锡在反向凝固C_S线中的分布及其对组织与性能的影响.pdf

第5 7 卷第3 期 2005 年8 月 有色金属 N 0 1 3 _ f e r I ．o u M e t a l s V 0 1 ．5 7 ．N o ．3 A u g u s t2 0 05 锡在反向凝固C ／S 线中的 分布及其对组织与性能的影响 孙跃军1 ，王晓峰2 ，一，仲伟深1 1 ．辽宁工程技术大学材料系，辽宁阜新12 3 0 0 0 ；2 ．郑州市职业技术学院，郑州4 5 0 1 2 1 ； 3 ．天津大学机械学院，天津3 0 0 0 7 2 摘 要利用反向凝固技术制备铜包钢电车线试样，分析锡元素在试样中的分布规律，研究锡元素对试样显微组织、硬度、电 阻率的影响。结果表明，在反向凝固中，锡可以分布于试样的表面，细化晶粒，提高试样的硬度，同时使电阻率升高。综合考虑电 车线的使用性能，以含锡量为0 ．8 ％时效果最佳，有应用价值。 关键词金属材料；铜包钢电车线；反向凝固；显微组织；硬度；电阻率；锡 中图分类号U 2 2 5 ．4 1 ；T G l l 3 ．2 ；T G l 4 6 ．1 2 文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 I 2 0 0 5 0 3 0 0 2 1 0 3 近年来，随着经济的发展，铁路运输的地位越来 越重要。各国在铁路运输市场的竞争越来越激烈， 竞争的焦点之一便是列车的速度。西方一些国家的 列车速度已达高速，而我国目前使用的列车主要是 准高速，制约列车提速的因素有很多，其中电车接触 网导线 简称电车线 便是其中的主要因素之一。若 使列车提速，电车线必须达到如下性能要求L lJ 良 好的导电性；高的抗拉强度；良好的耐高温强度；良 好的耐磨性和一定的平直度。铜包钢电车线 简称 C ／S 线 具有较高的抗拉强度和良好的导电性，在铁 路市场有良好的应用前景，正逐渐成为研究的热点。 从提高铜包钢电车线强度和耐磨性入手，研究了合 金元素在C ／S 线中的分布与作用规律，为提高电车 线的性能提供依据。 1实验方法 1 ．1 材料与设备 试验用主要材料为纯铜 纯度为9 9 ．9 5 ％ 、纯 锡、梯形钢芯 普通A 3 钢，上底4 m m ，下底6 r a m ，高 6 m m 。 试验所用设备主要有S R J L 一8 1 3 型高温熔炼 炉，熔炼铜及铜合金溶液；自制反向凝固结晶器，见 图1 ，制备C ／S 线试样；H B 3 0 0 型布氏硬度计，测试 试样布氏硬度；Z J L 一0 2 型立式显微镜，观察试样显 收稿日期2 0 0 4 0 3 2 9 作者简介孙跃军 1 9 7 2 一 ，男，内蒙古赤峰市人，讲师，硕士，主要 从事金属强韧化研究。 微组织；S S - 5 5 0 型扫描电镜，分析锡元素分布。 1 一滑轮 2 一石墨套 3 一铜套 4 - 瓷套 5 一电阻丝 6 - 石棉布 7 一水泥套 8 一石棉布2 9 一钢板底座 l o - 轻质粘土砖 1 l - 热电偶 图1 结晶器示意 F i g ．1S c h e m eo fc r y s t a l l i z i n ge q u i p m e n t 1 ．2 试样的制备与检测 试样的成分与工艺见表1 和图2 。其中铜的熔 炼温度为1 2 0 0 ℃，保温时间3 0 m i n ，加入合金元素 后，放人炉中保温2 0 m i n ，取出搅拌，再放人炉中升 温至1 1 5 0 ℃，保温1 0 m i n 后浇注，结晶器温度为 8 0 0 ℃。试样浇铸后铜线外径为1 8 m m 。 表1 试样的成分 T a b l e1 I n g r e d i e n t so fs a m p l e s 试样序号 1234 C u1 0 09 9 ．69 9 ．29 8 _ 8 S n00 ．40 ．8】．2 用H B 3 0 0 型布氏硬度计测试硬度，用z J L ．0 2 型立式显微镜观察显微组织，用S S 一5 5 0 型扫描电镜 测合金元素分布，用双电桥法测电阻。 万方数据 有 色金属第5 7 卷 图2 试样的制备工艺 F i g ．2M a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fs a m p l e 2试验结果 2 ．1 试样的宏观组织 图3 和图4 为1 号和3 号试样的宏观组织形 貌。由图可见，靠近试样心部的钢芯处，铜及铜合金 铸态宏观组织为细等轴晶，向外为柱状晶和粗等轴 晶，在试样边缘处也出现了少量的细等轴晶。 图31 号试样的宏观组织 F i g ．3 M a c r o s t r u c t u r eo fs a m p l e1 图43 号试样的宏观组织 F i g ．4 M a c r o s t r u c t u r eo fs a m p l e3 2 ．2 试样中合金元素的分布 试样中合金元素的分布见图5 以钢芯处为坐 标零点向外扫描 。 术 、 誊 翻 缸 寝 04 0踟L201 6 I 距离／m m 图5 锡在试样横截面中的分布 F i g ．5 D i s t r i b u t i o no fS na c r o s ss a m p l e 由图5 可知，锡含量在试样的中间部位最高，在 邻近钢芯处和结晶器铸模处含量较低，其中在邻近 钢芯处含量最低。 2 ．3 试样的显微组织 试样的显微组织见图6 ，从左到右依次为1 、 图6 试样1 的显微组织 1 0 0 F i g ．6 M i c r o s t r u c t u r eo fs a m p l e1 2 和4 试样。 由图6 可知，随锡含量增加，晶粒逐步细化。 2 ．4 试样的硬度 试样的布氏硬度如表2 所示。由表2 可以看 出，1 号试样的硬度分布为两边高中间低，而试样2 和试样3 及试样4 的硬度分布为中间高两边低。随 着锡含量的增加，试样的硬度增大。 表2 试样的布氏硬度 T a b l e 2H a r d n e s so fs a m p l e s 2 ．5 试样的电阻率 表3 为试样的导电率。表3 显示，随着锡含量 6 5 4 3 2 1 0 万方数据 第3 期孙跃军等锡在反向凝固C ／S 线中的分布及其对组织与性能的影响2 3 的增加，试样的电阻率逐渐增大，当锡含量超过 0 ．8 ％时，电阻率增加幅度较大。 表3 试样的电阻率 T a b l e3R e s i s t i v i t yo fs a m p l e s 3结果分析 铜及铜合金铸态宏观组织为细等轴晶，向外为 柱状晶和粗等轴晶，这说明铜液结晶时由内向外进 行，和正常的结晶顺序相反。在试样的边缘处出现 少量细等轴晶是由于结晶器加热温度低所致 结晶 器加热温度为8 0 0 ℃ 。根据溶质重新分布原理【2J ， 对于K 。 1 的合金元素，在最后凝固的部位固相溶 质浓度最高，由于试验中结晶器温度受到限制，所以 反向凝固不彻底，因此，在铜液结晶时从钢芯处和结 晶器铸模同时进行，溶质从两侧向中间富集，造成中 间部位溶质的浓度最高，见图5 。锡的加入可以使 铜液熔点降低，过冷度增大，晶粒细化[ 3 ] 3 。锡含量 越多，细化效果越明显。根据霍尔佩奇公式【2J ，晶 粒越细，强度越高。同时，锡还起到固溶强化作用， 同样提高试样的强度，一般情况下，强度与硬度成正 比，所以锡含量越多，试样的硬度越高。1 号试样的 硬度分布为两边高中间低，这是由于靠近钢芯处和 试样边缘处有较大的过冷度，铜液结晶时的晶粒较 为细小，所以两侧硬度高，而2 、3 和4 试样的中 间部位富集了大量的锡，以锡的细化作用为主，所以 试样中间部位硬度高。尽管锡的加入可细化晶粒， 提高试样的硬度，但试样的电阻率却随之提高，尤其 是锡含量较高时，电阻率上升明显。晶粒越细，晶界 越多，对电子散射越强，所以试样的电阻率越大。 综合上述分析，利用反向凝固技术制造的C ／s 线，可以使锡元素分布于线的表面，提高试样的耐磨 性，但试样的电阻率升高。综合考虑电车的性能要 求，锡含量为0 ．8 ％时，试样综合了钢芯的强度和铜 良好的导电性，有较好的性能，经过进一步的深入研 究和开发有较强的实用价值。 参考文献 [ 1 ] 黄崇淇．轮轨高速电气化铁路接触网用接触线的生产现状及发展趋向[ J ] ．电线电缆，1 9 9 9 ， 6 2 7 ． [ 2 ] 侯增寿，卢光熙．金属学原理【M ] ．上海上海科技出版社，1 9 9 0 1 2 7 1 3 2 ． 【3 ] 仲伟深，付大军，孙跃军．锡对铜一银一锡合金电车线性能的影响[ J ] ．辽宁工程技术大学学报，2 0 0 0 ，1 9 6 6 2 9 6 3 1 ． D i s t r i b u t i o no fS ni nC u ／S t e e lW i r ea n dE f f e c to nM i c r o s t r u c t u r ea n dP r o p e r t i e s S U NY u e - j u n1 ，W A N GX i a o - f e n 9 2 ”，Z H O N GW e i s h e n 1 ． 1 ．M a t P r i n ls c 搪咒c e 口咒dT e c h 咒。如斜D e p a r t m e n t ，L i ∞咒i 以gT e c h 扎池zU n i v e r s i t y ，F 。旺砌1 2 3 0 0 0 ，L 缸。咒i n g ，C h i n a ； 2 ．Z h e n g z h o uP r o f e s s i o n a la n dT e c h n i c a lS c h o o l ，Z h e n g z h o u4 5 0 1 2 1 ，C h i n a ； 3 ．M e c h a n i c a lS c h o o l ，T i a n J i nU n i v e r s i t y ，T i a 巧i n3 0 0 0 7 2 ，C h i n a A b s t r a c t T h es a m p l e so fc o p p e r ／s t e e lw i r ea r em a n u f a c t u r e db yr e v e r s i n gs o l i d i f i c a t i o nt e c h n o l o g y ，a n dt h et i nd i s t r i b u t i o na n dt h ee f f e c to nm i c r o s t r u c t u r e ，h a r d n e s s ，r e s i s t i v i t yo ft h es a m p l e sa r ea n a l y z e d ．T h er e s u l ts h o wt h a t t i ni sd i s t r i b u t e do nt h es u r f a c eo ft h es a m p l em a d eb yr e v e r s i n gs o l i d i f i c a t i o n ，a n dt h eg r a i ni sf i n e d ，t h eh a r d - n e s sa n dr e s i s t i v i t ya r ei n c r e a s e d ．B a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v ep r o p e r t yo ft h ec o p p e rw i r e ，t h eo p t i m u mc o n t e n t o ft i ni s0 ．8 ％．a n dt h ec o p p e rw i r ew i t ht h e s ec o m p o n e n t sw i l lb ep r a c t i c a l l ya p p l i e d ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；c o p p e r ／s t e e lw i r e ；r e v e r s i n gs o l i d i f i c a t i o n ；m i c r o s t r u c t u r e ；h a r d n e s s ； r e s i s t i v i t y ；t i n 万方数据