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铜具有高导电、高导热、化学稳定性与延展性好等优点,被广泛应用于电气、轻工、机械制造、电子工业等领域。随着工业领域应用要求不断提高,铜材料的强度低、抗高温软化性能差等不足限制了它在某些场合(如时速300km/h以上高铁的接触线)的应用。目前已有多种方法制备铜基合金或铜基复合材料以提高其强度,但都较大程度地降低了材料的电导率,如何在保持高导电性能的同时,提高材料的力学性能是高性能铜合金的研究重点之一。
本文通过合金化方法提高铜合金性能,通过Ag、Zr、Cr的单独与复合加入,制备了七种不同成分的铜合金,优化了合金加工工艺并全面测试了导电性能、拉伸力学性能和抗高温软化性能,同时运用光学金相分析、扫描电镜、透射电镜等多种分析和测试手段,较系统的研究了三种合金元素对合金组织与力学性能、电导率、软化温度的影响及作用机理。
对Cu-Ag、Cu-Zr、Cu-Cr三种二元合金的研究表明:0.1wt%Ag的加入可以使合金的软化温度提高约200℃,同时合金电导率保持在97%IACS以上,但合金常温强度提高不明显;0.094wt%Zr的加入可以使合金强度提高至515MPa,电导率达到87.5%IACS,软化温度达到500℃;0.045wt%Cr的加入可以使合金强度提高至580MPa,电导率达到86%IACS,软化温度达到500℃。
对Cu-Ag-Zr、Cu-Cr-Zr两种三元合金的研究表明:两种合金的固溶工艺分别取950℃×1h+水淬、1050℃×1h+水淬,两种合金的时效工艺分别取420℃×2h、480℃×2h,两种合金时效前后变形率分别取80%、40%较为合适;Ag、Zr的复合加入比单独加入Zr强度有少量提高,但其软化温度基本不变;Zr、Cr的复合加入比单独加入强度明显提高,其强度达到640MPa,电导率达到85%IACS,软化温度达到540℃;时效后两种合金试样中产生的细小弥散析出相是其强度提高的关键,同时固溶元素的析出也是合金保持高电导率的原因。
研究表明Cu-Cr-Zr系合金经1050℃×1h+水淬-80%冷变形-480℃×2h-40%冷变形后,满足高速铁路接触线强度≥600MPa,电导率≥80%IACS,软化温度≥300℃的要求。