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原文传递电气化列车用高强高导铜的制备与研究

论文题名：	电气化列车用高强高导铜的制备与研究
关键词：	电气化列车;铜材料;热拉伸法;热压烧结法;摩擦磨损性能
摘要：	电气化列车弓网用铜材料需要在电弧侵蚀、高温、高速、极端天气的条件下保持稳定载流,此工况对弓网铜材的硬度、电导率和载流摩擦磨损特性提出了很高的要求。如何在牺牲更少电导率的条件下大幅度提高硬度,如何简化工艺使其适于生产,是目前国内外研究的主要目标,研发新型高强高导铜材料具有学术意义和重要工程价值。本文以合金化法和复合材料法分别制备高强高导铜材,前者通过热拉伸法处理CuCrZr合金使得异质原子Cr和Zr析出成为强化颗粒相,后者利用热压烧结法制备WC/Cu铜基复合材料使得人为添加的WC成为强化颗粒,通过电导率测试、显微硬度、金相显微镜、XRD衍射、扫描电镜、透射电镜、载流摩擦磨损试验等测试手段发现,这两种方法都可以很大程度的消弱杂质原子对电子传导的散射作用,同时改善纯铜硬度低和抗载流摩擦磨损性能差的情况,实现弥散强化的效果。　　首先,Cu-Cr-Zr系合金一般采用时效处理的方法使其析出弥散硬质相来实现强化,但是时效过程难和工步复杂,电导性又是一种敏感性能,导致时效结果难以控制更难以实现产业化。本文主对Cu-0.6Cr-0.1Zr合金采用热拉伸拉伸的方法,以替代常用的复杂的“冷变形+时效处理”两个不连续工步。研究结果表明,随着热拉伸率的提高,CuCrZr合金电导率下降较少硬度大幅度提高。300℃温度下拉伸率为22％的试样,显微硬度为107HV,电导率为81.8%IACS,相比于热拉伸处理前的固溶试样,硬度提高了35.5%,电导率只下降了12.7%。这是由于经过300℃热拉伸的显微组织,已经出现了沉淀相颗粒,并且沉淀相随着拉伸率的提高而长大。这种高强高导性能是杂质原子的固溶析出、位错增殖、晶粒细化和沉淀相的弥散强化效果同时作用产生的效果。　　人为向铜基体中添加硬质颗粒,可以实现对铜基复合材料的强化,也可以避免欠时效时残余在铜基体中的杂质原子对电导率的影响。WC作为制造硬质合金的主要原料,相比于其它铜基强化颗粒有与铜的润湿性好、本身可以电导等优点。本文选用 WC颗粒为增强相,用热压烧结的方法制备了WC/Cu复合材料。研究表明,烧结温度从750℃上升至900℃时,WC/Cu复合材料的相对密度由80%上升到92.8%,但如果烧结温度升高至950℃,则会发生晶粒的快速长大,孔隙来不及移动聚集就成为晶内闭孔,从而使得相对密度稍有下降。WC在热压烧结的过程中,对铜粉末的变形和晶界、孔隙的移动起到阻碍作用,因此复合材料的相对密度随着WC含量的增加而减小。而当微米级WC含量达到5%或者纳米级WC超过4%时,由于团聚现象的出现,硬度出现下降趋势。随着 WC含量从1%增加至5%,添加微米级和纳米级WC复合材料的电导性分别从87.8%跌至84.8%和从88.2%跌至63.5%。这是由于WC的加入不仅使自身成为电子传导的散射点,也使得铜基体原子排列紊乱,从而导致电导率下降　　随后使用销盘式载流摩擦磨损试验机对WC/Cu复合材料进行了载流摩擦磨损试验研究。研究结果表明当电流值为35A,法向载荷30N,速度值为28.2 m·s-1时:体积磨损率在烧结温度低于850℃时,磨损率随烧结温度降低至4.89 mm3/m,之后磨损率曲线趋于平缓。这是由于烧结温度低于850℃时基体硬度较低,无法给承担载荷的WC提供稳定的支撑作用。随着微米级WC含量从1% wt增加至5% wt,复合材料体积磨损率降低了65.9%。纳米级的WC体积过小,无法突出于基体的磨削水平面,因此添加5% wt纳米级WC试样的体积磨损率为3.84mm3/m,而同样添加量的微米级WC的磨损率为2.29mm3/m。在载荷低于20N和电流低于0.6A/mm2的轻微磨损阶段,以磨粒磨损为主要磨损方式。随着电流和载荷的提高,电弧侵蚀导致摩擦表面粗糙,大载荷导致机械表层脱落,磨损进入以电弧侵蚀和粘着磨损为主的严重磨损阶段。
作者：	张蓓
专业：	材料学
导师：	李卫
授予学位：	硕士
授予学位单位：	暨南大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文