着科技的快速发展，对铜合金材料的性能也提出了更高要求， Cu-Cr-Zr合金作为典型的时效强化型合金，满足了高强高导铜合金的要求。
　　由于熔炼过程中 Cr、Zr的烧损较严重，目前大多采用真空熔炼工艺制备Cu-Cr-Zr合金，这大大限制了 Cu-Cr-Zr合金的应用前景。本课题从热力学和动力学角度对熔炼过程进行了理论分析，并在非真空条件下进行 Cu-Cr-Zr合金的熔铸试验，研究了热处理工艺对合金最终性能的影响。
　　分析了 Cu-Cr-Zr合金的熔铸特性，应用函数法计算了熔炼过程中部分化学反应的标准摩尔吉布斯自由能变化 TG，并以 TG为判据，从热力学角度分析了组元 Cr、Zr烧损的可能去向；从动力学角度分析了合金熔炼过程中蒸发、扩散及熔体的吸气过程。计算分析表明：熔炼温度下，Cr和 Zr均能与 N2、O2、C、Cu2O发生反应而损失；Zr容易与含 SiO2、Al2O3的坩埚发生置换反应而损失，而与 MgO坩埚不发生反应，建议实际生产中使用镁质炉衬筑炉；组元的烧损主要受扩散过程控制，而随着熔炼温度与反应气体分压的增大，熔体的吸气过程也加剧，因此应在惰性气体保护下熔炼Cu-Cr-Zr合金。
　　使用不同材质坩埚在非真空条件下进行了 Cu-Cr-Zr合金的熔铸试验，所得铸锭表面质量良好，内部无宏观缺陷。着重分析了坩埚材质、熔炼环境、熔炼时间等三个因素对合金元素最终收得率的影响。研究结果进一步验证了此前对熔炼过程进行的理论分析。
　　用SEM分析了Cu-0.77Cr-0.45Zr合金的铸态组织。能谱及面扫描分析的结果表明：基体中出现了较多的Cr枝晶，Zr则以CuxZr化合物的形式主要偏聚于晶界。对固溶处理后的 Cu-0.77Cr-0.45Zr合金进行不同参数的冷变形及时效，研究了不同热处理工艺对合金最终综合性能的影响。
　　试验结果表明：随着时效过程的进行，固溶于铜中的溶质原子不断从基体中析出，使得合金的显微硬度和导电率均得到大幅提升；冷变形量、时效温度及时间都对合金的强化效果产生影响，该合金经60％冷变形，在500℃时效2h，其抗拉强度、显微硬度和导电率分别达到546MPa、170HV、76%IACS，达到了预期目标。

目录

第1章绪 论

1.1前言

1.2高强高导铜合金材料的设计

1.3高强高导铜合金的发展

1.4课题来源与研究意义

第2章试验材料与研究方法

2.1合金的成分设计

2.2试验材料及合金的制备

2.3检测与分析方法

第3章合金熔炼过程的理论分析

3.1 Cu-Cr-Zr合金的熔铸特性

3.2 Cu-Cr-Zr合金熔炼过程热力学分析

3.3 Cu-Cr-Zr合金熔炼过程动力学分析

第4章非真空熔炼Cu-Cr-Zr合金工艺研究

4.1试验材料及设备的选择

4.2合金熔炼工艺

4.3不同熔炼工艺下铸锭的化学成分

第5章非真空熔炼Cu-Cr-Zr合金的组织与性能

5.1 Cu-0.77Cr-0.45Zr合金铸态组织及性能

5.2时效工艺对Cu-0.77Cr-0.45Zr合金性能的影响

第6章结 论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果