（钢铁冶金专业论文）铜镁合金电车线的研究.pdf

兰型造型型生竺型生墨一塑塞 摘要 我国电气化铁路向高速( 2 0 0 4 0 0 k m h ) 发展是必然趋势。高速电车线要求 在保持较高导电率条件下，大幅度提高电车线的抗拉强度。根据现实与可能，国 产化的高速电车线将是铜镁、铜( 或铜合会) 包钢或铜锆铬材料。本文通过对电 车线材料的铜镁合余成分，熔炼工艺，性能展开全面、系统地考察研究，以期对 铜镁合金电车线的规模生产和应用打下基础。本文主要内容及成果包括： 通过参考同类设备的设计特点，自行设计了一台实验室小型竖直下引式热型 连铸机，并通过锡定向凝固实验研究，验证了该设备设计的可行性。 进行了连续定向凝固实验和温度测定，对传热和凝固过程进行了数值模拟， 考察了主要工艺参数对锡铸锭表面质量和内部组织的影响，及圃液界面形状 的变化规律。结果表明，型温、拉速、冷却水量等工艺参数主要是通过影响 固液界面的位霉和形状来影响铸锭表面及内部质量。在本文实验中，型温 2 4 4 2 4 8 ，拉速7 5 1 3 , 2m m m i n ，冷却水量在1 5 1 2 2 6k l m 2 r a i n 时，可获 得表面光亮，内部完全定向凝固组织的铸坯：当型温高于2 4 2 。c ，拉速7 5 2 0 4 m m m i n 时，则形成平整的固液界面和定向凝固组织；固液界面形状关系为 h ( m m ) = 5 0 2 2 6 6 5 7 8 v ( m s ) 一o 9 5 9 4 ( k ) + o 0 0 4 6 6 c ( l ，竹2 s ) 。 参照国内外电车线标准，通过实践并确定c u m g 合金的成分。通过建立合 理的连铸工艺，采用水平连铸方法拉制出0 3 3m m 铜镁合金棒材，并进行拉 拔处理，找到表面裂纹的成因并提出避免产生裂纹的方法，进而得到质量优 良的c u m g 合金材料。另外还用o c c 工艺拉出了0 2 0m m 铜镁合金铸锭。 实验表明，水平连铸铜镁合金的综合性能明显高于真空炉熔炼和0 c c 工 艺。对比铜镁合金性能随镁含量关系曲线，在 m 朗= o 6 时，电车线铜镁合 会的综合性能最好。经拉拔处理后，铜镁合金的晶粒变得细小，分布均匀， 从而提高了铜镁合会的综合性能。由水平连铸工艺制成的铜镁合金经进一步 拉拔，完全可达到国外同等水平。 关键词：电车线定向凝固c u m g 合金抗拉强度导电率 海人学侦i 。学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i ti san e c e s s a r yt r e n dt h a tt os p e e du pt h ee l e c t r i cr a i l w a yt o2 0 0 4 0 0k m h r t o t h ec o n t a c t c a b l ef o rh i g hs p e e dr a i l w a y ，t h eh i g hc o n d u c t i v i t ys h o u l db ek e p ta n dt h e t e n s i l es t r e n i g t hd e m a n d saf u r t h e ri m p r o v e m e n tg r e a t l y t h ec o n t a c t - c a b l e sm a d eb y t h ea l l o y so fc o p p e r - m a g n e s i u mo rc o p p e r - z i r c o n i u m - c h r o m ea r et h em o s tp r o b a b l e p r e v a i lt ot h er e a l i t ya n dp r o b a b i l i t y i no r d e rt og i v eab a s eo fc o p p e r - m a g n e s i u m a l l o y sp r o d u c t i o na n da p p l i c a t i o n ，t h es y s t e m a t i c a li n v e s t i g a t i o na n ds t u d y0 n c o p p e r m a g n e s i t t ma l l o y s c o m p o s i t i o n ，m e l t i n gp r o c e s sa n dp r o p e r t i e sa r ep r e s e n t e d i nt h i st h e s i s ，a n dt h em a i ns u b j e c t sa n dt h ec o n c l u s i o n sc a nb ed e s c r i b e da sf o l l o w s ( 1 ) c o n t i n n o u sc a s t i n gi st h em o s ti m p o r t a n tw a yt op r o d u c ec o n t a c t c a b l e ，a n d d i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o nc a l li m p r o v et h em a t e r i a l s p r o p e r t i e s as m a l lu p r i g h t h e a t e d - m o u l dc o n t i n u o u sc a s t i n g e q u i p m e n t w a sd e s i g n e da n ds e t t l e di nt h e l a b o r a t o r y ，a n dt h ep u r et i nd i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o nh a db e e ns t u d i e d ，i ti st e s t i f i e d t h a tt h ed e s i g na n dd e v e l o ps c h e m eo ft h ee q u i p m e n ti ss u c c e s s f u l ( 2 ) t h ee x p e r i m e n t so nc o n t i n u o u su n i d i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o n o f p u r e t i n a n d t h e c o n t i n u o u st e m p e r a t u r em e a s u r e sh a v eb e e nd o n ew i t ht h es e l g m a d ee q u i p m e n t t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fh e a tt r a n s f e ra n ds o l i d i f i c a t i o na n dt h ee f f e c to fv a r i o u s t e c h n i q u ep a r a m e t e r so nt h es u r f a c eq u a l i t ya n dt h em i c r o s t m c t u r eh a v eb e e nc a r r i e d o u t t h er e l a t i o no ft h es o l i d l i q u i di n t e r f a c es h a p ew i t hs o m et e c h n i q u ep a r a m e t e r s h a sb e e ni n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tv a r i o u st e c h n i q u ep a r a m e t e r sa f f e c tt h e s u r f a c ea n di n n e rq u a l i t yo fi n g o tb ya f f e c t i n gt h ep o s i t i o na n ds h a p eo fs o l i d - l i q u i d i n t e r f a c ei nt h em o u l d o n l yw h e nt e m p e r a t u r eo fm o l di sb e t w e e n2 4 4 2 4 8 c ，t h e c a s t i n gv e l o c i t y i sa b o u t7 5 1 3 2r a m r a i na n dt h ec o o l i n g 。w a t e rf l u x i si n 151 2 26 k l m 2 m i n ，t h e m i r r o r - s m o o t hs u r f a c ea n d i n t e g r a l u n i d i r e c t i o n a l s o l i d i f i c a t i o nm i c r o s t r u c t u r ec a nb eo b t a i n e d w h e nt e m p e r a t u r eo fm o l di sh i g h e r t h a n2 4 2 ca n dt h ec a s t i n gv e l o c i t yi sb e t w e e n7 5 2 04m r n m i n ，t h es t r a i g h t s o l i d l i q u i di n t e r f a c ea n d t h eu n i d i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ec a l lb ef o r m e d a l i n e a re q u a t i o no ft h es h a p ea n dp o s i t i o no ft h es o l i d - l i q u i di n t e r f a c ew i t ht h em a i n t e c h n i q u ep a r a m e t e r si sp r e s e n t e d ，w h i c hc a nb ed e s c r i b e d a sf o l l o w 沌人学坝1 1 学位论文 a b s t r a c t h ( m m ) = 5 0 2 2 6 6 5 7 8 v ( m s ) 一0 9 5 9 4 ( k ) + o 0 0 4 6 6 c ( l m 2s ) ( 3 ) t h ec o p p e r - m a g n e s i u ma l l o y sc o m p o s i t i o ni sm a d ec e r t a i nb yt h ee x p e r i m e n t a n dc o n t r a s tt ot h ea d v a n c e df o r e i g ns t a n d a r d ac o p p e r - m a g n e s i u mr o dw i t h3 3 m m i nd i a m e t e rh a v eb e e ns u c c e s s f u l l yp r o d u c e db yh o r i z o m a lc o n t i n u o u sc a s t i n g ，w h i c h w a se l o n g a t e da n df o u n do u tt h er e a s o no ff o r m i n gc r a c ka n dh o wt oa v o i di t ，s o e x c e l l e n tq u a l i t ym a t e r i a lw a sg a i n e d ac o p p e r m a g n e s i u mr o dw i t h2 0 m mi n d i a m e t e rh a v ea l s ob e e np r o d u c e db yo c c m e t h o d ( 4 ) t h ei n t e g r a lc h a r a c t e r i s t i c so fc o p p e r m a g n e s i u ma l l o yg a i n e db yh o f i z o n m l c o n t i n u o u s c a s t i n ga r es u p e r i o r t ot h a tm a d eb yv a c u u mm e l t i n go ro c c t e c h n o l o g y w h e nm a g n e s i u mc o n t e n ti sa t0 6 p e r c e n ti nt h ea b o v ea l l o y ，t h e m a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h e a l l o y i st h eb e s t t h ec o p p e r - m a g n e s i u ma l l o y s c h a r a c t e r i s t i c sc a nb e i m p r o v e db yr e f i n i n g a n du n i f o r m i n gi t s c r y s t a l a f t e r c o p p e r m a g n e s i u ma l l o y 。sr o de l o l l g a t e ，i tc a nc o m p l e t e l yr e a c ht h ea d v a n c e df o r e i g n s t a n d a r d i k e yw o r d s l c o n t a c t c a b l eu n i d i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o n c o p p e r - m a g n e s i u m a l l o y t e n s i l es t r e n g t h c o n d u c t i v i t y 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：惑玺蛰叁日期：趔! ! ：三：! j 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名 日期： 上塑兰! i 型! ：! 丝堕兰 塑二皇 第一章绪论 1 1 电车线材料及其发展 1 1 1 电车线材料 电力牵引用电车线在电气化铁路、城市轨道交通( 地铁、轻轨、无轨电车) 、 工矿电气化运输和起重系统等领域有着广泛的应用。现在世界已进入建设高速电 气化铁路的新时期，修建高速电气化铁路的国家越来越多，列车运行的速度越来 越高。特别是欧洲已经突破了国界，向路网化、国际化发展。高速电气化铁路已 经成为国家社会经济发展水平和铁路现代化的主要标志之一【”。 目前电车线材料主要有纯铜、铜合余、铝钢和铜钢四大类。纯铜电车线由 于强度低，已经不适合电气化铁路的发展了，复合会属化和铜合会化已成为发展 的必然。 复合金属电车线：我国通过改型生产的c g l n 2 5 0 铝包钢电车线有较多的生 产和使用经验，日本研制和试用了t a 。1 9 6 铝包钢电车线，其抗拉强度和导电率 较低。因此铝包钢电车线在准高速、高速接触网中的应用前景，似乎应在保持或 稍加提高电车线拉断力的条件下，尽量提高导电率。铜包钢电车线g t - c s 1 1 0 和g t - c s d 1 1 0 是由同本采用浸涂法研究开发的新产品，目前已进入试运行阶段， 并达到了预期的效果。前者抗拉强度和导电率分别为6 5 5m p a 和6 0 0 2 i a c s ， 后者则分别为4 9 3m p a 和8 1 1 i a c s 。 黄祟琪把铜合金电车线归结为以下几类：银铜合会类电车线，包括银铜和锡 银铜【2 。我国现己生产和标准化( 铁道系统行业标准) 的银铜和锡银铜电车线， 其性能已和德国产银铜电车线相当，但在电车线的平直度上尚需稍作改进提高， 以降低受电弓和电车线的离线率。锡铜合余电车线，日本早先在铁路中也采用银 铜电车线，后来采用含o _ 3 锡左右的锡铜电车线。我国己列入行业标准的锡铜 电车线，抗拉强度接近银铜电车线，但导电率稍低( 7 0 i a c s ) 。根据工程中 接触网设计的具体要求，可用于时速在2 0 0k m 以下的接触网中，现在法国在时 速为3 0 0 5 0 0k m 的接触网中研制和试用的锡铜一1 2 0 电车线，常温抗拉强度和导 堡型型壁垒堕墨 塑二翌 电率分别可达5 3 7 5m p a 和7 7 6 i a c s ，对照我国目前锡铜1 2 0 电车线，其抗 拉强度和导电率分别为3 6 0 8m p a 和7 0 ni a c s 。铬锆铜合金电车线，r 本开发 的p h c - 1 1 0 电车线，抗拉强度和导电率分别可达5 5 5 5m p a 和7 8 8 i a c s ，其 线密度为o 9 8 ，也比较低，但这种合金属于析出强化型材质，在生产中必须进行 热处理。将铬锆铜合会做成部件，在国外的合会) - e p 有生产和应用，但在我国电 线电缆厂中要做成大长度电车线，实现大规模的生产，还缺少此类大型的热处理 和熔炼设备，热、冷加工工艺，特别是大规模连续生产的热加工工艺尚需摸索。 镉铜合金电车线镉铜有比较高的抗拉强度和导电率，但在生产中由于镉有毒， 危害人体，在环保和劳保还没有妥善解决的条件下，是难于实现大规模生产的。 另一种重要的电车线材质是铜镁合金，目前抗拉强度和导电率分别达到5 0 3 m p a 和6 8 1 i a c s 。欧洲已用炉型不同的水平连铸法生产铜镁电车线，并正在 高速线路上试用。以下是各国高速电气化铁路用电车线及其悬挂张力简表f 3 】。 表1 1 各国高速电气化铁路刚电车线及其悬挂张力 法国德国1 7 t 本 线路东南大两 r e r e r e 新新方案方案 方案 线洋线 2 5 02 5 0 z3 3 0 y 干线方案13 悬挂方式弹简弹弹弹重重重露重 运营速度2 7 03 0 0 2 5 02 8 03 5 02 4 03 7 0 4 3 03 5 03 9 0 k r n h 一。 电车线型号 c u l 2 0c u l 5 0 c u a gc u a gc u m g c u l 7 0t a l 9 6 1 a 1 9 6c s l l 0c s l l 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 拉断力k n 4 2 9 65 2 14 204 2 06 0 o5 7 8 26 866 8 66 8 66 8 6 悬挂张力k n 1 42 0 2 l2 12 71 51 5 2 0 1 52 0 线密度蝇m 。 1 0 6 71 3 3 41 0 6 8 10 6 81 0 6 8i5 1 l0 7 5 8o 7 5 80 9 4 209 4 2 流动传播速度 4 1 24 4 l4 2 65 0 45 6 93 5 54 9 65 7 34 5 95 1 9 k m h “ 注：弹弹性链型悬挂，简简单链型悬挂重重型复链型悬挂。 坶人学砸l 学位论史 第一章 1 1 2 铜镁合金电车线研究的必要性 我国电气化铁路向高速( 2 0 0 4 0 0 k m h ) 发展是必然的趋势。对高速电车线 的要求是在保持较高导电率条件下，大幅度提高电车线的抗拉强度，根据现实与 可能，国产化的高速电车线可能是：铜镁、铜( 或铜合金) 包钢和铜锆铬等电车 线。 为实现电气化列车的高速化，必须在受电弓沿电车线高速滑行的过程中达到 稳定的受流状态哦。根据国外高速电气化列车实际的运行经验，当列车的运行速 度在波动传播速度的7 0 以下时，可以达到稳定的受流状态。电力机车受电弓沿 电车线高速滑动时，引起电车线上、下振动的横波，其波动传播速度您与电车 线的架线张力和线密度( 单位长度的重量) 有关，即k = 3 6 、f 形，。 y 尸 从上式可看到，随着列车运行速度的提高，必须增加电车线的架线张力或者 降低线密度。电车线允许使用的架线张力与电车线的拉断力( 抗拉强度面积) 有 关，若籍增加电车线的面积，以增加拉断力。但不能降低p 僮( 行车速度与波动 传播速度之l p ) ；再考虑电车线允许的磨耗和安全系数等因素，实质上是必须提 高电车线的抗拉强度。目前电车线对于强度与导电率两个性能指标，单方面地追 求其中之一而忽视另一方面都得不到最佳的使用效果，二者必须综合起来考虑。 如何综合地定量评估强度与导电率的关系，也就是如何量化综合性能，在电缆线 应用行业，毛协民等研究人员通过长期实践的经验提出了用m 指标来表示综合 性能，m = 辞o r , ，即m 是电车线抗拉强度a b 的平方与相对导电率研的乘积。 这个指标m 既包括了力学性能的作用，又体现了导电率的作用，因此能较好反 映电车线的综合性能。m 值越高，说明综合性能越好【4 】。 铜作为电车线的基本材料，有良好的导电性，但高温强度不足，要提高其力 学性能，就要使其合金化。分析国外最发达国家的电车线标准，可以确定，在这 些国家中，所有铜合金电车线，都因冷加工而产生硬化，而添加元素又与铜形成 固溶体，出于品格畸变也使铜硬化。在这些电车线中应当指出的是添加c d 、s n 、 a g 和m g 的电车线，而所有类型的铜合余电车线材料不应采用昂贵的合金添加 剂，在长尺寸坯料生产条件下要具有很高的工艺性，以便提供无接头电车线1 5 ) 。 上塑! 塑! 兰! 堡堡兰一 塑= 童 世界各国的高速电气化铁路电车线的悬挂张力已经从l ok n 提高到1 5k n 、2 0 k n 、2 1k n ，甚至高达2 7k n 【“。铜镁舍会电车线就是为适应2 7k n 悬挂张力而 研制丌发的，目前只有德国的技术比较成熟。德国在开发时速达3 3 0 k m 的r e 一3 3 0 型接触网中研制的镁铜一1 2 0 接触线已进入试运行阶段，并取得了预期的效果，其 强度高达5 0 0m p a ( 见表1 2 ) ，可承受很大悬挂张力，其截面又较小，有利于提 高电车线波动传播速度，提高列车运行速度i 们。 我国自主开发的铜镁合金带抗拉强度4 6 0 m p a ，伸长率5 0 ，导电率 6 2 i a c s 。它适用于在高温度和大电负荷下仍有高强度、耐磨、不软化、不氧 化要求的场合，填补了我国在高温、高导电率、高强度铜合金方面的空白。1 9 9 9 年铁道部科学研究院机辆所试制了铜镁合金电车线样品。2 0 0 2 年上海电缆厂研 制成功了我国第一根铜镁舍金电车线【8 】，但还没有实现工业化生产。本文就是在 这个背景下进行研究的。以下是我国研制的铜镁合金电车线主要性能。 表1 2 我国研制的铜镁合金电t - 线主要机电性能【3 电乍线样接断力 o b 8 弯曲 扭转3 6 0 9电阻率导电率附注 型号号，k n m p a 次数次数1 0 8 q mi a c s 德国铜镁 6 0 o5 0 062 7 7 86 2 1 资料 1 2 0 m m 研制样品 16 3 2 05 2 24 4 实测值 c l h m l 2 02 6 32 55 2 4 4 4 t b t 2 8 2 铜镁36 3 3 55 2 64 0 1 1 9 9 7 平6 32 05 2 44 3 1 01 2 2 3 9 17 2 1 均 c t h a 4 2 3 s3 5 03 o851 7 8 69 65t b t 2 8 2 1 2 0 铜银 卜1 9 9 7 c l 1 2 04 1 7 53 4 53 08317 6 89 75t b t 2 8 l 纯铜 o 1 9 9 7 海凡学碳j 学位论立 第一蠢 1 2 铜镁合金的性能及国内外研究现状 纯铜的强度不高，抗拉强度仅为2 2 5 2 3 5m p a ，布氏硬度约为3 9 2 4 9 0m p a ， 伸长率5 0 1 7 l 。采用冷作硬化方法可将铜的抗拉强度提高到3 9 2 4 9 0m p a ，布氏 硬度提高到9 8 0 1 1 7 6m p a ，导电率只下降2 i a c s 9 ，但与此同时伸长率急剧下 降到2 左右。因此要迸一步提高铜的强度，并保持较高的塑性，就必须在铜中 加入适当的合会元素使其合金化。进行合余化的重要依据是台金相图，元素在固 态铜中的极限溶解度大于0 2 ，可用于固溶强化。用作铜合金固溶强化的常用 元素是z n 、a t 、s n 、m n 、n i 固溶度均大于9 4 。有些元素如p t ，p d ，r n ， g a 等在铜中的固溶度也很大，但属稀贵元索，。_ 。般不用作合金元素。有些合金 元素如锑、砷在铜中的固溶度也较大，但因其使合会塑性下降，故也不用作固溶 强化元素。通过崮溶强化可使铜的强度由2 3 5 m p a 提高到6 3 7 m p a 。据以上原则 用作电车线材料的台会化元素多采用a g 、c d 、c r 、z r 、s n 、r e 等，以便尽量少 的降低导电率【1 0 1 1 】。本课题中，以m g 作为添加元素展开了研究。 1 2 1 铜镁合金的性能 1 2 1 1 镁对铜合金力学性能的影响 镁在2 0 。c 时的比重为1 7 4g g m 3 ，其晶格结构为密排的六方晶格，蒸汽压相 当高，具有强烈的氧化性。镁对铜镁合会力学性能的影响主要是延长持久断裂时 间及提高持久塑一t , it ”】( 图1 1 ) 。在强化过程中，存在一个最佳镁含量区域，低 于或高于它都得不到最佳强化效果，而且最佳含镁量随长期时效时间增加而减 ! p ，一般为0 0 0 5 0 0 1 ，随台会而异。据蠕变曲线对比，可咀肯定镁起到延 长蠕变第二阶段及发展蠕变第三阶段的作用，从而导致延长合盒的持久断裂时间 及提高持久塑性的效果。镁对蠕变速率的影响存在一些相互矛盾的结果，但即使 有些实验测出蠕变速率也因加镁而改变，其变化幅度较小。 不管是在疲劳优先破坏区还是蠕变优先破坏区，只要存在蠕变因素，镁就能 产生有益效果。镁对动态蠕变速度也有有益的影响，其规律恰与它对断裂时间的 产生有益效果。镁对动态蠕变速度也有有益的影响，其规律恰与它对断裂时问的 影响对应。 海人学坝一l 学位论文 第一章 1 2 铜镁合金的性能及国内外研究现状 纯铜的强度不高，抗拉强度仅为2 2 5 2 3 5m p a ，布氏硬度约为3 9 2 4 9 0m p a ， 伸长率5 0 1 7j 。采用冷作硬化方法可将铜的抗拉强度提高到3 9 2 4 9 0m p a ，布氏 硬度提高到9 8 0 1 1 7 6m p a ，导电率只下降2 i a c s 9 1 ，但与此同时伸长率急剧下 降到2 左右。因此要进一步提高铜的强度，并保持较高的塑性，就必须在铜中 加入适当的合金元素使其合金化。进行合会化的重要依据是合金相图，元素在固 态铜中的极限溶解度大于0 2 ，可用于固溶强化。用作铜合余固溶强化的常用 元素是z n 、a l 、s n 、m n 、n i ，固溶度均大于9 4 。有些元素如p t ，p d ，i n ， g a 等在铜中的固溶度也很大，但属稀贵元素，一般不用作合金元素。有些合金 元素如锑、砷在铜中的固溶度也较大，但因其使合金塑性下降，故也不用作固溶 强化元素。通过固溶强化可使铜的强度由2 3 5m p a 提高到6 3 7m p a 。据以上原则， 用作电车线材料的合金化元素多采用a g 、c d 、c r 、z r 、s n 、r e 等，以便尽量少 的降低导电率 ”。“。本课题中，以m g 作为添加元素展开了研究。 1 2 1 铜镁合金的性能 1 2 1 1 镁对铜合金力学性能的影响 镁在2 0 。c 时的比重为1 7 4g c m 3 ，其晶格结构为密排的六方晶格，蒸汽压相 当高，具有强烈的氧化性。镁对铜镁合金力学性能的影响主要是延长持久断裂时 间及提高持久塑性( 图1 1 ) 。在强化过程中，存在一个最佳镁含量区域，低 于或高于它都得不到最佳强化效果，而且最佳含镁量随长期时效时间增加而减 少，一般为o 0 0 5 一0 0 1 ，随合会而异。据蠕变曲线对比，可以肯定镁起到延 长蠕变第二阶段及发展蠕变第三阶段的作用，从而导致延长合金的持久断裂时间 及提高持久塑性的效果。镁对蠕变速率的影响存在一些相互矛盾的结果，但即使 有些实验测出蠕变速率也因加镁而改变，其变化幅度较小。 不管是在疲劳优先破坏区还是蠕变优先破坏区，只要存在蠕变因素，镁就能 产生有益效果。镁对动态蠕变速度也有有益的影响，其规律恰与它对断裂时间的 影响对应。 海人学删l 。学位论文 第一章 6 0 0 5 2 0 4 4 0 翟3 6 0 芎 。2 8 0 2 0 0 3 ：二“ 多夕 ，1 一一一二豸多 ； ， 0 2 04 06 08 0 变形度( ) 1 - - c u 2 一c u + 0 1 m g3 - - 0 3 m g 幽1 1 镁青铜强度与变形度的关系 镁微合金化提高了合会的持久塑性，从而是改善持久缺口敏感性的有效手 段。镁微合金化对力学性能的有益影响，经长期高温时效或长期高温使用后仍能 保持住，镁是平衡偏析元素。经高温长期暴露，其晶界偏析加剧，偏析层变薄。 在蠕变应力作用下，镁在晶界的分布可能发生变化。镁首先发生均匀化，或者更 可能是向另一些晶界转移。一旦蠕变孔洞形成后，又向沿晶蠕变孔洞富集，可以 推测，镁作为大原子将和空位组成原子空位对，它在应力作用下随空位而流动， 从而向蠕变孔洞集中，这一过程将降低晶界扩散系数，减慢蠕变孔洞的长大，从 1 1 0 0 1 0 0 0 9 0 0 8 0 0 p 7 0 0 划 赠6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 嘤 l l 斗n l 、 7 2 2 ， ， q尸3 9 7 十：u 锄e c u 2468 1 01 21 4 m g ( w ) 图1 2c u m g 台金相幽 6 海人学卿川学位论文 第一章 而延长蠕变第二、三阶段。除上述镁的晶界作用外，镁在相界的分布是重大问 题，另外有人发现镁还存在于- 相中。 由铜镁合金相图( 图1 2 ) 可知，镁含量较高时，c u m g 合金能进行热处理强 化；但由于合金元素含量高时，导电性及塑性降低，故镁青铜中合会元素含量很 低，不能进行热处理强化。为了进步提高强度，可采用冷变形强化。 镁有限固溶于铜【1 3 】，溶解度随温度下降而减少，含2 5 3 5 镁的铜合金可 借y 相( c u 2 m g ) ，从过饱和固溶体中析出而产生沉淀硬化，但是随着v 相含量 的增加，压力加工性能急剧变坏，所以实际应用的铜镁合盒，其镁含量仍小于1 。这类合金只能加工硬化，不能热处理强化( 图1 3 ) 。含0 1 0 ，3 5 镁的铜合 金( 杂质铁不大于o 0 5 ，杂质总和不大于0 1 5 ) 可代替镉青铜，用作工作 温度、电负荷、机械负荷较高时的接触环和换向板，含0 3 0 7 的镁和o 7 1 0 镁( 杂质铁均不大于o 0 5 ，杂质总和均不大于o 1 0 ) 的铜合金，用作电缆 和其它导线。 4 5 0 4 0 0 垦3 5 0 。3 0 0 2 5 0 、 、 、 、 o 2 0 04 0 06 0 07 0 0 退火温度( )c u o 3 l i g 幽1 ，3 退火温度对5 0 冷变形镁青铜的影响 1 2 1 2 镁对铜合金导电性的影响 一般情况下，形成固熔体时合会的导电率降低，电阻率升高，即使是溶质的 导电率比溶剂的导电率高时也是如此( 图1 4 ) 。固熔体电阻率比纯金属高，主要 原因是，溶质原子的溶入引起溶剂点阵的畸变，提高电子散射，使电阻升高。同 时由于组元l 、日j 化学相互作用的加强使有效电子数减少，也会造成电阻率的增高， 当溶质浓度较4 、时，固熔体电阻率p 。的变化规律符合马基申定律1 ，即： p 。= p 。1 + p 。2 = p ：1 + o 燮塑些塑堕! l 苎二童 1 0 0 8 0 ，、 鋈6 0 n - 嚣4 0 2 0 0 、g 、 蕊墓滁 = ：三 = 三 = 曝 ： 州 、 、 h 、 。 、 l、 、 、 、- 。i 。 、 m n h 、 迨= = s os i p c d c r c a z n z r n j s n b e a l 0 0 20 4o 6o 8 1 0 合金元素含j i | i = ( ) 削1 4 台金元素对铜合金导电性的影响 合金电阻由两部分构成，一是溶剂的电阻随温度升高而升高，二是溶质引起 的附加电阻，它与温度无关，只与溶质原子的浓度有关。固熔体有序化对合金电 阻有显著影响，异类原子使点阵的周期场遭到破坏而使电阻升高，而固熔体的有 序化则有利于改善离子电场的规整性，从而减少电子散射，使电阻下降。有些合 金形成不均匀固熔体，即固熔体中的溶质原予产生偏聚，使电子散射提高，电阻 增大。冷变形对固熔体电阻的影响如纯金属一样，也使电阻增大，所不同的是形 变对固熔体合金电阻的影响比纯金属大的多。共晶合余的硬度、强度及导电率与 相图之间的关系( 如图l 。5 ) ，从铸造工艺性能看，共晶合金熔点低，且是恒温 凝固，故溶液的流动性好，凝固后容易形成集中缩孔，分散缩孔少，热裂和偏析 倾向较小。固溶体合会的流动性不如纯金属和共晶合金，且液固线间隔大。而结 晶温度范围越大形成枝晶偏析的倾向越大，流动性越差，分散缩孔多而集中缩 孔小。 室温时镁在铜中的溶解度为lo 【1 5 】，a p a ( 衅c m ( 原子) ) = 0 _ 8 ，铜中 禽几种杂质时的电阻系数p ( “qc m ) 可用下式计算 p = 1 6 6 7 + a ( 原子) a p a a + b ( 原子) a p a s 少量的a i 、m g 、s i 能溶入铜锡合金的疆固熔体，提高合金的机械性能，但 在熔铸时容易氧化生成难熔氧化物，一方面会损坏锡青铜流动性，另一方面当这 些氧化物以夹杂物形式残留于铸锭中，会降低合余的强度，使铸件在水压试验时 出现废品。含5 s n 、1 m g 的铜合金，经沉淀硬化后，抗拉强度达8 8 8m p a ， 坠塑堂塑些 笙二翌 洛氏硬度h r c 为3 0 ，导电率3 0 3 5 i a c s ，可用于制作耐蚀、高强度并具有 定导电率的元件。 p 刨 廷 赳 鹫 ， 瑙 慰 将 掣 曲 p 赵 蟥 型 需 蠖 蜊 鬣 碚 aw baw b 幽1 5 相图与合金的硬度、强度即电导率之间的关系 1 2 1 3 杂质元素对铜合金塑性性能的影响 杂质元素对纯铜塑性性能的影响，主要决定于铜与杂质元素的相互作用。 当杂质元素固溶入铜时，影响一般不大，若杂质元素与铜低熔点共晶，则产生“热 脆”，即金属在共晶体熔点以上温度变形容易开裂；若杂质元素与铜形成的脆性 化合物分布于晶界，则产生“冷脆”，即金属冷变形时容易破裂。 1 2 2 铜镁合金研究现状 国内对铜镁合金的研究较少，而国外的研究多从微观的角度对铜镁合金的结 构、热力学及动力学特性作了分析。 k u c h e r e n k o 等采用线性函数的方法研究了c u m g 合金原子的能量分布问题 ”，并从原子衍射图像讨论了c u - m g 合金的结构，得出了c u 2 m g 台金具有复杂 的立方体结构，每个晶胞具有2 4 个原子。k u c h e r e n k o 假设其为简单的品格结构 b 2 型( c s c i 型) 和a 1 型( 面心立方结构) ，通过计算得到的a l 结构和b 2 结构 海人学倾i ”学位论义 第一章 符合的很好。h i n o 等采用质谱仪估计了c u - m g 合余组元活度的问题，发现在7 9 0 k t 3 0 5k 的情况下。所测得的组元活度和理想状态下的有所偏离，但在高温下 这种偏离就会变得很小【1 7 j ；在c u m g 合金中，当铜的摩尔分数为o 5 时合金溶 液产生最大的热值为一9 7k j m o l ，而r t l n y u g 和r t l n y c 。在定程度上依赖于温 度和合会的成分。t a k a h a s h i 等得到了不同温度和不同浓度的铜镁合会中的互扩 散系数 1 8 】，得到扩散系数d 在一定温度下随着m g 浓度的增大呈线性增长。 f e u f e l 等对c u m g 合金进行了动力学研究，通过在一定温度下采用相关的 模型计算液相和过冷液相的c u m g 合金的偏摩尔吉布斯自由能，得到了关于 c u m g 合金的重要的热力学数据，并通过中间合金的热熔焓，讨论了相平衡问 题卅。g k a y a y a m a 等将固念铜放入到熔融的c u m g 合金中，讨论了其溶解速率 问题，发现当铜的浓度低于1 0 时，c u 溶解率较低；当铜浓度高时，质量传输 系数随铜浓度的升高而降低，尤其是在超过3 0 c u 的浓度范围之内，c u - m g 系 的表面活化能是3 2 4 0 k j m o l 睇。 2 0 世纪8 0 年代，日本人椿野晴繁等发现，铜镁合金在时效过程中产生不连 续沉淀和连续沉淀，采用金相观察和微硬度测量法研究了不连续沉淀和连续沉淀 之间的关系以及含有不同镁的c u m g 合会的动力学问题，并发现了在过饱和的 c u - m g 合会中析出c u 2 m g 相q “。 而b a c k h a u s r i c o u l t 等研究表明，铜和镁合盒在9 0 0 ，不同的氧化学势下， 被氧化形成两种m g o 沉淀( 正八面体沉淀和大的烧结矿) ，不同的沉淀有不同 的形成机理，在高或低氧含量下只生成小的正八面体沉淀，它们的形态随着氧活 度的提高而有规律的从立方体向八面体转化1 2 。 对于铜镁合金的时效硬化行为，c h a i m 等对c u - 3 5 m g 合金进行了研究发 现：淬冷试样可以看到细小的球状沉淀，非常均匀地分布在基体上；3 4 0 时效 产生具有一定规模的群集沉淀均匀分布在基体上，3 4 0 c 下，继续时效，一个新 的八面体形态的结构形成：在3 4 0 4 5 0 之间的高温时效下产生连续和不连续 沉淀，不连续沉淀在孪晶和晶界处形核，并向晶粒内部生长；4 5 0 以上时效可 以看到c u 2 m g 呈面心立方结构，时效过程中可以看到两个不同的平衡相沉淀形 态最初的时效过程中的盘状沉淀和时效过程中基体上生长的薄的六面体颗粒 【2 3 】。一般来说，在时效硬化体系中，随元素加入量导电率是下降的1 ，但d a h l o j 塑壁堕堂塑羔! 二 塑二童 等发现在沉淀过程中，c u 3 5 m g 合会中导电率和硬度是同时上升的 2 5 。由于 在此时已经超过了m g 在c u 中的最大固溶度2 6 1 ，所以体系中包含两相。 t s u b a k i n o 等研究了关于铜镁合会的自由沉淀区问题，讨论了关于自由沉淀 区p f z ( p r e c i p i t a t i o n - f r e ez o n e s ) 的影响因素。结果发现，p f z 主要受m g 含量 和时效温度的影响：其形成受真空度的控制；而不连续沉淀的长大行为和p f z 无关，和连续沉淀有关 2 7 1 。在时效的最初阶段，在晶界处形成不连续沉淀，晶 粒内部没有沉淀，随着时效的进行晶粒内部开始形成连续沉淀，在时效的最后阶 段产生更多的晶界。如果不考虑镁含量和时效温度的影响，晶胞的形核和长大主 要依靠相邻两个晶粒的微观晶向确定，合金的晶胞密度比较低，在还没有形核的 晶界处，可以看到棒状均匀沉淀，高温相对于淬冷温度的影响最大。 对于用于电车线材料的铜镁合会来说，如何从微观的角度找到影响其性能的 因素，并在尽量小的降低导电率的情况下提高抗拉强度的研究还比较少，目前只 有德国的技术比较成熟。高导电率铜镁合余是在纯铜中加入微量合金元素镁和 磷，它充分利用了纯铜优良的导电、导热和耐蚀性，克服了纯铜强度低、耐磨性 差、高温下易氧化、易软化的缺点。从而提高其强度。 作为电车线材料，关键在于成分的选择。对于c u m g 系合会，应以满足使 用要求作为主要任务，其条件是尽可能降低电耗，在热作用下要保证不过度软化， 而且强度状况和耐磨性适中。在此情况下，允许的镁含量为o 。0 4 0 0 8 。在必须 达到高强度、高耐磨性和耐热性时，在保持使用低导电性电车线的