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Cu-Cr-Zr系合金非真空熔炼的热力学计算与试验研究

作　者: 占国星
导　师: 杨斌
学　校: 江西理工大学
专　业: 材料工程
关键词: Cu-Cr-Zr系合金热力学热处理非真空熔炼数学模型
分类号: TG146.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

Cu-Cr-Zr合金属于高强高导合金，其抗拉强度大于600MPa，电导率高于80%IACS，且具有较高的软化温度等性能，广泛应用于电机整流子、点焊机、缝焊机、对焊机用电极、引线框架等。但该系合金一般均采用真空熔炼，其中存在一些缺点，比如对炉体的密封性要求高、对原料的配比和杂质控制较严，综合国内外的生产企业一般面临资金短缺，生产成本压力大等特点，Cu-Cr-Zr系合金摆脱真空采用非真空熔炼将具有更广阔应用前景。本文采用FactSage软件对Cu-Cr-Zr合金非真空熔炼有影响的多个因素进行热力学计算以及采用试验对Cu-Cr-Zr合金的熔炼工艺进行研究分析。研究结果表明：Cu-Cr-Zr合金在非真空条件下熔炼受到空气中N2、O2的影响，其中受到O2的影响较大；经软件计算合金中的Cr和Zr与这两种气体可能发生的反应有多种，与N2最易生成ZrN，与O2最易生成Cr3O4、ZrO2；合金组元与空气中少量的氢气在熔炼温度800℃以上不参与反应。采用石墨坩埚、氧化铝坩埚、石英坩埚均会对合金的熔炼产生影响，而氧化镁坩埚则对合金的熔炼没有影响，其中使用石墨做坩埚及木炭做覆盖剂熔炼时Zr与C有可能反应生成ZrC4；使用氧化铝坩埚熔炼最易发生反应的方程式为3Mg+Al2O3=3MgO+2Al，使用石英做坩埚或玻璃做覆盖剂参与熔炼时最易反应的方程为3Zr+SiO2=Zr2Si+ZrO2；使用镁砂做坩埚或覆盖剂参与熔炼均不会发生化学反应。Zr的烧损率比Cr要大；采用石墨坩埚，木炭覆盖剂获得Cr、Zr含量分别建立数学模型。Cu-Cr-Zr析出强化相主要是Cu5Zr、Cr相，合金硬度可达112HB，电导率达86.8%IACS；使用石墨坩埚熔炼时Cr、Zr会与C发生发应生成Cr7C3、Cr3C2、ZrC，使用镁砂坩埚时Cr、Zr不参与MgO的反应。Cu-Cr-Zr合金在非真空条件下的合理工艺是：保温时间5-10min；熔炼温度1150℃；较适合做坩埚的为镁砂坩埚；较适合使用的覆盖剂为镁砂+硼砂。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-23
  1.1 选题背景  9-10
  1.2 高强高导铜合金的特性及牌号  10-11
  1.3 高性能铜合金的强化方式  11-14
    1.3.1 细晶强化  11-12
    1.3.2 固溶强化  12
    1.3.3 沉淀强化  12
    1.3.4 弥散强化  12-13
    1.3.5 纤维强化  13-14
  1.4 高强高导铜合金材料  14-15
    1.4.1 Cu-Zr 系  14
    1.4.2 Cu-Ni-Si 系  14-15
    1.4.3 Cu-Zn 系  15
    1.4.4 Cu-Cr-Zr 系  15
  1.5 Cu-Cr-Zr 系合金的研究现状  15-21
    1.5.1 Cu-Cr-Zr 合金的成分设计  16-17
    1.5.2 Cu-Cr-Zr 合金的制备方法  17-18
      1.5.2.1 Cu-Cr-Zr 在真空下的熔炼与铸造工艺  17
      1.5.2.2 Cu-Cr-Zr 在非真空下的熔炼与铸造工艺  17-18
      1.5.2.3 快速凝固技术  18
    1.5.3 形变热处理对 Cu-Cr-Zr 合金性能的影响  18-19
    1.5.4 Cu-Cr-Zr 系合金的研究及应用进展  19-21
      1.5.4.1 接触线  19-20
      1.5.4.2 结晶器  20
      1.5.4.3 引线框架  20
      1.5.4.4 国际热核试验堆第一壁材料  20-21
      1.5.4.5 其它领域  21
  1.6 热力学计算研究动态  21
  1.7 本论文的主要研究内容  21-23
第二章试验材料及方法  23-30
  2.1 试验材料  23
  2.2 试验设备  23-26
  2.3 试验技术路线图  26-27
  2.4 试验方案  27-28
    2.4.1 FactSage 软件计算  27
    2.4.2 建立数学模型  27
    2.4.3 试验方法  27-28
      2.4.3.1 熔铸  27
      2.4.3.2 热处理  27-28
  2.5 分析与检测方法  28-30
    2.5.1 材料力学性能测试  28
    2.5.2 材料电学性能测试  28
    2.5.3 化学成分分析  28
    2.5.4 组织物相观察与分析  28-30
      2.5.4.1 光学金相观察分析  28-29
      2.5.4.2 X 射线衍射观察分析  29
      2.5.4.3 扫描电镜观察分析  29-30
第三章 Cu-Cr-Zr 系合金熔炼热力学计算  30-40
  3.1 FactSage 软件介绍  30-31
  3.2 大气合金熔体反应的热力学分析  31-34
    3.2.1 氧的影响  31-32
    3.2.2 氮的影响  32-33
    3.2.3 氢的影响  33-34
  3.3 不同坩埚材料与熔体反应的热力学分析  34-39
    3.3.1 碳的影响  34-35
    3.3.2 SiO2的影响  35-36
    3.3.3 Al2O3的影响  36-37
    3.3.4 MgO 的影响  37-39
  3.4 本章小结  39-40
第四章 Cu-Cr-Zr 合金非真空熔炼工艺研究及烧损率模型建立  40-55
  4.1 试验工艺  40-42
    4.1.1 试验合金成分及试验条件  40-41
    4.1.2 熔铸工艺  41-42
  4.2 试验条件对 Cu-Cr-Zr 合金非真空熔炼的影响  42-46
    4.2.1 试验条件对 Cr 元素烧损的影响  42-44
    4.2.2 试验条件对 Zr 元素烧损的影响  44-46
  4.3 Cr、Zr 烧损模型的建立  46-53
    4.3.1 Cr 元素烧损数学模型建立  48-51
    4.3.2 Zr 元素烧损数学模型建立  51-53
  4.4 本章小结  53-55
第五章 Cu-Cr-Zr 合金非真空熔炼下组织性能研究  55-70
  5.1 铸态 Cu-Cr-Zr 合金组织性能分析  55-59
    5.1.1 铸态 Cu-Cr-Zr 合金组织分析  55-57
    5.1.2 铸态 Cu-Cr-Zr 合金硬度分析  57
    5.1.3 铸态 Cu-Cr-Zr 合金电导率分析  57-59
  5.2 固溶态 Cu-Cr-Zr 合金组织性能分析  59-62
    5.2.1 固溶态 Cu-Cr-Zr 合金组织分析  59-60
    5.2.2 固溶态 Cu-Cr-Zr 合金硬度分析  60-61
    5.2.3 固溶态 Cu-Cr-Zr 合金电导率分析  61-62
  5.3 时效态 Cu-Cr-Zr 合金组织性能分析  62-66
    5.3.1 时效态 Cu-Cr-Zr 合金组织分析  62-64
    5.3.2 时效态 Cu-Cr-Zr 合金硬度分析  64-65
    5.3.3 时效态 Cu-Cr-Zr 合金电导率分析  65-66
  5.4 炉衬及炉渣分析  66-68
  5.5 本章小结  68-70
第六章结论  70-72
参考文献  72-76
致谢  76-77
个人简历、在学期间发表的学术论文  77

Cu-Cr-Zr系合金非真空熔炼的热力学计算与试验研究

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