Cu-Cr-Nb合金制备及其组织与性能研究

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Cu-Cr合金因其优良的导电性能和较高的强度而广泛应用于集成电路引线框架、高速电气化铁路接触线以及连铸结晶器等众多领域。为了提高Cu-Cr合金的性能,本课题通过采用真空感应熔炼法结合不同的冷却方式制备了Cu-Cr-Nb合金。研究Nb元素的添加在Cu-Cr合金中的分布、对合金组织性能的影响规律。分别通过细直径石墨模具、铜模具浇注冷却的方法制备Cu-Cr-Nb合金,研究不同冷却方式对合金的组织性能的影响规律,探究热处理方式对合金性能的影响。还分析了微量稀土元素的添加对合金组织的影响规律,进一步讨论合金元素Nb和La的添加对Cu-Cr合金室温力学性能的影响。研究结果表明:(1)Cu-Cr-Nb合金铸态组织为树枝晶,随着Nb元素的添加,合金组织明显细化,二次枝晶臂间距明显减小。Cu-Cr合金中添加的Nb元素,一部分固溶于基体,还有一部分在凝固过程中形成Cr2Nb初生相颗粒,分布在枝晶间,阻碍枝晶的生长。当Nb含量为0.3%时,合金二次枝晶臂间距达到最小值47.73?m,比Cu-1.2Cr合金减小了36.6%。(2)真空感应熔炼的Cu-Cr-Nb合金在固溶时效处理后,形成了一种以Cr和Cr2Nb相双相强化的铜合金,从而使合金的导电率和硬度大幅度提升。其中Cu-1.2Cr-0.3Nb合金的综合性能最优,导电率为83.9%IACS,硬度为134.3HB,在不损失其导电率的前提下,其硬度较Cu-1.2Cr合金提升了9.2%。(3)利用ANSYS软件模拟计算出石墨模具冷却和铜模具冷却下合金的冷却速度分别为300K/s和600K/s。随着冷却速度的提高,合金组织明显细化,合金元素固溶度增大,硬度大幅度提高,而导电率略有降低。采用石墨模冷却得到的Cu-1.2Cr-0.4Nb合金的二次枝晶臂间距比随炉冷却所得合金减小了66%。而铜模冷却所得Cu-1.2Cr合金组织为典型的胞状生长组织,随着微量Nb元素的添加,成分过冷增加,合金由胞状生长逐渐转变为柱状生长。(4)采用金属铜模具制得的Cu-Cr-Nb合金的析出相更为弥散细小,且出现了大量与基体共格的Cr2Nb纳米增强相,进一步提高了合金性能。对于准快速凝固的合金,采用直接时效的热处理方式更能获得高的导电率和硬度。其中采用铜模冷却方法得到的Cu-1.2Cr-0.4Nb合金的硬度和导电率分别达到了149.0HB和83.2%IACS。(5)稀土La添加到Cu-Cr-Nb合金中,细化了合金组织,打破了共晶相的连续网状结构。对于铜模冷却Cu-1.2Cr合金,时效处理后合金的抗拉强度为380.8MPa,随着0.4%的Nb元素的添加,合金的抗拉强度和屈服强度明显提高,伸长率略有降低;而微量稀土La的加入,在提高合金屈服强度的同时,使合金的抗拉强度达到了427.8MPa,伸长率达到了13.0%。(6)Cu-Cr-Nb合金的断裂方式为韧性断裂,断口组织主要由韧窝和撕裂棱组成。随着0.4%Nb的添加,韧窝的尺寸减小,数量明显增加。0.1%的La添加到Cu-Cr-Nb合金中,使韧窝尺寸分布更为均匀细小,数量大幅度增多,撕裂棱高度有所提高。
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