高强高导铜基引线框架材料研制及稀土元素在铜合金中作用机制研究

摘要

本文在优化铜铬合金制备工艺的基础上，系统研究了CuRE和CuCrRE合金在不同热处理状态下的组织、性能特点；结合形变强化考察了等温时效过程中再结晶与析出过程的相互作用及其对合金性能的影响；定量分析了铬元素的存在形式等各类因素对合金硬度和电导率的影响；分析了稀土元素在铜合金中的作用效果及其机理。本研究达到了预期的目的，获得了以下具有理论及实际意义的研究成果： 1、在分析铜铬合金熔炼特性的基础上，优化了铜铬合金熔炼工艺。采用真空感应熔炼技术制备铜铬系合金，探讨了不同浇注工艺对合金铸锭组织及偏析的影响，结果表明：利用真空直接加铬炼制Cu-0.8wt％Cr合金，采用合适的熔炼和浇注工艺，可以较精确控制合金成分；在低的浇注温度和大冷却速度下可以获得几乎无宏观偏析、铸造缺陷很少的铜铬合金铸件。 2、研究了添加不同种类稀土在纯铜中的存在形式、分布状态及其对铸态及退火态纯铜组织性能的影响，结果表明：稀土添加量较小时，基本与纯铜中O等杂质元素反应生成高熔点化合物进入渣相除去；当稀土添加量达到0.4wt.％时，开始出现铜稀土金属间化合物，这些金属间化合物在晶内基本以质点存在，并在晶界处富集。随稀土含量进一步增加，晶界富集现象越明显，到10wt.％时，晶界处为铜+铜稀土金属间化合物共晶组织。添加0.4wt.％的稀土元素La、Y、Nd、Sm均能够显著细化铸锭宏观组织，减少柱状晶区。少量稀土添加具有净化基体的作用，提高铸态纯铜电导率，稀土最佳添加量为0.05wt％，当超过此值后，纯铜导电率反而下降，稀土起到与杂质相似的作用。退火处理能够消除过饱和空位及减少晶界面积，提高纯铜导电率。铸态纯铜硬度随稀土添加量增加而递增，这源于稀土化合物的增强效果。适量稀土Y的添加改善纯铜高温抗氧化性能，当添加量超过0.1wt.％时，纯铜抗氧化性能反而恶化。 3、基于体视学和定量金相分析的基本原理，对Image-ProPlus(IPP)图像分析软件进行了二次开发，测定了铜合金金相组织的相体积分数、晶粒度大小、粒子间距等特征参数，获得了满意的结果，并提出了一种测量粒子间距的近似算法。 4、稀土在铜铬合金中主要以Cu-RE-O夹杂物的形式存在，并向晶界处偏聚，稀土对Cu-Cr合金组织存在变质作用，破坏了共晶组织的规则网状分布。 5、对Cu-0.8wt.％Cr-0.05wt.％Y铸态合金经980℃×3h固溶处理+90％冷变形+480℃×6min时效处理后组织电子显微分析表明，基体中存在两类Cr颗粒，一种是微米级Cr颗粒，为凝固冷却过程中形成；另外一种是纳米级Cr析出相(直径约8nm)，电子衍射分析表明两者都为体心立方结构；此时，基体中观察到细小再结晶晶粒，再结晶已发生。 对组织中粗大颗粒的定量分析结果表明：随时效进行，颗粒体积分数和大小由于过饱和固体的分解逐渐增加，面密度初始增加，随后由于颗粒间的吞并而下降，为减少系统界面能，圆整度一直呈递增趋势。 6、定量研究了各类因素对铜铬合金导电性能的影响，发现：Cr以粗大第二相存在时，对合金导电率影响极微，Cr含量小于0.8wt.％时，影响小于1％IACS;变形处理对合金电导率几乎无影响；Cr以细小析出相和固溶原子形式存在时，每0.01wt.％Cr的存在可使合金电导率分别下降0.48％IAC8和1.77％IACS；适量稀土的存在能够提高合金电导率2％IACS左右。在上述定量分析的基础上，运用电导率测量可推测合金析出过程进行的程度。 7、定量研究了各类因素对铜铬合金硬度性能的影响，发现：Cr以粗大第二相存在时，对合金硬度影响可忽略不计；Cr以细小析出相形式析出时，每0.01wt.％Cr的平均强化效果为2.4Hv；Cr以固溶原子形式存在时，每0.01wt.％Cr固溶强化效果为0.66；形变强化效果与形变量呈正比关系，每10％形变量对合金增强效果为6.3Hv；实验结果与计算值比较表明，公式△HV=940f1/2可以用于粗略计算和预测合金的析出强化效果。 固溶+变形+时效处理合金经90％预变形后在时效过程中由于回复和再结晶的进行，形变硬化效果急剧丧失，硬度在越过时效峰后陡降；采用铸态+变形+直接时效工艺能推迟回复和再结晶过程的进行，原因在于铸态试样具有较固溶试样低的过饱和空位浓度。 在变形合金的等温时效过程中，再结晶和析出过程相互作用，冷变形能够促进过饱和固溶体的分解，而Cr与固溶原子和细小析出相存在反过来阻碍了再结晶过程的进行。 稀土添加能够提高合金的硬度，添加量越多，提升幅度越大，这归因于稀土夹杂物的增强作用。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及学位论文版权使用授权书

第一章绪论

1.1引言

1.2高强高导铜合金及铜基复合材料研究现状

1.2.1高强高导铜基导电材料强化机制及设计原理

1.2.2高强高导铜基导电材料制备方法

1.2.3高强高导铜基导电材料组织与性能特点

1.3稀土在金属材料中作用及其机制

1.3.1稀土的净化作用

1.3.2稀土的变质作用

1.3.3稀土的合金化作用

1.4课题来源及意义

1.5本文研究的主要内容

第二章Cu-Cr-RE合金熔炼工艺优化研究

2.1 Cu-Cr合金熔炼特性分析

2.2 Cu-Cr合金熔炼工艺优化

2.2.1真空感应熔炼技术、设备和真空熔炼特点

2.2.2合金成分设计、加铬方式、熔炼设备和浇注系统设计

2.2.3具体熔炼过程

2.2.4浇注温度及冷却速度对合金铸造组织的影响

2.2.5浇注温度及冷却速度对合金成分烧损及偏析的影响

2.3本章小结

第三章稀土在导电纯铜中的分布及其对组织性能的影响

3.1实验方法

3.2稀土在纯铜中的分布

3.3稀土对纯铜组织、性能的影响

3.3.1稀土的细化作用

3.3.2稀土对铸态纯铜导电性及硬度的影响

3.3.3添加稀土对纯铜抗氧化性能的影响

3.3.4稀土对纯铜凝固特性的影响

3.4本章小结

第四章基于Image Pro Plus图像处理软件测定铜合金中组织特征参数

4.1定量金相分析基本原理

4.1.1定量金相概述

4.1.2定量金相的符号及测量原理

4.2基于Image Pro Plus图像处理软件测定铜合金中组织特征参数

4.2.1测量方法

4.2.2特征参数测量

4.3本章小结

第五章稀土元素在cu-Cr合金中分布及对其组织影响

5.1 Cu-Cr-RE合金的制备

5.2稀土添加对Cu-Cr合金显微组织影响

5.2.1固溶时效Cu-Cr-RE合金组织分析

5.2.2固溶+预变形+时效合金组织分析

5.3 Cu-0.8wt.％Cr-0.05wt.％Y预变形合金短时时效组织电子显微分析

5.3.1粗大Cr颗粒形貌及电子衍射分析

5.3.2细小、弥散析出Cr颗粒形貌及电子显微分析

5.3.3析出Cr颗粒晶体学分析

5.3.4变形基体组织显微分析

5.4稀土在Cu-Cr合金中存在形式

5.5 Cu-Cr-混合稀土合金时效过程中粗大Cr颗粒的演变

5.5.1实验过程

5.5.2实验结果分析与讨论

5.6本章小结

第六章Cu-Cr-RE合金导电性能研究

6.1影响合金导电性因素分析

6.2不同处理对Cu-Cr-RE电导率的影响

6.2.1固溶时效型合金电导率

6.2.2固溶+预变形+时效型合金电导率

6.2.3预变形+时效型合金电导率

6.2.4不同预变形量对合金导电率的影响

6.3影响Cu-Cr-RE合金导电性因素的定量分析

6.3.1温度对合金电导率的影响

6.3.2 Cr以粗大第二相形式存在时对纯铜电导率的影响

6.3.3 Cr以固溶原子形式存在时对纯铜电导率的影响

6.3.4变形处理对合金导电率的影响

6.3.5细小析出相的影响

6.3.6冷却速度的影响

6.3.7稀土添加对合金电导率的影响

6.4本章小结

第七章Cu-Cr-RE合金力学性能研究

7.1均匀第二相沉淀热力学分析

7.2析出强化机制

7.3实验结果

7.3.1固溶时效型Cu-Cr-RE合金硬度

7.3.2不同预变形量对合金硬度的影响

7.3.3固溶+预变形+时效型合金硬度

7.3.4预变形+时效型合金硬度

7.3.5稀土对合金时效过程的影响

7.4影响Cu-Cr-RE合金硬度性能因素的定量分析

7.4.1各类因素对Cu-Cr-RE合金硬度影响的定量分析

7.4.2和理论计算值的比较

7.4.3时效与再结晶的相互作用

7.4.4铸态+变形+直接时效型合金实验结果分析

7.5本章小结

第八章总结

致谢

参考文献

攻读博士学位期间所发表论文