高强无铍铜合金热处理工艺与性能研究
摘 要摘 要本文探索和研究Cu-Co-Si-Zr合金成分及热处理工艺。在分析铜与合金元素的二元相图的基础上，确定了合金的成分。对经熔炼、锻造的合金进行950℃和980℃固溶实验后，对比在490℃、510℃、530℃和550℃时效的性能，在最佳固溶时效工艺中添加0%、15%、30%、45%和60%的冷变形处理。利用布氏硬度计和涡流导电率测试仪测试合金的硬度和导电率，用金相显微镜观察合金组织，研究固溶工艺、时效工艺和冷变形对合金组织及性能的影响。结果表明，Cu-Co-Si-Zr合金是典型的固溶时效强化型合金，形变热处理可有效提高合金时效后的硬度；合金经980℃×2h固溶处理+45%冷变形+530℃×2h时效处理，其硬度可以达到241.72HB，导电率62.41%IACS，具有良好的综合性能。关键词：高性能铜合金；热处理；硬度；导电率 目 录
第一章 绪 论 1
1.1 铜及铜合金简介 1
1.1.1 铜及铜合金的历史 1
1.1.2 铜资源 1
1.1.3 铜的生产 2
1.1.4 铜及铜合金的特点 2
1.1.5 铜及铜合金的物理性质及化学性质 3
1.1.6 铜及铜合金的分类 4
1.2 铜合金强化方式 10
1.2.1 铜合金性能的强化影响 10
1.2.2 细晶强化 10
1.2.3 形变强化 11
1.2.4 固溶强化 12
1.2.5 第二相强化 13
1.2.6 铜合金的强化方式选择 14
1.3 高强高导铜合金的研究现状与发展 15
1.3.1 铜镍硅系合金 16
1.3.2 铜铬锆系合金 16
1.3.3 铜铁磷系合金 16
1.4 本课题研究的目的与意义 17
第二章 实验材料与方法 18
2.1 实验材料与试样制备 18
2.2 实验过程 18
2.3 性能测试的试样制备 19
2.4 实验设备 19
第三章 实验结果与分析 21
铜铬锆系合金 16
1.3.3 铜铁磷系合金 16
1.4 本课题研究的目的与意义 17
第二章 实验材料与方法 18
2.1 实验材料与试样制备 18
2.2 实验过程 18
2.3 性能测试的试样制备 19
2.4 实验设备 19
第三章 实验结果与分析 21
3.1 实验材料CuCoSiZr合金成分确定 21
3.2 950℃固溶时效实验结果 23
3.2.1 固溶实验及分析 23
3.2.3 950℃×1h固溶后时效实验及分析 24
3.3 980℃热处理实验 25
3.3.1 980℃固溶实验及分析 25
3.3.2 980℃×2h固溶后时效实验及分析 27
3.4 冷变形实验 29
结 论 32
致 谢 33
参 考 文 献 34
第一章 绪 论
1.1 铜及铜合金简介
1.1.1 铜及铜合金的历史
纯铜表面呈紫红色，所以纯铜通常被称为紫铜，其在干燥空气中化学性质比较稳定，能长期保持金属光泽，而在潮湿的环境中会有一定程度氧化，在表面会生成一层绿色氧化物。
铜有着优良的导电性能、导热性能和耐腐蚀能力，在铜表面许多危害人健康的病菌都不能存活。铜的冶炼、加工和回收难度并不高，因此铜是人类发现、开采、加工和应用最早的金属之一，从原始社会到科技发达的现代社会，铜是人类社会利用的重要金属之一，为人类的发展与经济、社会的进步作出了不可磨灭的贡献。
早在一万年以前，西亚地区的人们就开始利用铜制品；考古学家在公元前约2750年建造的基厄普斯金字塔遗迹中，发现了铜制水管；公元前约2500年，锡青铜冶炼技术出现并走向成熟，铜质材料的硬度得到了极大的提高，打开了使用铜的广阔空间。在中华民族的发展进程中，铜的开发生产使用做出了重要的贡献。中国的青铜器时代显示出了中华民族的创造智慧，青铜被广泛的用于生活用具、兵器、农具、乐器、钱币等物品的制造，其数量、种类、制作工艺水平远高于同时代的其他地区，其代表的物品如：四羊方尊、司母戊鼎、曾侯乙编钟等等。到了宋朝，铜－镍－锌白铜的冶炼制造工艺已十分成熟，被广泛的用于制造生活用具，是世界上最早的仿银材料。
进入二十一世纪，铜的开采、冶炼、加工又步上一个新的台阶，实现了高度的一体化、现代化和自动化。铜和铜合金种类已达五百余种，铜合金所具有的高强度、高导电性、高导热性、高耐蚀性等优良的性能，使得铜和铜合金被广泛的应用于工程工业建设。现代铜和铜合金的加工已经形成了重要的工业体系，板材、带材、管材、杆材、型材、线材等多种形式的材料供应国民经济、工业建设、科技发展和国防事业的需要，从高新科技到人们日常生活，从微电子领域到家用电器，铜和铜合金无处不在。
1.1.2 铜资源
铜元素在地壳内含量排第二十七位，据美国地质调查局2000年统计数据，世界陆地及浅海近陆已探明铜资源含量约为16×108吨，深层海床已探明铜资源含量为7×108吨，共有含铜矿物约280种，其中的硫化矿、氧化矿、硫酸盐、碳酸盐和硅酸盐矿冶炼工艺简单，具有较高的开采的经济价值。富铜矿脉多分布于环太平洋地带，此地区为铜储量最丰富地地区，储量最大的国家为智利、美国，中国铜储量居世界第七位。我国陆地铜储备并不匮乏，但大型矿数量少，品质低，冶炼难度大，矿产铜不能满足我国经济发展的需求。为满足铜需求，我国正在不断推进铜冶炼加工技术的进步，重视铜冶金工艺的科研项目，提高铜精矿、粗铜、精铜和废杂铜的进口，工业生产和科学研究也越来越注重工业用铜废弃料得回收和再利用[1]。
1.1.3 铜的生产
随着现代科学技术的不断发展，铜的生产过程已经实现了高度一体化、机械化和自动化，其主要生产工序有：采矿、选矿、初步冶炼和电解精炼。铜矿有竖井开采和露天开采，矿石破碎至10mm后，进行选矿，可获得含铜量20%－30%的铜精矿石，再由冶炼厂熔炼，制成含铜量为30%－50%得冰铜，之后吹炼制备成含铜量为99.0%以上的粗铜，最后经电解获得含铜量为99.95%以上的阴极铜，就可以直接供应使用或作为加工原料[2]。
新兴的再生铜的利用与生产加工方法发展迅速，目前主要有两种方法：一，经挑选后配制各类铜合金，生产铸件和加工原材料；二，通过火法吹炼，制得粗铜锭，通过阳极炉生产阳极板，最后经电解生成阴极铜。利用废杂铜制备再生铜的生产过程主要缺点是：废杂铜中有用的合金元素，在火法吹炼过程中被大量烧损，再生铜的质量并不稳定。
二十世纪五十年代出现的闪速熔炼技术，发展迅猛，工艺不断完善进步，在铜冶炼工业中显现出巨大的优越性，是重大的技术进步，
第一章 绪 论 1
1.1 铜及铜合金简介 1
1.1.1 铜及铜合金的历史 1
1.1.2 铜资源 1
1.1.3 铜的生产 2
1.1.4 铜及铜合金的特点 2
1.1.5 铜及铜合金的物理性质及化学性质 3
1.1.6 铜及铜合金的分类 4
1.2 铜合金强化方式 10
1.2.1 铜合金性能的强化影响 10
1.2.2 细晶强化 10
1.2.3 形变强化 11
1.2.4 固溶强化 12
1.2.5 第二相强化 13
1.2.6 铜合金的强化方式选择 14
1.3 高强高导铜合金的研究现状与发展 15
1.3.1 铜镍硅系合金 16
1.3.2 铜铬锆系合金 16
1.3.3 铜铁磷系合金 16
1.4 本课题研究的目的与意义 17
第二章 实验材料与方法 18
2.1 实验材料与试样制备 18
2.2 实验过程 18
2.3 性能测试的试样制备 19
2.4 实验设备 19
第三章 实验结果与分析 21
铜铬锆系合金 16
1.3.3 铜铁磷系合金 16
1.4 本课题研究的目的与意义 17
第二章 实验材料与方法 18
2.1 实验材料与试样制备 18
2.2 实验过程 18
2.3 性能测试的试样制备 19
2.4 实验设备 19
第三章 实验结果与分析 21
3.1 实验材料CuCoSiZr合金成分确定 21
3.2 950℃固溶时效实验结果 23
3.2.1 固溶实验及分析 23
3.2.3 950℃×1h固溶后时效实验及分析 24
3.3 980℃热处理实验 25
3.3.1 980℃固溶实验及分析 25
3.3.2 980℃×2h固溶后时效实验及分析 27
3.4 冷变形实验 29
结 论 32
致 谢 33
参 考 文 献 34
第一章 绪 论
1.1 铜及铜合金简介
1.1.1 铜及铜合金的历史
纯铜表面呈紫红色，所以纯铜通常被称为紫铜，其在干燥空气中化学性质比较稳定，能长期保持金属光泽，而在潮湿的环境中会有一定程度氧化，在表面会生成一层绿色氧化物。
铜有着优良的导电性能、导热性能和耐腐蚀能力，在铜表面许多危害人健康的病菌都不能存活。铜的冶炼、加工和回收难度并不高，因此铜是人类发现、开采、加工和应用最早的金属之一，从原始社会到科技发达的现代社会，铜是人类社会利用的重要金属之一，为人类的发展与经济、社会的进步作出了不可磨灭的贡献。
早在一万年以前，西亚地区的人们就开始利用铜制品；考古学家在公元前约2750年建造的基厄普斯金字塔遗迹中，发现了铜制水管；公元前约2500年，锡青铜冶炼技术出现并走向成熟，铜质材料的硬度得到了极大的提高，打开了使用铜的广阔空间。在中华民族的发展进程中，铜的开发生产使用做出了重要的贡献。中国的青铜器时代显示出了中华民族的创造智慧，青铜被广泛的用于生活用具、兵器、农具、乐器、钱币等物品的制造，其数量、种类、制作工艺水平远高于同时代的其他地区，其代表的物品如：四羊方尊、司母戊鼎、曾侯乙编钟等等。到了宋朝，铜－镍－锌白铜的冶炼制造工艺已十分成熟，被广泛的用于制造生活用具，是世界上最早的仿银材料。
进入二十一世纪，铜的开采、冶炼、加工又步上一个新的台阶，实现了高度的一体化、现代化和自动化。铜和铜合金种类已达五百余种，铜合金所具有的高强度、高导电性、高导热性、高耐蚀性等优良的性能，使得铜和铜合金被广泛的应用于工程工业建设。现代铜和铜合金的加工已经形成了重要的工业体系，板材、带材、管材、杆材、型材、线材等多种形式的材料供应国民经济、工业建设、科技发展和国防事业的需要，从高新科技到人们日常生活，从微电子领域到家用电器，铜和铜合金无处不在。
1.1.2 铜资源
铜元素在地壳内含量排第二十七位，据美国地质调查局2000年统计数据，世界陆地及浅海近陆已探明铜资源含量约为16×108吨，深层海床已探明铜资源含量为7×108吨，共有含铜矿物约280种，其中的硫化矿、氧化矿、硫酸盐、碳酸盐和硅酸盐矿冶炼工艺简单，具有较高的开采的经济价值。富铜矿脉多分布于环太平洋地带，此地区为铜储量最丰富地地区，储量最大的国家为智利、美国，中国铜储量居世界第七位。我国陆地铜储备并不匮乏，但大型矿数量少，品质低，冶炼难度大，矿产铜不能满足我国经济发展的需求。为满足铜需求，我国正在不断推进铜冶炼加工技术的进步，重视铜冶金工艺的科研项目，提高铜精矿、粗铜、精铜和废杂铜的进口，工业生产和科学研究也越来越注重工业用铜废弃料得回收和再利用[1]。
1.1.3 铜的生产
随着现代科学技术的不断发展，铜的生产过程已经实现了高度一体化、机械化和自动化，其主要生产工序有：采矿、选矿、初步冶炼和电解精炼。铜矿有竖井开采和露天开采，矿石破碎至10mm后，进行选矿，可获得含铜量20%－30%的铜精矿石，再由冶炼厂熔炼，制成含铜量为30%－50%得冰铜，之后吹炼制备成含铜量为99.0%以上的粗铜，最后经电解获得含铜量为99.95%以上的阴极铜，就可以直接供应使用或作为加工原料[2]。
新兴的再生铜的利用与生产加工方法发展迅速，目前主要有两种方法：一，经挑选后配制各类铜合金，生产铸件和加工原材料；二，通过火法吹炼，制得粗铜锭，通过阳极炉生产阳极板，最后经电解生成阴极铜。利用废杂铜制备再生铜的生产过程主要缺点是：废杂铜中有用的合金元素，在火法吹炼过程中被大量烧损，再生铜的质量并不稳定。
二十世纪五十年代出现的闪速熔炼技术，发展迅猛，工艺不断完善进步，在铜冶炼工业中显现出巨大的优越性，是重大的技术进步，
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