【摘 要】
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铜合金因具有良好的力学性能和优异的导电、导热性而被广泛应用于电力、交通、机械、电子、通讯、信息、计算机、国防等诸多领域。但随着科学技术的不断向前发展,各领域对铜合金性能的要求也越来越高。例如集成电路芯片集成度的日益提高,对引线框架材料的导电性、导热性和强度等提出了更高的要求;随着铁路电气化和高速化进程的加快,接触网导线不但需要具有高强度和高电导率,同时还应具有优良的抗软化温度和较强的耐热、耐腐蚀、
【基金项目】
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国家科技部“863”计划“高强高导Cu-Cr-Zr合金接触线材料制备的关键技术研究”（No.2009AA03Z109）； 国家十三五重点研发计划项目“高性能铜合金特种加工材制造技术”（No.2016YFB0301400）； 上海大学重大成果转化项目“高强高导铜合金制备技术”；
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铜合金因具有良好的力学性能和优异的导电、导热性而被广泛应用于电力、交通、机械、电子、通讯、信息、计算机、国防等诸多领域。但随着科学技术的不断向前发展,各领域对铜合金性能的要求也越来越高。例如集成电路芯片集成度的日益提高,对引线框架材料的导电性、导热性和强度等提出了更高的要求;随着铁路电气化和高速化进程的加快,接触网导线不但需要具有高强度和高电导率,同时还应具有优良的抗软化温度和较强的耐热、耐腐蚀、耐磨损能力等。事实证明,Cu-Cr-Zr合金是能满足上述要求最可行的合金材料之一。然而,对于这种特殊的铜合金,其综合性能的提高需要结合诸多的加工工艺,其中对Cu-Cr-Zr合金性能影响最大的便是Cr和Zr两种强化元素的析出工艺。因此,为了制备性能更加优越的Cu-Cr-Zr合金,研究其凝固组织和析出相的控制对Cu-Cr-Zr合金性能的提升十分必要。之前研究发现,磁场在合金凝固过程中可以影响固-液相变过程传热、传质及动量传输,并影响其成分分布、组织结构,从而调整合金的电学和力学性能。稀土作为工业生产中的“维生素”,具有净化熔体、细化晶粒和改变夹杂物形态等优异功能,能够显著优化铜及铜合金的组织结构,改善铜合金综合性能。因此,本文以Cu-Cr-Zr合金为研究对象,运用定向凝固技术,通过对凝固组织形貌、成分分布和析出相的检测分析,研究了静磁场和稀土Y对Cu-1.0Cr-0.1Zr合金定向凝固组织及其性能的影响机制。主要研究内容如下:本文第一部分首先研究了抽拉速度对Cu-1.0Cr-0.1Zr合金定向凝固组织及其性能的影响。结果表明,随着抽拉速度的增加,凝固组织经历了短胞状晶→长胞状晶→胞枝组织→柱状树枝晶→细长胞状晶的转变。合金的电导率随抽拉速度的提升而降低,维氏硬度则随之升高。随后研究了不同磁感应强度（0-5 T）的轴向静磁场对Cu-1.0Cr-0.1Zr合金凝固组织及其性能的影响。结果表明,在抽拉速度为10μm/s时,随着磁感应强度的提高,合金的凝固组织由胞状晶逐渐转变为树枝晶,而在磁感应强度达到5 T时,凝固组织全部为树枝晶。合金的电导率随着磁感应强度的增大而升高,而维氏硬度随之降低。本文第二部分研究了稀土Y对Cu及Cu-1.0Cr-0.1Zr合金定向凝固组织及其性能的影响。首先在纯Cu的定向凝固过程中加入稀土Y,发现其导电率随Y加入量的增加先升高后降低,维氏硬度则先降低后升高。当Y加入量为0.02wt.%时电导率达到最大值100.32%IACS,而此时合金的维氏硬度从61.43 HV下降到59.71 HV。研究了稀土Y对Cu-1.0Cr-0.1Zr合金定向凝固组织及其性能的影响。结果表明,随着稀土Y加入量的提高,定向凝固组织先由短胞状晶变成长胞状晶后又变成短胞状晶。Cu-1.0Cr-0.1Zr合金导电率随稀土Y添加量的提高先增加后降低,而维氏硬度和抗拉强度则先降低后上升。通过对析出相的检测发现,当加入0.06 wt.%Y后,粗大富Cr析出相尺寸由500 nm减小到300nm,弥散析出相显著增多。Cu-1.0Cr-0.1Zr-0.06Y合金具有最佳极限拉伸强度、延伸率和电导率,分别为254.1 MPa、48%和84.59%IACS。本文第三部分研究了不同轴向磁感应强度（0-5 T）对Cu-1.0Cr-0.1Zr-0.06Y合金凝固组织及其性能的影响。结果表明,在施加1 T磁场后凝固组织由短胞状晶变成长胞状晶。且随着磁感应强度的增大,凝固组织逐渐转变为树枝晶,当磁感应强度为5 T时,合金的电导率从52.89%IACS升高到68.02%IACS,而维氏硬度从74.56 HV降低到58.40 HV。综上所述,本文通过施加静磁场和添加稀土Y后的Cu-1.0Cr-0.1Zr合金定向凝固组织形貌、成分分布和析出相的演变规律等进行了系统研究,并对其相关影响机制进行了初步的探讨,结果表明静磁场和稀土Y都会显著影响Cu-1.0Cr-0.1Zr合金的凝固组织和电/力学性能,这为更高性能高强高导Cu-Cr-Zr合金的制备提供了借鉴。
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