拉拔加工工艺对高导铜合金线材组织的影响材料成型及控制工程本科毕业论文文档格式.docx
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Cu-Agalloy,High-strengthandHigh-conductivity,Drawing,StructureandProperties
目录
1绪论1
1.1铜及铜合金的概述1
1.1.1铜的性质及用途1
1.1.2铜合金的性质及用途1
1.2铜银合金3
1.2.1铜银合金发展历史及现状3
1.2.2铜银合金组织结构..3
1.2.3铜银合金的热处理效果4
1.3铜合金线材的拉拔加工工艺5
1.3.1线材拉拔的条件5
1.3.2拉拔变形的应力应变状态.5
1.4课题研究意义及内容6
1.4.1课题研究的意义6
1.4.2课题研究的内容6
2实验内容7
2.1合金的制备7
2.2实验过程7
2.2.1实验目的7
2.2.2金相试样的制备8
2.2.3观察金相组织并测定力学及电学性能8
3实验结果与讨论10
3.1金相形貌分析10
3.1.1拉拔组织形形貌分析10
3.1.2拉拔铜银合金导线内的夹杂物分析11
3.1.3拉拔铜合金组织的金相组织12
3.1.4高导铜合金线材中银元素的均匀性及影响因素12
3.1.5Cu-Ag合金热处理态金相组织13
3.1.6镀银线结合界面金相分析14
3.2Cu-Ag基合金的高强机理探讨15
3.3Cu-Ag基合金的高导机理探讨15
结论17
致谢18
参考文献19
1绪论
1.1铜及铜合金的概述
1.1.1铜的性质及用途
在工业生产进程中,铜始终扮演着不可或缺的角色。
在很久以前的文明中,铜就出现在人们的生活中。
在随后的使用过程中,其可以被用来做各种需求的器材;
或者通过添加一些特定的元素,由此来合成相应的合金,改变其一开始所具有的性能;
铜的使用层次各不相同,可以在日常的生产实践中见到。
铜的结构为面心立方,晶面常数a为0.36147nm。
面心立方的晶体结构使得铜合金的力学性能优异,可以拉拔成为很细的铜丝,制成很薄的铜箔。
铜可以与锌、锡、铅、锰、银等金属形成合金,进一步提高强度、硬度、耐磨性、抗腐蚀性能。
铜在现代工业中应用较广,主要有如下几个方面[1]:
(1)作为生产电线、电缆的导电材料;
(2)作为生产化工用蒸发器等的导热材料;
(3)作为生产轮船等的耐蚀材料;
(4)作为合金元素加入来改善其他材料的使用性能;
(5)用于获得铜合金;
表1.1纯铜的基本物理性能
性质
数值
原子序数
相对原子质量
熔点
沸点
结构
a
29
63.5
1083℃
2595℃
fcc
0.36147nm
密度
电阻率
抗拉强度
伸长率(%)
硬度(10/1000)
热导率
8.96g/m3
1.63×
10-8Ωm
150MPa
25
40HBS
3.9314W/(cm*K)
1.1.2铜合金的性质及用途
铜中加入一种或另外几种不一样的元素,由此所合成的合金,称为铜合金。
跟随着时代的步伐,铜合金的使用越来越平常,甚至其有些性能已经达不到要求;
这时,就需要对铜合金的强度,硬度以及耐蚀性有更高的标准。
这类合金主要应用于以下几个方面:
(1)电气工业中的应用
集成电路引线框架材料,铜合金市场价便宜,强度高、导电性和导热性好,有很好的加工性能;
在通讯行业,因为光纤电缆具有很多的长处,铜电缆慢慢地开始被替代,从而就扩大了使用范围。
就目前的社会情形来看,每一种都将得到更多的使用。
(2)电子工业中的应用
通过一定纯度的无氧铜或者是经过时效处理的无氧铜,可以制造出所要求的配件,然后将这些配件进行组合、安装,从而得到所规定的产品;
铜也可以用于印刷电路,就是将铜箔作为表面,放在塑料板上(塑料板作支撑用),然后采用照相的方法将电路的布线图印在铜板上;
再通过浸润把剩余的部分浸蚀掉而得到相互连接的电路。
(3)交通工业中的应用
在造船材料的选择方面,主要是材料要有一定的耐腐蚀性,这样就可以预防海水的腐蚀。
所以有很多的铜合金在造船方面就得到了重用,因为它们都有很强的抵抗腐蚀的能力;
在汽车的零配件中也能找到铜合金的踪影,对于不同形状和体积的汽车来说,其对铜的使用量也不尽相同。
(4)轻工业中的应用
生活中常用的空调等制冷装置温度的调节,都是由铜管来控制的。
同样相对小一点的热交换器,在一定程度上,可以降低空调等装置的体积和使用耗能;
黄铜在钟表等制造行业中也起着十分重要的作用。
而且有结果表明,在钟表的一些工作部件中添加少量的铅,会使其形成的合金具有更加优良的加工性能,从而得到越来越广泛的应用。
(5)建筑工业的应用
铜水管具有外观好看、持久耐用、使用安全并且防火、安装方便、干净卫生等一系列优点,使其具有很高的性价比。
与镀锌钢管和塑料管相比存在十分明显的优势。
(6)高新技术领域的应用
“高温超导材料”是一种临界温度更高的材料,这类材料大部分是复合氧化物。
临界温度为90K的含铅铜基氧化物(YB2Cu3O7),可以在液氮温度下工作。
1.2铜银合金
1.2.1铜银合金发展历史及现状
在导体材料中,铜具有相对较高的电导率,排名第二(排名第一的是银)。
由于材料的强度与电导率是成反比关系的,所以纯铜在其较高的电导率情况下,其相应的强度就较低。
在提高强度的同时,也要注意电导率的变化情况,不能一味的提高强度,而使材料的电导率降低到合适的范围之外,这样的结果是不能够得到肯定的。
所以,在选择处理的过程中要考虑到各个方面。
在铜中添加Ag、Cd、Cr、Zr、Mg等合金元素,并通过加工热处理使之形成极细的双相纤维组织,对纯铜的导电性能的降低最小,因此为了提高导线的强度、硬度,可在纯铜中加入微量(1%以下)的上述元素,起到固溶强化的作用,加Cr、Zr时,还能获得时效沉淀强化的效果。
1.2.2铜银合金组织结构
通过对铜银合金(银含量在3-72%之间)的研究发现,合金中银的质量分数低于6%的合金由单一相构成,即铜的固溶体α相,几乎不存在第二相。
当合金中银的质量分数为6-15%时,合金组织中出现少量β相,一般作为离异共晶组织形态存在于α枝晶间。
。
Cu与Ag虽在室温附近几乎互不固溶,但在Cu-Ag合金的共晶温度(1052K)下,共晶成分为28.1%Cu-71.9%Ag[5],导体材料的电导率与固溶的溶质元素量有关,强度与析出相的形状和分布状态有关。
为了得到细微的加工纤维组织,首先必须得到细而均匀的铸造组织。
Cu-20%Ag合金铸造组织如图1.1所示[5]。
Cu-20%Ag合金的铸造组织(图1.1a)是由初晶Cu固溶体(黑色)与网络状均匀分布在其周围的共晶相(灰色)组成,用高倍显微镜观察共晶相(图1.1b)可知,共晶相是由白色的Ag固溶体与从Ag固溶体中析出的细小的Cu固溶体(黑色)组成[5]。
(a)Cu-20%Ag合金 (b)Cu-20%Ag合金高倍组织
图1.1Cu-Ag合金的铸造组织
1.2.3Cu-Ag合金的热处理效果
为了得到固溶处理后,处理工艺对线材组织和性能的影响,分别对线材进行不同的处理,变形量在10%、30%、50%的情况下,进行拉拔后,再进行不同条件的在线时效。
在相同的固溶时间lh,固溶温度为920℃、940℃、960℃,进行固溶处理,之后依次进行时效温度为450℃、475℃、500℃时效时间为4h、8h、10h的优化实验,以得到最佳的形变热处理工艺参数。
图1.2是Cu-Ag合金在不同固溶处理态下的典型的微观组织,其中图1.2(a)的热处理工艺为920℃×
1h+475℃×
8h,图1.2(b)的热处理工艺为940℃×
1h+500℃×
4h,图1.2(c)960℃×
1h+450℃×
10h。
由拉拔加工工艺与热处理工艺可以得到,Cu-Ag合金在不进行热处理时,在刚开始加工的时候,合金的硬度可以得到极大地提高,但是在进行到一般的时候,可以发现,其硬度值的变化逐渐变慢,随着处理的进行,在快结束的时候,硬度值又一次急速上升。
如果在进行一半的时候,进行一次中间热处理(723K×
1h),再进行拉拔加工,硬度会进一步增加。
图1.2Cu-Ag合金固溶处理态的微观组织
1.3铜合金线材的拉拔加工工艺
1.3.1线材拉拔的条件
拉拔过程是就是对材料施加一定的外力,使其长度、宽度等一些性能指标发生变化的过程,其变形区的受力特点为二向压缩一向拉伸状态。
当施加的应力过大时,就将会影响产品的质量,从而降低其生产的合格率。
实现线材拉拔过程的基本条件是安全系数K=σb/σ1>
1。
拉拔时的安全系数与直径、状态(退火或硬化)、变形条件(如温度、速度、反拉力等)以及金属或合金的性能(如强度极限、再结晶温度)有关。
K值一般在1.4~2.0之间,即σL=(0.7-0.5)σb。
假如K<1.4,由于加工率过大,可能出现线材被拉断拉细拉断;
当K>2.0,则说明道次加工率不够,材料的塑性未得到充分利用[16]。
1.3.2拉拔变形的应力应变状态
当圆形棒材线材在进行拉拔时,变形区内的变形体所承受的基本应力状态是两向压缩(径向r和周向),一向伸长(轴向)。
当σr=σθ,此时的应力状态称为轴对称应力状态。
应力变化的规律是:
当屈服极限σS为一定值时,沿轴向上在变形区内σr从入口端到出口端逐渐增大,σθ从入口端到出口端逐渐减小。
如图1.3所示,由实验结果得到棒材拉伸加工时的应变状态,棒材中心层在轴向方向被拉长,径向方向被压缩。
说明中心层产生了轴向上的延伸,径向上的缩短。
图1.3棒材拉伸时金属变形特点
1.4课题研究意义及内容
1.4.1课题研究的意义
通过这次的实验,可以了解到铜以及铜合金在拉拔实验的过程中,其性能也发生相应地的变化。
从而得出结论,将铜、或者铜合金更好地运用到生产实践中。
这样,也可以得到铜合金在拉拔过程中,研究其合金元素在拉拔过程中均匀性等一系列的性能。
1.4.2课题研究的内容
(1)通过对实验结果的分析,以及其具有的性能,从而确定本实验所采用的合金系,即Cu-Ag合金;
(2)研究拉拔加工对高导铜合金线材组织和性能的影响;
(3)分析Cu-Ag合金在不同条件下的析出特征,对合金的强化机制和其导电的性能方面进行了讨论。
2实验内容
2.1合金的制备
图2.1上引连铸的凝固过程
本次研究的项目,采用的是上引连铸工艺可制备无氧铜及铜银合金杆,这样制备出来的产品表面质量和尺寸精度都能得到进一步的提高。
从上个世纪开始,上引法就已经运用到生产无氧铜坯料中。
到目前为止,这种方法运用的越来越广泛。
具体就是金属熔体自下而上的被吸入与真空装置相连通的结晶器中并进行凝固结晶和成型的铸坯方法,原理如图2.1。
在本次研究的项目中,Cu-Ag合金的熔炼过程是:
首先用上引连铸生产线在中频感应熔化炉熔化A级电解无氧铜,然后将一定比例的银粉加入在保温炉的加料室中,等到银粉沉静之后,迅速将其由熔化炉经溜槽向保温炉倾倒铜液,在保温炉上引室引铸出直径25mm的铜银合金铸杆,直接经4道次轧制成直径16.5mm的铜银合金轧杆,在线退火要在轧制的过程中同时进行,退火的温度参考Cu-Ag和Cu-Ag-Zr等合金的相图,由此来确定其退火温度,退火的工艺为880℃×
1h。
合金的熔炼温度为1200-1300℃。
采用高纯度原材料可以防止或减少产生的气体对材料性能的影响,同时所用的原材料的表面必须要经过十分严格的处理,使用的坩埚也应该保持清洁无锈。
银加入量(质量百分数,%)依此为0.02%,0.04%,0.08%,0.10%,0.12%,0.14%,0.16%,0.18%,分别测试不同含Ag量的铜银合金试样的各项性能指标。
过量的氢与锆形成氢化锆析出,影响了材料的力学性能,是材料的体积膨胀变大,降低了其脆性。
为了防止或减少这些气体对材料性能的影响,必须采用高纯度原材料。
2.2实验过程
2.2.1实验目的
本次试验就是用来研究合金铸态组织中晶粒的大小,合金材料析出相的形态和分布,从而可以说明拉拔对材料的组织和性能产生了一定的影响。
2.2.2金相试样的制备
(1)取样
在取样时要考虑到试样应该具有一定的代表性,以及试样组织的均匀性,沿着线材的纵截面和横截面,截取一定长度的金相试样用作观察,从已经制备的铜银合金线上截取不同直径线材。
(2)镶样
用金相显微镜观察试样用的是冷镶的方法。
取一干净的玻璃板,把截取的试样3个平放,3个竖直立在玻璃板上,然后套上塑胶管,倒入牙托粉,完全覆盖试样就可以,然后滴入适量的牙托水,完全润湿后等待冷凝2小时就可以使用。
(3)磨样
试样的打磨就是将镶好的样品,依此在不同型号的砂纸上打磨。
金相试样的打磨,不仅要使试样表面光滑平整,更重要的是要尽可能地减少试样的表层损伤,减少划痕的存在。
在磨光的过程中,要时不时的检查试样的表面,以免做出无用功。
(4)抛光
抛光就是在抛光机上将试样表面存在的划痕给抛光滑,此次实验采用的是机械抛光的方法。
(5)腐蚀
试样的整个腐蚀过程就是:
将抛光好的试样表面,用酒精棉球擦拭干净,在吹风机下烘干,接着用棉球蘸取少量的腐蚀溶剂,然后均匀擦拭试样的表面,腐蚀时间约为2秒钟,然后迅速用清水冲洗干净,再用吹风机烘干即可。
腐蚀时间过长则可能使试样表面变黑,达不到所需的效果。
所以要特别注意腐蚀时间的把握。
2.2.3观察金相组织并测定力学及电学性能
观察未腐蚀样品表面夹杂,腐蚀的样品100倍,200倍,500倍下组织形态。
力学性能:
①合金在不同状态下的硬度测试。
首先在水砂纸上将经过退火处理后的试样磨平,然后再用金相砂纸将其磨光,这个时候不仅要保证样品的表面光亮,还要确保其表面没有较明显的划痕。
②拉伸状态下的力学性能测试。
力学性能测试要在Instron型号的拉伸试验机上进行。
试样的尺寸参照《金属拉伸试验试样》(中华人民共和国国家标准GB/T6397-1986),拉伸力学性能样品沿横向截取,截取的样品尺寸和加工方法按照相关的标准进行,试样的标距长50mm,试样在Instron型号的拉伸机上进行拉伸,测试合金在室温条件下的抗拉强度和伸长率。
电学性能测试:
此次实验所采用的是双电桥测量法,不仅要求被测样品的宽度相等,长度也要尽量相等,而且还要平直,样品的表面也要尽量光滑,尺寸均匀。
3实验结果与讨论
3.1金相形貌分析
3.1.1拉拔组织形貌分析
图3.1和图3.2是铜线经过两次拉拔后的显微组织。
由图可以看出,铜银合金的组织在经过两次拉拔后,其结构更加均匀致密。
铜合金是由银元素加入到铜基固溶体中构成的,晶粒细小。
一次拉拔Cu-0.18%Ag合金组织晶粒粗大,有明显的气泡存在。
图3.1Cu-0.18%Ag合金纵向截面的金相显微组织
(a)Φ0.25mm两次拉拔后铜银合金的致密组织;
(b)Φ0.25mm一次拉拔铜银合金有气孔的组织;
(c)一次拉拔后纵截面SEM形态。
图3.2Cu-0.18%Ag合金横截面金相显微组织对比
(a)Φ0.25mm两次铜银合金拉拔后致密组织(b)Φ0.25mm一次拉拔铜银合金有气孔的组织
(1)若铜合金的表面存在这一定量的气泡缺陷,将会使其导线在之后的拉拔工序中出现气泡破裂,并且在气泡破裂的地方,使产品的表面留下划痕,影响到产品表面质量;
(2)所以不管是什么形式的气泡,都将影响产品的质量和设备的寿命,都会给生产企业造成较大损失;
(3)扩展模的使用,可以避免启动和停机时引起的堵头变形问题;
(4)对于由挤压运转工作间隙的不合理,带入的气体而产生的气泡,需要按照工艺中的规定调整其的工作间隙到规定值。
3.1.2拉拔铜银合金导线内的夹杂物分析
图3.3样品中夹杂物的形态及分布
(a)样品边缘附近夹杂物及其分布(100×
)(b)样品内部夹杂物及其分布(100×
)铜银合金样品中的夹杂物的形态及分布如图3.3所示。
从图3.3可以看出,样品的组织中只有少量的夹杂物,而且夹杂物均匀的分布在组织中,在图中也没有发现其它的带状夹杂物、粗大夹杂物颗粒或者出现夹杂物的聚集。
3.1.3拉拔铜银合金组织的金相组织
图3.4为腐蚀之后的样品100倍,200倍,500倍下组织形态。
图3.4腐蚀之后样品的金相图
3.1.4高导铜合金线材中银元素的均匀性分析及影响因素
(1)高导铜合金线材中银元素的均匀性分析结果
为了分析高导铜合金中银元素含量的均匀性,合金元素分析采用的是美国贝尔德直读光谱仪、塞曼原子吸收分光光度计、美国RO2416测氧仪等。
其结果如表3.1。
表3.1铜银合金试样中的Ag含量
测试部位/m
50
100
150
200
250
w(Ag)/%
0.120
0.121
0.119
0.118
试样中银的质量分数相差仅为0.003%。
由此可以看出上引法生产的铜银合金线,在一定程度上可以提高银元素含量的均匀性。
(2)高导铜合金线材中银元素的均匀性的影响因素
影响铜银合金纯度、银元素均匀性的主要因素就是影响上引连铸过程中的一些主要因素。
主要有熔体及一些外部因素。
但是熔体的温度不能太高,一般不应高于合金熔点200℃。
熔体温度太高,反而会使进入石墨定型管内的熔体难于凝固,从而使上引连铸失败,而且这样还会增加损耗。
微量的元素(如Ni、Cu等)可以降低熔体的粘度。
②熔体温度
因此,在熔体的表面覆盖一定量的覆盖剂,可以减少熔体的吸气量,与此同时还可以起到防止金属氧化的作用。
③熔体的纯净度
在这种情况下,要捞完渣之后再进行上引连铸。
④冷却速度
冷却速度主要与冷却水的流速成反比。
当冷却水的流速不变时,这个时候的冷却速度只受冷却水的初始温度影响。
软化水或纯净水进行冷却的时候可以避免产生水垢沉积物。
冷却水的进口端与出口端的温度、温差同样也是影响冷却速度的主要原因。
当进口端的水温较高时,会导致冷却速度降低。
而且上引节距(上引连铸中铸芯单次上行的距离)也对上引连铸有一定的影响。
然而节距太小又会影响生产效率,因此选择合适的节距相当重要。
⑤上引速度
上引速度会影响石墨定型管内的熔体,上引速度越大,其受冷却的时间就会越短,冷却速度跟不上的时候,会影响实验结果。
3.1.5Cu-Ag合金热处理态金相组织
图3.5是在不同的时效状态下的Cu-Ag合金的金相组织照片。
由图3.5可看出,合金的固溶态组织中,有十分明显的退火孪晶,而且晶粒比较粗大。
在经过50%的冷轧过。
可见合金元素的加入可以明显提高铜银合金的再结晶温度。
图3.5Cu-Ag合金在不同状态的金相组织
(a)固溶态,(b)冷轧态,(c)450℃×
4h,(d)490℃×
4h
3.1.6镀银线结合界面金相分析
在此次的试验中有两个试样是镀银线,铜银线的结合面如下图3.6所示,由图可以看出,铜银之间结合地十分紧密,并且银在其中均匀的分布,可以看出镀层的质量很好。
图3.6镀银线铜银结合面SEM形态及Ag面扫描
与银相比,铜的电位为负,所以只要镀银束线在挤包绝缘过程中,十分有可能使银层发生破裂。
导致铜线的银层,出现针孔
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