（材料物理与化学专业论文）轻轨列车用异步牵引电动机专用铜合金的研究.pdf

摘坚 摘要 论文以城i 轻轨列= ! ；f 三异步牵引r b 机j = f _ j 铜合金导条为研究背景，研究j i ： 发，【1 l l ，l o z n 08 ( c l z r ) 合会导祭的制备【艺，测试了导祭的硬发、拇伸 力学性能和导电性能，观察r 导条的金相鲴织和电镜显微组织，重点研究 了叫效处理对导条组织、力学性能和导电性能的影响，得出了导条组织、 性能随时效温度和时效n 寸问变化的规律。研究结果表明： l c u 1 0 z n o8 ( c l 劢) 是典型的时效强化型合会，在4 5 0 下州效4 小 叫，获得了力学性能和导屯性能的良好配合。其抗 t 强度为4 5 4 m p a ， l f 服强度为4 0 0 m p a ，延f i | ；率为l59 ，r b 阻率为40 8uq c l n 。 2 导条力学性能随i j 寸效温度升高和叫效时间延氏而先升高后f 降，4 5 0 4 h 州导条力学性能最佳。导祭电阻率随| 1 ：j 效湍度引l 蔫和州效州m 延k 嗬逐渐降低，4 5 0 4 h 以后电阻率下降很缓慢。 3 【= i 1 条高强度是同溶强化、形变热处理强化、析m 强化多种强化机制作 川的结果，但析出强化是导条主要的强化机制。州效过程中先后发生的叫 复、第二：j h 析出是导条导电性能获得恢复的主要原因。 4 州效处理刑导条组织和性能的影响是因为州效过程巾先后发生了 j i 复、再结品和第j 相析出。这三个过程相互作刖、相互影响，共同决定吲 效过程中导条组织和性能的变化规律。刑于c u 1 0 z n 08 ( c r ，z r ) 合会来 说，折山过程先_ _ ：r 再结晶过程发生，折出过程划冉结品过程具有阻碍作1 1 j 。 关键词：铜合金，导条，州效处理纽彭 ，力学性能，r b m 率 中南= 学硕上学位论文 a b s t r a c t w i t ht h eb a c k g m u n do fs t u d y i n gc o p p e ra i l o yb a rf o ra s y n c l l r o n i s m t r a c t i o ne l e c t r o 加d t o lak i n do fc o p p 盯b 缸a n di 虹p p a 阳t i o nt e c i l n i q u e sa r e d e v e l o p e d ， a n di t sh a r d n e s s ，t e n s i l e p m p e r t i e s ，e l e c 仃i c a lp m p e r t i e sa n d m i c m s t n l c t u r ea r es t u d i e d f u r t h e r m o r e ，t h em l eo fs t r u c t u r e 如dp r o p e r t i e s c 1 1 a n g i n gw i t hh e a t t r e a t m e n li se s p e c i a l l yi l l u s t f a t e d t h er e s u l t ss h o w ： t h e n r s t ， t h e r ei so b v i o u s a g i n gs t r e n g d l e n m g e 艉c ti n c u lo z n o8 ( c z r ) a 儿o y 1 h e o p n m a jp f e p a r a t j o np r o c e s s o fb a fj s e x t r u s i o n q u e n c b - c o l d d r a w i n g a g i n g ( 4 5 0 4 h o u r s ) t h e i e n s i l e s t r e n g t h ，y i e l ds t r e n g t h ，e l o n ga l i o np e r c e m a g ea n de i e c t r i c a lr e s i s t a l l c er a t e a c h i e v e d4 5 4 m p a ，4 0 0 m p a ，1 59 a i l d4 0 8uq c me a c h t h es e c o n d ，t h es t r e “g t ho fb a rr a i s e sw i t hi n c r e a s i n go ft h ea 百n g t e m p e r a t u r ea i l dt j m e ，a n dt 1 1 eb a rs t r e n 昏ha c h i e v e dm a ) 【i m u mw h e nt r e a c e d b ya g i n g4 5 0 4 j 1 0 u i s ，t h e nw j t h 山ei n c r e a s i n go ft 1 1 ea g i n gt e m p e m t u f ea | 1 d “me 1 j i b c g a nt od e c r e a s e 1 1 1 ed e c t m n j c 戚s 伽】c er a t eo fb a rg r a d u a j j y d e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n go ft h ea g i n gt e m p e r a t u r ea n dt i m e ，b u ta f t e ra g i n g 4 5 0 ，4 h o u r s ，i td e c l i n e sr a r e l y t h et l l i r d ，t h eh i g hs t r e n g t ho f b a ri sc a u s e d b ys o d s o l u t es t r e n g t h e l l i l l g ， d e f o r l l l a t i o n h e a t _ t r e a t m e n ts t r e n g t h e n i n ga n dp r e c i p i t a t es t r e “g t l l e n m g ，b u t t h ep r e c i p i t a t es e n g t l l e n i n gi st h ej e a d i n gs t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m1 _ 1 1 e r e v e r s i o n 柚dp r e c i p i t a t i o no ft h es e c o n dp 1 1 a s ew h j c ho c c u r sd u r j n gt h ec o u r s e o f a g i n gr e s u l ti ne l e c t r o n i cc o n d u c t i v i t yr e v e r s i o no f b a l t h ef o u r t h ，i nt h ep l o c e s so fa g i n gt r e a t m e n t ，r e v e r s i o n ，p r e c i p i t a t i o na n d r e c r y s t a l l i z i n go c c u r ss u c c e s s i v e l ，t h e yi n t e r a c ta n di m p a c te a c ho t l l e la n d d e c i d et h es t r u c t u r ea n dp r o p e m e sc h 蚰g i n go f b a la sc u _ l o z n _ o8 ( c l z r ) i s c o n c e 眦d ，p r e c i p i t a t i o n e c e d e sr e c r y s t a m z i n g 柚dp u to f r r e c r y s t a i i i z i n g k e y w o r d s ：c o p p e rb a la g 衲gt 耻a t m e n t ，s t 川c t i l r e ，m e c l 】a n i s mp e r f b m l a n c e ， e l e c t c a lr e s i s t a n c er a t e 中南大学硕士学位论空 第一章：文献综述 第一章文献综述 1 1 国内外城市轨道交通的发展概况及趋势 1 1 1 国外城市轨道交通发展概况 随着人类社会文明的发展，世界城市化水平进一步提高，现代城市人口稠 密、活动频繁，人们出行的节奏加快，必然要求便捷、安全、舒适、价廉的交 通方式。出于环境和能源方面的考虑，电力牵引的轨道交通已经被世界公认为 现代大城市公共交通的主要方式。 轨道交通与城市其它交通工具相比，除了能避免城市地面拥挤和充分利用 空间外，还有很多优点【l 卅：一是占地面积少，轨道交通的占地面积是高速公 路的三分之一，但运营能力是公路交通的1 0 倍，这是任何城市交通工具所不 能比拟的；二是速度快，地铁列车在地下隧道内风驰电掣地行进，行驶的时速 可超过1 0 0 公里，美国旧金山地铁的运营时速高达1 2 8 公里：三是污染少，地 铁列车以电力作为动力，不存在空气污染问题。 城市轨道交通主要由城市地铁、市郊铁路、城市轻轨三大部分组成。自 1 8 6 3 年伦敦建成世界上第一条地铁，1 ：始，城市轨道交通已有近1 4 0 年的历史， 城市轨道交通已经成为国际上发达国家和地区解决城市交通难的有效措施 口。j 。尤其是二战后，城市公共客运的快速增长，将地铁与轻轨交通建设推向 了高潮。第二次世界大战结束时，全世界只有2 0 座城市有地铁，而现在有地 铁的城市已超过1 0 0 座，线路里程突破7 0 0 0 公里。日本于1 8 7 2 年开始建设地 铁，现己形成发达的市际、市内轨道交通网，到1 9 9 5 年止，单东京的城市圈 轨道交通网的规模已超过2 3 6 5 k m 里程，其中地铁2 7 5 k m 。值得注意的是，东 京都市中心、副中心的轨道交通网规模甚至己超过我国一些城市干线道路、甚 至普通地面道路的规模( 见表l 1 ) 。加拿大于1 9 5 4 年建成第一条地铁，现 已在多伦多、温哥华、蒙特利尔等城市开通地铁。由于重轨系统造价高，加拿 大于7 0 年代开始研究轻轨交通系统，现在已经建成4 条轻轨线路。在发展中 国家和地区，韩国1 9 7 4 年建成第一条地铁，到现在为止，汉城的地铁网络总 长己达2 0 0 公里。墨西哥城已拥有1 1 条地铁线，总长达1 9 l 公里，新加坡、 台北等她也已建成比较完善的快速轨道交通系统。 目前，发达国家的许多大城市，如纽约、巴黎、伦敦、柏林、东京及莫斯 科等都己形成比较完善的城市轨道交通网络卜”。这些城市的轨道交通基本上 中南大学硕士学位论文 第一章：文献综述 覆盖了整个市区，轨道交通已经成为这些城市的主要公共交通工具如东京地 铁的年客运量达2 5 亿人次，占全城总客运量的8 7 ，莫斯科地铁的年客运量 达2 6 亿人次，占全城总客运量的5 4 ，伦敦地铁的年客运量达8 1 5 亿人次， 占全城客运量的6 l ，纽约、墨西哥城地铁的年客运量也超过1 5 亿人次，约 占全城客运量的6 0 。 在新的世纪初，由于城市人口迅速增加，车辆增多，交通拥挤仍是世界大 城市迫切需要解决的问题。由于轨道交通具有占用道路资源少、人均能耗低、 污染少、快速准点、安全舒适等优点，自然成为各国解决城市交通拥挤的首选 方式，快速、现代化的轨道交通已成为城市交通现代化的重要标志之一。 表i i东京市中心与副中心的铁路条数 新宿副池袋副上野副涉谷副 区域名称中心区 中心区中心区中心区中心区 区域交通 ( k m 2 ) 54 6350 7 80 4 5 1 4 轨道现 2 51 41 01 1 9 交通状 轨道规 数 划 2 51 6l ll l1 0 1 1 2 国内城市轨道交通的发展状况 我国的轨道交通始于1 9 6 3 年开始建设的北京地铁一线( 全线长2 3 6 k m ) ， 至今有近4 0 年的历史，现已经发展到4 座城市，轨道交通里程共计1 1 8 4 k m 。 与发达国家相比，我国的城市轨道交通具有以下特点卧”l ：一是起步较晚， 我国第一条地铁北京一线始建于1 9 6 3 年，比英国伦敦晚1 0 0 年，布达佩斯于 1 8 9 6 年开通地铁，波士顿在1 8 9 7 年，巴黎在1 9 0 0 年，纽约在1 9 0 4 年先后开 通了地铁。到二十世纪初欧美的主要大城市都已建成地铁网：二是发展缓慢， 由于受技术和资金的限制，我国城市的轨道交通建设发展相当缓慢，目前开通 地铁的城市也只有4 座( 北京、上海、天津、广州) ，轻轨也只在东北的少数 城市，如哈尔滨、长春等地，承担正常的客运。而一些与我国同时起步和比我 们更晚起步的国外城市却比我们发展快，如汉城的地铁建设比北京晚9 年，但 现在汉城所拥有的地铁里程已超过我国地铁里程的总和；三是轨道交通客运量 占城市公交总客运量的比重低，如北京地铁的客运量只占全城总客运量的 中南大学碳，l 学位论文第一章：文献综述 1 5 ，远低于国外犬城市；四是轨道交通所霈设备主要依靠进口，轨道交通建 设费用蕊，侧如上海地铁二号线辆广州地铁一号线，每公里的造价达约s 亿人 甓币，瓣为死孚瓣露鹅设备帮技术巷是逡辆豹。 。 近年来，我国城市轨道交通建设的步伐大大加快，北京、上海、广州、深 圳先后”始新建多条地铁和轻轨系统i l ”。如1 9 9 5 年建成的上海地铁一号线， l 野9 年1 0 男嚣逶豹海楚铗= 号线，2 钓o 每1 2 胃转遥豹我垂蓠条亵絮轻孰 系统上海明珠线，1 9 9 9 年6 月开通的广州地铁一号线。目前在建的有北京地 铁5 号线北京高架轻轨八通线，广州地铁二号线，上海地铁号线北延工程， 上海明璩线二期工程，毒京地铁褒j e 线一期王摇等。零世纪视，我疆城市孰道 交通系统将达裂2 公里。 1 1 3 我国城市轨道交通熊设的趋势 照骜经济的发矮裙人目熬迅遽增加，我霹大城市入口迅速增加，城市纯水 平夫丈摄商。割年，中餐城市纯水平融达3 5 ，城市大鞫_ 遮4 亿6 千万。 目前，约有4 0 座城市归类为太城市，人口超过1 0 0 万，其中8 个城市人口超 过3 0 0 万。随之而求是大城市客运量急剧上升，加之我国城市的公搀交通发展 隶平较鬣，篌褥大辘藩交逶据揆，琢壤瑟纯。这秘落嚣豹城市交邋严重魏碍了 我国大城市的进一疹发展，因此发展城市轨道交通系统已经势在必行。近年 来，许多城市，如j b 京、天津、上海、广州、深圳、南京、重庆等都出台了轨 道交逮建竣焱怒h “”。 北京是世界上鼹大的城市之一，也是人i 密度最大的城市之一，在道路建 设上已经投入很大，但缺少道路空间的情况将至少延续到下个十年。因此北 褒诗划氍建1 2 条麟线，在未来的五年内建成望京支绒敷毒颐线：上海计划建 成西条帘域侠线，七条地铁线，磊条轻孰线，篌垒市轨道交通总长选8 0 0 公里， 目前上海已建成二条地铁线，两条正在建髓中；广州除了建成地铁一号线外， 已动工地铁二号线，连结耨国际机场的轻轨和地铁四母线也在计划中；深圳攫 翊建设 3 条鞔遒交遥线，其中三条由瑰鸯铁路改造为郊嚣铁路。滚朝辘市孰 道交通规划见表1 2 。武汉、青岛、重庆、南京、沈阳、长春、成都和哈尔 滨都渴黧有自己的轨道交通。 毽怒我国弱孰遴交遵建竣添存在诲多澜蘧，其审美键夔阉题怒变现轨道交 通国产化。目前，我国的轨道交通建设主要依靠进口设备，饲如上海地铁二号 线和广州地铁一号线，几乎所肖的设备和技术都是进口的，每公里的造价约8 识a 民零。大量鼗羧遴日造成我国城市孰递交通建设、维修鞠运罄成本昂贵， 中南大学碗士学位论文 第一章：文献综述 这是过去限制我国城市轨道交通发展的主要原因。国产化可以把地铁的每公里 造价降至4 亿5 千万元，轻轨每公里造价降至2 亿5 千万元人民币，每辆地铁 车辆的费用将从进口的1 9 0 万美元降到国产的4 0 万美元。轨道交通的国产化 是我国城市轨道交通发展的先决条件，国产化不仅可以使我国轨道交通建设更 能负担得起，而且给国内制造商，如铁、钢、水泥、列车、建筑材料、空调、 机电设备等提供了重要的订单。为此1 9 9 8 年国家计委强制性地规定，所有设 备和技术必有保证有6 0 的国产化率。目前，我国在轨道交通建设方面已有 一定的技术基础和制造能力，但与国际水平相比，还有很大差距，还不能很好 地满足市场的需要。这主要表现在一些关键技术上，如牵引动力系统，行走系 统的低噪音，铝合金轻量化车体等，在轨道交通国产化的进程中这些将是我们 的技术主攻方向。 表12 深圳市轨道交通网规划线路表 编 线路层次线路名称起终点 线路长度 号 ( k m ) l市区线l 号线 深圳火车站一宝安中心 2 9 1 2 市区线2 号线 福田中心区一南山前海火车站 2 1 2 主线 福田中心区一龙岗中心城 3 8 1 3 市区郊区线3 号线 支线龙岗中心城一坪地、坪山 2 36 a 段 皇岗口岸龙华拓展区 1 6 8 4 市区郊区线4 号线 b 段 龙华拓展区一观澜 1 0s 5 市区支线5 号线 南山蛇口一西丽 1 9 0 6市区支线8 号线 罗湖一盐田 1 4 6 7 市区支线9 号线 f 沙村一布心村 1 6 8 8 市区支线1 0 号线 车公庙一国贸站 2 0 - 3 9郊区线6 号线 宝安中心一公明 3 7 5 1 0 郊区线平南铁路改造 平湖站一妈湾站 3 8 5 中南 学硎上学位论文第一章：文献综述 2 l 世纪将是中国城市轨道交通的新纪元，人们对接纳更多地铁和轻轨交 通必要性的认识将至少使2 0 个大城市进入城市轨道交通市场。在本世纪初， 我国可能建造3 3 条地铁和轻轨线路，总长6 5 0 公里，总投资将达1 3 0 0 亿，需 要轨道交通车辆2 0 0 0 多辆。据国家计委交通研究所预测，2 0 2 0 年中国将拥有 超过5 5 0 公里的地铁线，2 0 5 0 年，若包括轻轨线路在内将达2 0 0 0 公里，这样 我国城市轨道交通系统将能承担5 0 、甚至高达8 0 的城市客运量。 1 2 高强导电铜合金的设计基础 1 2 1 合金的高强度设计 纯铜以其优良的导电、导热、耐磨、耐蚀性能和工艺性能而被广泛应用于 机电、i u 工、i b 子等行业。但纯铜在软态下的强度较低，特别是抗商湍变形的 能力差，越来越难以满足现代工业的发展对高强度高导电性铜合金的需求。合 金化虽然提高了铜的强度，但降低了铜的导电性和导热性，因此在尽可能不降 低铜的导电性和导热性的前提下，提高其强度以达到导电性和强度的良好配 合，始终是研究和制备高强导电铜合金的主要任务之一。人们采用了多种方法 来强化铜台金，目前已达到实用阶段并广泛应用的主要有细晶强化、形变强化、 固溶强化、析出强化、弥散强化、形变热处理强化。 1 2 1 1 细晶强化 细化晶粒能强化金属，主要是由于晶界可以阻碍金属的塑性变形和位错运 动。品界对金属材料力学性能的影响主要有以下二种机制：二是晶界与位错发 生相互作用，对位错运动具有阻碍作用。实验证明，晶粒尺寸与金属屈服强度 之间的关系可用h a l i - p e t c h 公式来描述： 口，= j o + 留“2( 11 ) 式oo 为一常数，相当于单品体金属的屈服强度，d 为多晶体中各晶粒的平均 直径，k 是一个与晶体结构有关的常数，表征晶界对强度影响程度。 由于晶体的传导性与结晶的取向无关，所以晶粒细化仅使晶界增多，而晶 界对合金的导电性影响远不如固溶原子和第二相的影响，所以细化晶粒对铜的 导龟性影响很小。 1 2 1 2 形变强化 形变强化是通过变形在金属基体中产生大量位错，高密度的位错相互交 q 】南大学硕上学位论文第一章：文献综述 截，形成割阶，使位错的可动性减小。研究表明形变强化的效果与金属中的位 错密度有关，维持金属塑性流动所需的分切应力t 与位错密度p 的关系可用下 式表示1 1 7 l ： r = f o + a p v 2 ( 1 2 ) 式中- o 表示没有位错干扰时所需的分切应力，a 为经验常数，a 的大小与剪 切模量g 和位错的柏氏矢量b 有关。一般退火态的金属位错密度在 1 0 叱1 0 8 c i i l ，c m 3 ，表现为强度、硬度较低，当冷加工后，其位错密度可达1 0 “ 1 0 ”c r i l ，c m 3 ，此时其强度、硬度大大提高。纯铜冷拉后，强度可增加到3 0 0 m p a 以上，塑性则随变形量的增加而降低。变形过程中产生大量的点缺陷和线缺陷 一方面使铜的强度提高，另一方面会对电子的运动产生强烈的散射作用，使铜 的导电性有所下降。 虽然形变强化在提高铜的强度的同时，保持了铜的高导电性，但单一的形 变强化对强度提高的贡献有限，且形变强化所获得的较高强度在随后的回火过 程中很快消失，因此形变强化常和其它强化方式一起使用。 i 2 1 3 固溶强化 固溶强化是利用金属材料内部的点缺陷对金属基体进行强化。铜中加入合 金元素形成间隙式或置换式固溶体时，溶质原子会引起铜晶体发生点阵畸变， 在溶质原子周围形成应力场。该应力场与位错周围的弹性应力场交互作用，结 果增加了位错运动的阻力，产生固溶强化效果。 常见的固溶合金元素有s n 、a g 、c d 、r e 、b 等l ”。】，这些元素的在铜中 的含量大都在l 以下。如在铜中加入o 2 1 的a g 后，导电率仍保持在 1 0 0 i a c s ，形变强化后，其强度可达4 0 0 m p a 以上。但是合金元素对铜的强 度和导电性的影响是一对矛盾，合金元素在提高铜的强度的同时，会显著降低 铜的电导率。 固溶强化的根本原因在于溶质原子与位错交互作用，这种交互作用是多方 面的，溶质原子对位错运动的钉扎作用是主要的强化机制。对于稀固溶体，位 错运动的临界分切应力的增量t 可表示为7j ： r ：朋v 2 ( 1 3 ) 式中k 为综合考虑了尺寸因素和溶质原子有效弹性模量因素的强化参数，x 为溶质的摩尔分数。而根据m o t t - n a b b a m 的理论，当溶质浓度小于1 的铜 中南人学硬上学位论立第章：文献综述 合金，其屈服强度可用下式表示： r 。= 2 5 卢s “3 c( 1 4 ) 式中u 是母相的切变模量，c 是溶质原子的浓度，e = l ，a ( d a d c ) 。因此溶质 原子与溶剂原子之间的尺寸差别越大，e 就越大，强化效果就越明显，此外溶 质原子引起非对称点阵畸变时的强化效果比引起对称点阵畸变的强化效果更 好。除浓度和尺寸因素外，溶质原子的有效弹性模量也是影响固溶强化效果的 因素。 1 2 1 4 析出强化 铜合金析出强化的基本原理是加入室温下固溶度很低的合金元素，通过高 温固溶处理，形成过饱和固溶体，造成铜的晶格严重畸变，强度提高而导电性 恶化，然后经时效处理后，大部分合金元素从基体中析出，形成弥散分布的沉 淀相，这些弥散的沉淀相能有效阻碍晶界和位错的移动，从而提高铜的强度。 由于固溶原子所引起的晶格畸变对电子的散射作用比第二相对电子的散射作 用强得多，所以时效处理后，材料的导电性又恢复到较高的水平。 目前研究开发的时效强化型导电铜合金主要有c u c r 、c u z r 、c u c r _ z r 、 c u _ f e 系合金，而以c u c r 、c u - z r 、c u c 卜z r 合金的发展最为迅速【2 2 1 。部分 时效强化型合金的力学性能和导电性见表1 3 。 析出相对金属的强化主要是通过第二相粒子与位错之间的相互作用来实 现，根据奥罗万( o r o w a l l ) 的观点，强迫位错绕过颗粒所需的附加切应力为： r - 一 f ：，胆!( 卜5 ) 。 v 石6 r 式中f 是各析出相的体积分数，t 为位错的线张力，r 为析出相颗粒半径，b 为位错的柏氏矢量。 当位错与颗粒之问的斥力较小时，位错将直接穿过颗粒，将颗粒分为两部 分，并使切割面产生一个柏氏矢量的相对位移。在此种情况下，析出粒子引起 的临界剪应力的增量为1 ： a f = 1 1 8 f 培割2 r 副6 r ，6 ( 1 6 ) 式中r 为颗粒半径，f 为析出相的体积分数，b 为位错的柏氏矢量，u 是 母相的刚性模量，= 1 a ( d “d c ) 。 中南大学硕士学位论文 第一章：文献综述 表l 一3 沉淀强化型高强导电铜合金的性能 合金的化学成份极限拉伸强度电导率 台金 ( w t ) ( m p a ) ( i a c s ) c u - o 3 z r4 2 09 2 c u - o 4 z r 4 5 0 5 0 0 8 5 锆铜 c 咖5 z r4 8 28 3 c u _ 03 z 卜0 3 4 c r 4 6 08 4 c u 05 c r4 5 0 5 叩8 0 8 5 c u 一0 4 c 卜02 z r5 3 9 “3 78 0 c u o 9 c 卜0 _ 3 c d6 0 08 5 铬铜 c 咖2 7 c 卜0l l z 卜o 0 5 m g5 1 58 3 c u 一0 6 c r _ 0i z 卜01 3 m g5 8 68 5 c 咖3 c r _ 01 z 卜00 5 m g5 9 08 2 c 们1 f 咖o 】p4 0 09 0 铁铜c u _ 0 1 5 f e - o0 5 p - 0 1 s n 一0 1 a g - o 1 z n5 5 08 0 c u 一2 3 f e 加1 z n 一00 3 p4 5 06 0 1 j 1 5 弥散强化 弥散强化的原理也是通过第二相来强化金属基体的，只是引入第二相的方 法与析出强化不同。析出强化的第二相是直接从过饱和的固溶基体中析出，故 称析出强化，后者的第二相则是通过人工直接加入、原位反应或内氧化等方式 引入。根据第二相颗粒的引入方式不同，将制各弥散强化的高强导电铜合金的 方法分为两类：一是人工复合材料法，二是铜基原位反应法。 人工复合材料法是通过人工手段直接向铜基体中引入第二相颗粒、晶须或 纤维等对铜基体进行强化，其中氧化物弥散强化铜( 0 d s 铜) 是近年来发展 十分迅速的一种。o d s 铜通过向铜基体中引入细小、分布均匀、具有良好热 稳定性的氧化物颗粒，如a 1 2 0 3 、z r 0 2 、y 2 0 3 、t h 0 2 等来强化铜基体。 原位反应法是指往铜基体中加入某些合金元素，再通过一定的工艺和方 中南大学碗士学位论文 第章：文献综述 法，从铜合金内部原位生成增强体。这类材料中的增强体与基体有良好的界面 相容性，因此与传统的人工外加增强体的材料相比其强度大幅度提高，同时 保持较好的韧性和高温性能。表l 一4 列出了几种弥散强化铜合金的力学和电 学性能o “”。 表l 一4 弥散强化型高强导电铜合金的性能 合金的化学成份极限拉伸强度 电导率 合金 ( w i )( m p a ) ( i a c s ) c 卜0 2 a 1 2 0 3 4 2 5 9 2 弥散无氧铜 c u - 0 4 a 1 2 0 3 4 9 58 9 t i b 2 增强c u 一2 5 t i 岛 6 7 57 6 4 t i b 2 的体积分数为2 5 1 2 1 6 形变热处理强化 形变热处理是同时利用塑性变形和热处理进行强化的工艺方法。形变热处 理过程中，合金既有机械力引起的组织结构及形状的变化，又有热引起的组织 变化，二者相互作用、相互影响。 形变产生的大量位错在回复过程中形成稳定的亚结构，造成亚结构强化， 同时亚结构会直接影响热处理时固态相变的特征。形变过程中产生的大量位错 使脱溶过程加速，脱溶产物的量增多，且更弥散。在热处理过程中，如果回复 过程先于析出过程，则由于回复的多边化过程使得位错的分布和密度发生改 变，析出相质点的分布及其密度也会发生相应改变。而大量沿位错析出的弥散 表l 一5不同处理态c u 1 c r 的力学与导电性能 材料状态导电率( i a c s )抗拉强度( m p a ) 延伸率( ) 淬火 4 52 3 56 0 淬火+ 时效 8 24 5 22 5 淬火+ 2 5 冷变形+ 时效 8 05 4 99 质点对位错运动具有强烈的钉扎作用，使位错的运动更加困难，从而提高材料 的强度。表1 5 给出了不同处理态下c u 1 c r 合金的力学和导电性能，可 中南人学硕上学位论文第一章：文献综述 阱看出，形变热处理明显提高了合金的强度，而导电性下降不明显。 i 2 2 合金导电性设计 1 2 2 1 纯金属导电的一般理论 金属的导电是由自由电子运动引起的，早期的金属自由电子理论将金属中 的电子描绘成像密闭容器中的气体分子那样运动。并且假定品格点阵是不动 的。事实上，金属中可以自由参加导电过程的电子并不是全部价电子，而只其 中很少的一部分，同时，金属晶格点阵也不是固定不动的，晶格点阵上各格点 一直在作热运动，即金属中的周期势是有微扰的。考虑这两个因素，纯金属的 电导率表示为4 2 7 】： 口：堕( 1 7 ) 玳 式中t 表示弛豫时间，表示电子与热振动格点发生敝射时的平均时间，它散射 角大小和能量在空间的分布( 能带密度) 有关，并与k t 成反比。m 为有效质 量，它包含了电子与电子、电子与离子相互作用力。 一与绝对温度成反比，因此金属的电导率与绝对温度成反比( t o ) 。 那么作为电导率倒数的电阻率就与绝对温度成正比，电阻率与温度的关系取决 于晶格振动散射。但是由于晶体总不是理想上的完整，因此在绝对零度时，金 属的电阻率也不为零，金属在绝对零度时的电阻率称残余电阻率，它是由各种 晶体缺陷引起的，因此金属的电阻率由两部分组成0 8 】： p = p ，+ 仃 ( 1 8 ) pt 来源于卢予散射，只与温度有关，p ，为残余电阻率，由晶体缺陷引起。 1 2 2 2 固溶体的导电性 固溶体的导电原理与纯金属的导电原理相似，只是由于溶质原子的加入， 对电子的运动有强烈的散射作用，并且增加了晶体中的缺陷，使缺陷的散射作 用增强。因此( 1 8 ) 式仍适用于固溶体，即固溶体的电阻率仍与温度成正比 关系，只是式中的第二项p ，同时考虑了晶体缺陷和溶质原子两种影响因素。 对于稀固溶体，p ，与溶质原子的浓度成正比j ，即： 珊d b 2 而 ( 1 9 ) 0 中南大学l 鲰士学位论文 第一章：文献综述 式中m 为电子质量，n 为单位体积内的电子数，e 为电子的电荷，v 为电子的 平均速率，v o 为溶质原子的单胞体积，x 为溶质原子的浓度，a 为溶质原子对 电子的有效散射面积。在此基础上，马西森( m a t t l l i e s s e n ) 明确提出了稀固溶 体电阻率与浓度的关系口o 】： p = p n + c t ( 1 一1 0 ) 式中po 为理想纯金属的电阻率，只与温度有关，c 为溶质原子的浓度，e 为 l 的溶质原子所引起的附加电阻率。马西森定律只适用于低浓度的情况，因 为它只考虑了溶质原子引起点阵畸变对导电性的影响。事实上，由于溶质原子 加入后，组元之间的相互作用在一定程度上改变了基体的能带结构，引起参与 导电的有效电子数目减少，因而使导电性下降。对于高浓度的固溶体n o r b h e i m 提出了n o r b h e i m 法则【3 ： 户= 风+ 解( 1 一c ) ( 1 1 1 ) 式中po 为纯金属的电阻率，c 为溶质原子的浓度，k 为常数。 上面两式主要讨论了固溶体电阻率与溶质原子浓度的关系，除了浓度影响 固溶体的电阻率之外，溶质与溶剂之的价电子数也影响固溶体的电阻率。对于 稀固溶体，固溶体的剩余电阻率p 。与溶质与溶剂之的价电子数的差以及溶质 浓度的关系符合诺伯里定则【3 0 】： p ，= 札爿+ 丑( z ) 2 ( 1 1 2 ) 式中x 为溶质浓度，z 是溶质原子与溶剂原子的价电子数差，a 、b 为常数。 1 2 2 3 多相合金的导电性 列于由两相或多相组成的合金，其导电性是出各相的导电性决定，但是 由于导电性是组织敏感的，合金的导电性不仅与各相的体积分数有关，而且与 各相的形状和相的分布等有关，所以一般情况下计算多相合金的导电性不能通 过各相的导电性的简单加和来求得。对于多相合金的导电性人们先后采用了不 同模型来描述叫】。 1 简单加和模型 如果只考虑各相含量多少对导电性的影响，则多相合金的电导率具有算 中南大学瑚l 二学位论文 第章：文献综述 术加和性质，即多相合金的电导率等于各相的电导率之和。对于两相合金，其 电导率为： 盯= c 1 仃l 十c 2 盯2 ( 1 一1 3 ) 式中。表示合金的电导率，c l 和c z 分别为两相的体积分数，o l 和o2 分别为 两相的电导率。简单加和模型忽略了组织对导电性的影响，一般只在台金是完 全退火的，无织构的，由比较大的等轴晶体组成的，并且各相的电导率相差比 较小时才成立。 按照( 11 3 ) 式，合金的电阻率则应按双曲线变化，其通用公式为： p = p ，p ； ( 1 一1 4 ) 式中pi 和p2 两相的电阻率，p 和q 为两相的体积分数，p + q = 1 。而当两相 是理想的层状组织时，其电阻率可由简单加和求得，即： p = c t p i + c 2 p 2 ( 1 1 5 ) 式中p l 和p2 两相的电阻率，c l 和c 2 为两相的体积分数，c l + c 2 = 1 。 连续基体模型 如果两相合金是连续统一的基体中嵌入夹杂第二相的情况，则其电导率可 用下式表示： 口。吼( 1 + 西毛) _ 1 6 3 口1 吼 式中oo 为基体的电导率，ol 为夹杂相的电导率，c 为夹杂相的含量。如果将 。换成电阻率，则公式( 1 一1 6 ) 与f 式等价： 尸刊尚鲁等， “叫， 尸2 风而瓦滴五而1 1 ” 式中p 。和p ，分别为基体和夹杂相的电阻率，c 为夹杂相的含量。 统计模型 对于两相是混乱分布的合金，根据统计规律，其电导率可由下面公式导出： 。：坠塑堡鱼二堕+ 、坠立坚塑鱼二虹+ 华 ( 1 _ 1 8 ) 4v1 62 勒列公t 列，以一纠为掰两眄捌台会，”1 央杂捌早球7 孚州，台会的l 也导率出恸到公 式爱1 i ： 仃：盯。( 1 3 ”c 3 3 ( j3 里卫! ：! 旦)( 1 一l q ) 疗，+ 2 盯 式r pn = ( oo 一。1 ) ( 2an + 0 1 ) ，( 。为璀体的f 导率，o l 为夹杂稍m o f e 导 牢，c 为兆杂i 】 | l 的含量。 串l ：联模型 列j 太彩数合念，第二_ 栩 r 步，u 非常街；敞，所以谢 ：以明确单的 1 ；i 联或 并联模j 1 9 束捕述。 在筋单的串i 良或劳联模型拘基础上，串并i 隧摸，科”1 假发第二相是均匀分和 的，并瑕戳第一鳍 是立五形的，强l e 整个稿耩燕由这嚣 | ( j 一些小直方体堆积f 瘫 成，这些小立方体，l l 荦1 5 包禽个第相颗粒，见图1 一l ( a ) 。故整个利利的 a 单元体模型 b 等效电路图 f n 目l 率近似等u j 这些小0 ：方r p 元体的平均f 叫n 率。当f u 流流过单元体州，单元 体1 j 圈l l ( b ) 所魍 a 黪目等效。圜此戆霓体麴也嫩瘦一一部分毒句成，此 f j j 褂单元傩的电阻宰为： 州慨+ 翥尹 j 酬rn r 硝，r 为第二棚粒了的直径， l ! _ f 5 平，口1 为第一札i 粒子 0 乜阻率。 ( j 一2 ( ) ) 毒 中南大学碗上掌位论文 第一章；立棘综述 多相裔垒电导率的通用公式 对予出匿个致土戆耀錾藏的多籀会金，遥耀竣下公式： 喜等争枷 。 表示嚣稳静电霉零，g 表示含惫慧懿电蛩攀。 ( 1 2 1 ) 1 3 高强导电铜含金的应用 高强等电锈台金爨有嶷簿力举性憨蟊毫学蛙麓靛配合，宅嚣可俸为结麴秘 料又可作为功能材料，因而在近年来获得了广泛的应用，特剐是在电工、电子、 电气及机电等领域，毖重要性已超过了传统的铜材。 l 。3 。l 疯速铁路架空导线秘魄奉戆滢接线 这类率于料不仅要求具有寝高的强度，也要求其有饺辩的导电性麓。用于茈 用途的主要是各种青铜，如用于电车的滑接线的c u m g o ，4 台金，丽对于电气 化的铁路，其强形滑接线和宽横线大多采用c u n i s i 合垒d ”。目前滢接线的开 发朝两个方囱发震，一是开发钢赫复合毒孝辩，妇锅芯包铜线和锅芯镪铝线，舄 外就是开发新型铜台盒，主要是含c r 和z r 的h c 滑接线。各种滑接线的性能 见表1 6 。 袁l 一6 嚣种海蓉线鹣强度与导穰率 抗拉强艘导电率i 乜阻 种粪断裂载荷( k u ) ( m p a )( 1 a c s )( 0 m t ) h e 瓣接线l 弱m 心6 、25 5 0，& 30 掬 碰锕滑接缱。l l o m m 2 3 s3 4 49 750 1 6 s n i 滑接线q 均m 矗 4 0 23 斟7 0o 2 0 e s 游接线q l o 用 f 7 3 2 鲥7 o2 6 1 a 滑接线0 1 9 0m m 2 5 5 42 8 3 0 1 9 运淫s 燕捺，勖r s 藏格， 镶芯毽镄线， 钢蕊魏韬线 1 3 2 电檄材料 电极材料必须具有高电导率、良好的导热性能以及与被焊金属具有低的粘 结顿淘。鼗努还要毒蘸强瘦穗裹骥发，强保谜在蜉点数键缀多薅，亵邀轾耪辩 4 巾南大学颇上学位论立第一章：且：献综述 不会发生变形的情况下也能施加上高压力。目前用于这类用途的主要有 c i l n i b e 、c u c r 、c u z r 、c i j c d 、c u a g c r 、c u c o b e 、c 州i s i 等合金口卯。为了 提高电极材料的焊接性能，又研制出了c u c r z r ( d h 2 - l 型) 和c u c r 西m g 等 电极材料。常见的电极合金的性能比较见表1 7 p “。 表1 7 常见电极合金的性能 室温性能5 下的 软化温度 7 0 0 退火， 合会 硬度抗拉强度导i u 率 高温强度小时的硬度 h bm p ai a c s m p ah b c u c r z r m g 1 5 0 _ 1 7 05 4 0 6 l o7 5 8 73 8 0 - 4 7 0 5 8 0 5 0 c u c d l1 0 0 1 1 03 8 肚4 1 08 52 5 0 1 1 0 一1 3 04 5 0 _ 5 册8 0 - 8 52 3 04 7 58 6 。c u z r 021 2 0 | 1 3 04 0 0 - 4 5 08 5 - 9 03 0 05 0 05 6 a c 一2 1 3 0 - 1 3 5 4 4 5 0 8 0 - 8 5 5 加 c u cr l z r1 4 0 1 砷5 0 0 5 5 07 5 - r 05 2 0 1 3 3 半导体引线框架材料 表1 8 引线框架用铜合金 热膨h l 系数热导率导电率抗拉强度延仲率 台金 1 0 一 c a 叭c m 2 s c c ) i a c s m h c 咖l a g 1 77 0 9 2 71 0 02 5 3 5 4 1 5 c u 01 5 s n 一00 6 p1 7708 i 5 02 5 3 5 4 1 5 c u 一20 引一02 n 1 0l z “ 1 7403 73 2 5 0 6 0 9 c u - 0i f e 00 3 p1 7708 79 03 0 4 25 1 0 c u 01 5 z p 0l s n1 7 208 59 03 2 3 48 c u - 03 c r o2 5 s i z n1 7 0o7 27 55 0 6 05 c u _ l6 n - m 4 s - 03 z n1 7 205 76 74 0 5 55 1 6 随着半导体的小型化、集成化的发展，半导体装置的构成部件引线框架对 材料的要求也越来越高。引线框架标准厚度由原来的0 2 5 m 降到o 1 5 m m 、 o 1 2 5 r n m 甚至0 1 f n m 厚，这必然要求有更高强度的材料来补偿厚度减薄带来 中南_ _ i = 学硕士学位论文第一章：文献综述 的结构性能下降，但又要同时保持高导电性和高导热性。由于固溶强化的效果 有限，引线框架材料正由传统的固溶强化合金向析出强化合金方向发展。如以 前用得较多是c u z n o 5 和c u s n 0 1 5 等固溶强化合金，而现在主要是c l l f e 和 c u f e p 等析出型合金，目前研究得较多的是c u n i s i 和c u - c r - z r 合金。各种引 线框架用铜合金的性能见表1 8 例。 1 3 4 电机转子材料 电机鼠笼转子捌料包括导条、端环和护环。导条材料主要有冷拉铜，铬 铜或错铜“，这些材料的性能见表1 9 。冷拉铜在温度高于2 0 0 时显著软 化，并且交变疲劳极限很低。镍铜的力学性能虽好，但其电导率很低。铬铜和 锆铜具有较好的力学性能和电学性能，是比较好的电机转子材料。 对于大型异步电动机，由于电机和大功率、大起动转矩和起动频繁，因 此对导条材料的力学性能要求很高，并且要求具有高精度的电阻率。为了解决 高强度与精密电阻率之间的矛盾，中南大学材料系尹志民教授、汪明朴教授等 发明了专用于高速列车、地铁列车和城市轻轨列车异步牵引电动机转子的导条 材料 ”，不仅解决了高强度与精密电阻率之间