ZnSnO3/Cu电触头材料热变形行为及热挤压工艺研究

摘要

铜基电触头材料目前广泛应用在低压电路开关和断路器上，本文所研究的是一种添加ZnSnO3和稀有金属La的新型铜基电触头材料。传统粉末冶金法制备的电触头材料密度较低，而密度对于材料的综合性能有很大的影响。为了满足电路开关的应用要求，需要对其进行后续致密化处理，目前最常用的致密化工艺是热挤压。金属的高温变形行为可以反映材料内部组织演化规律和热成形性能，因此研究ZnSnO3/Cu电触头材料热变形行为不但对于提高密度和性能有重要的意义，还对于指导热挤压工艺参数选取具有重要意义。
　　本文采用粉末冶金法制备实验所需的试样，然后采用高温热压缩法研究ZnSnO3/Cu电触头材料的热变形行为，之后建立材料的流变应力的本构方程并绘出热加工图，分析得到了合适的热挤压工艺参数范围。通过DEFORM有限元模拟分析，优化了热挤压工艺参数范围，最后进行实际热挤压，分析 ZnSnO3/Cu电触头材料的微观组织演化规律、动态再结晶机制和材料的各项性能，最终得到了该材料最佳的热挤压工艺参数范围，指导实际热挤压变形工艺。
　　研究结果表明，在其他变形条件相同时，提高变形温度和降低应变速率都会使材料的流变抗力降低，结合热加工图进行分析，可以发现高温低速有利于提高材料的热成形性能。分析得到最优的热加工工艺参数范围为：变形温度790～850℃，应变速率为0.01s-1～0.56s-1。热挤压有限元模拟结果表明，毛坯在挤压嘴入料口位置会发生应力、应变、温度、应变速率和流动速度的激增，提高变形温度、挤压比和热挤压速率都会提高毛坯实际热挤压的温度，其中提高热挤压速率的作用最为明显，因此在实际热挤压时，可以通过控制热挤压速率来调控实际热挤压温度，进而提高产品性能。优化得到的热挤压工艺参数为：变形温度810-830℃，热挤压速率为16mm/s,挤压比21:1。实际热挤压结果表明，高温热变形时，材料内部会发生ZnSnO3的分解，分解成Zn2SnO4和SnO2，铜基体会氧化产生Cu2+1O相，Zr元素会偏聚且氧化成 ZrO2。改变热挤压温度、热挤压速率和挤压比主要是通过改变动态再结晶尺寸和第二相分散的程度来影响材料的性能。最后综合分析热加工图、有限元模拟结果和实际热挤压工艺参数对材料组织和性能的影响，对热挤压工艺参数进行优化，最终得到的热挤压工艺参数范围为：变形温度810～830℃、挤压比21:1、挤压速率16mm/s。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究目的和意义

1.2铜基复合材料的热变形行为

1.3热加工图的建立和应用

1.4金属材料热变形DEFORM有限元模拟

1.5热挤压过程中材料组织演化分析

1.6本文的内容

第2章 试验材料和试验方法

2.1试验材料

2.2热压缩实验

2.3热挤压实验

2.4微观组织分析

2.5材料物理机械性能分析

第3章 ZnSnO3/Cu电触头材料热变形行为及热加工图

3.1引言

3.2 ZnSnO3/Cu电触头材料的真应力-应变曲线

3.3变形条件对流变应力的影响

3.4 ZnSnO3/Cu电触头材料的本构方程

3.5 ZnSnO3/Cu电触头材料热加工图

3.6本章小结

第4章 ZnSnO3/Cu电触头材料热挤压数值模拟

4.1引言

4.2有限元模拟参数选择

4.3热挤压工艺参数对温度场的影响

4.4热挤压工艺参数对应力场的影响

4.5载荷行程分析

4.6模拟结果与试验结果的比较

4.7本章小结

第5章 热变形对ZnSnO3/Cu电触头材料组织和性能的影响

5.1引言

5.2热变形对材料成分的影响

5.3热压缩对材料组织的影响

5.4热挤压对材料组织的影响

5.5热变形对材料的性能影响

5.6本章小结

结论

参考文献

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致谢