電氣化列車用高強(qiáng)高導(dǎo)銅的制備與研究.pdf

1、電氣化列車弓網(wǎng)用銅材料需要在電弧侵蝕、高溫、高速、極端天氣的條件下保持穩(wěn)定載流,此工況對(duì)弓網(wǎng)銅材的硬度、電導(dǎo)率和載流摩擦磨損特性提出了很高的要求。如何在犧牲更少電導(dǎo)率的條件下大幅度提高硬度,如何簡化工藝使其適于生產(chǎn),是目前國內(nèi)外研究的主要目標(biāo),研發(fā)新型高強(qiáng)高導(dǎo)銅材料具有學(xué)術(shù)意義和重要工程價(jià)值。本文以合金化法和復(fù)合材料法分別制備高強(qiáng)高導(dǎo)銅材,前者通過熱拉伸法處理CuCrZr合金使得異質(zhì)原子Cr和Zr析出成為強(qiáng)化顆粒相,后者利用熱壓燒結(jié)法制

2、備WC/Cu銅基復(fù)合材料使得人為添加的WC成為強(qiáng)化顆粒,通過電導(dǎo)率測(cè)試、顯微硬度、金相顯微鏡、XRD衍射、掃描電鏡、透射電鏡、載流摩擦磨損試驗(yàn)等測(cè)試手段發(fā)現(xiàn),這兩種方法都可以很大程度的消弱雜質(zhì)原子對(duì)電子傳導(dǎo)的散射作用,同時(shí)改善純銅硬度低和抗載流摩擦磨損性能差的情況,實(shí)現(xiàn)彌散強(qiáng)化的效果。
　　首先,Cu-Cr-Zr系合金一般采用時(shí)效處理的方法使其析出彌散硬質(zhì)相來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化,但是時(shí)效過程難和工步復(fù)雜,電導(dǎo)性又是一種敏感性能,導(dǎo)致時(shí)效結(jié)果

3、難以控制更難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。本文主對(duì)Cu-0.6Cr-0.1Zr合金采用熱拉伸拉伸的方法,以替代常用的復(fù)雜的“冷變形+時(shí)效處理”兩個(gè)不連續(xù)工步。研究結(jié)果表明,隨著熱拉伸率的提高,CuCrZr合金電導(dǎo)率下降較少硬度大幅度提高。300℃溫度下拉伸率為22％的試樣,顯微硬度為107HV,電導(dǎo)率為81.8%IACS,相比于熱拉伸處理前的固溶試樣,硬度提高了35.5%,電導(dǎo)率只下降了12.7%。這是由于經(jīng)過300℃熱拉伸的顯微組織,已經(jīng)出現(xiàn)了沉淀相

4、顆粒,并且沉淀相隨著拉伸率的提高而長大。這種高強(qiáng)高導(dǎo)性能是雜質(zhì)原子的固溶析出、位錯(cuò)增殖、晶粒細(xì)化和沉淀相的彌散強(qiáng)化效果同時(shí)作用產(chǎn)生的效果。
　　人為向銅基體中添加硬質(zhì)顆粒,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)銅基復(fù)合材料的強(qiáng)化,也可以避免欠時(shí)效時(shí)殘余在銅基體中的雜質(zhì)原子對(duì)電導(dǎo)率的影響。WC作為制造硬質(zhì)合金的主要原料,相比于其它銅基強(qiáng)化顆粒有與銅的潤濕性好、本身可以電導(dǎo)等優(yōu)點(diǎn)。本文選用 WC顆粒為增強(qiáng)相,用熱壓燒結(jié)的方法制備了WC/Cu復(fù)合材料。研究表明,燒

5、結(jié)溫度從750℃上升至900℃時(shí),WC/Cu復(fù)合材料的相對(duì)密度由80%上升到92.8%,但如果燒結(jié)溫度升高至950℃,則會(huì)發(fā)生晶粒的快速長大,孔隙來不及移動(dòng)聚集就成為晶內(nèi)閉孔,從而使得相對(duì)密度稍有下降。WC在熱壓燒結(jié)的過程中,對(duì)銅粉末的變形和晶界、孔隙的移動(dòng)起到阻礙作用,因此復(fù)合材料的相對(duì)密度隨著WC含量的增加而減小。而當(dāng)微米級(jí)WC含量達(dá)到5%或者納米級(jí)WC超過4%時(shí),由于團(tuán)聚現(xiàn)象的出現(xiàn),硬度出現(xiàn)下降趨勢(shì)。隨著 WC含量從1%增加至5%

6、,添加微米級(jí)和納米級(jí)WC復(fù)合材料的電導(dǎo)性分別從87.8%跌至84.8%和從88.2%跌至63.5%。這是由于WC的加入不僅使自身成為電子傳導(dǎo)的散射點(diǎn),也使得銅基體原子排列紊亂,從而導(dǎo)致電導(dǎo)率下降
　　隨后使用銷盤式載流摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)WC/Cu復(fù)合材料進(jìn)行了載流摩擦磨損試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明當(dāng)電流值為35A,法向載荷30N,速度值為28.2 m·s-1時(shí):體積磨損率在燒結(jié)溫度低于850℃時(shí),磨損率隨燒結(jié)溫度降低至4.89 mm3/

7、m,之后磨損率曲線趨于平緩。這是由于燒結(jié)溫度低于850℃時(shí)基體硬度較低,無法給承擔(dān)載荷的WC提供穩(wěn)定的支撐作用。隨著微米級(jí)WC含量從1% wt增加至5% wt,復(fù)合材料體積磨損率降低了65.9%。納米級(jí)的WC體積過小,無法突出于基體的磨削水平面,因此添加5% wt納米級(jí)WC試樣的體積磨損率為3.84mm3/m,而同樣添加量的微米級(jí)WC的磨損率為2.29mm3/m。在載荷低于20N和電流低于0.6A/mm2的輕微磨損階段,以磨粒磨損為主要