高强高导Cu-Sn合金的制造及其性研究
任务书
1．课题意义及目标
学生应通过本次毕业设计，了解高强高导铜合金研究的背景，目的及意义， 了解高强高导铜合金熔炼的过程及工艺，了解金属材料组织和力学性能的检测方法，为学生在毕业后从事材料成型技术工作打好基础。
2．主要任务
（1）查阅10篇以上的科技文献。
（2）掌握高强高导Cu-Sn合金的成分特点、制造工艺。 （3）高强高导Cu-Sn合金的导电性、力学性能研究
（4）获得高强高导Cu-Sn合金的具体成分、制造工艺参数及导电性、力学性能 指标。
（5）完成毕业设计的说明书、外文资料等。 3．主要参考资料
[1] 王笑天．金属材料学[M]．北京：机械工业出版社，1987，267-274 [2] 王深强等.高强高导铜合金的研究现状与展望[J]．材料工程，1995（7），3 [3] 王晓娟，蔡薇，柳瑞清等.铜合金引线框架材料现状与发展[J].江西有色金属，2004，18（1）；31-34
4．进度安排 1 2 3 设计（论文）各阶段名称 查阅科技文献，完成开题答辩 高强高导Cu-Sn合金的制造工艺工艺研究，完成中期检查 高强高导Cu-Sn合金的性能研究起 止 日 期 12月1日~12月31日 1月1日~3月10日 3月11日~4月30日 5月1日~5月15日 5月16日~6月10日 4 高强 5 整理资料，撰写论文，准备答辩
审核人：
年 月 日
高强高导Cu-Sn合金的制造及其性能研究
摘 要：铜和铜合金具有良好的导电性、热导率和优良的耐腐蚀性能，广泛应用于电力、电子、机械制造和其他重要部门。随着我国电气化铁路的迅速发展，列车的运行速度越来越快，这就要求在加大接触线悬挂张力的同时还要提高其载流能力和运行中的稳定性，以改善机车受流质量。如何使接触线材料铜合金具备高强度、良好的导电性能是目前研究重点。
本文通过对高强高导CuSn合金和CuSnFe合金的制备，并且对铸态、正火态CuSn合金棒材的性能研究和比较，得出结论，在CuSn合金中随着含锡量的增加，其合金的摩擦系数有所提高，在铸态和正火后的CuSnFe合金，随着含铁量的增加，摩擦系数出现相反的变化趋势。
仅仅依靠在Cu合金单一的添加元素和析出相来强化铜合金材料，所起到的作用显然是有限的，因此在CuSn合金中加入Fe元素之后在经过正火不仅能提其导电性能，而且还能增加合金的机械加工以及其他需要高强度高导电的行业中。 关键词：铜合金、高强、高导、接触线、电导率
With high strength and high conductivity of Cu - Sn alloy manufacture and its performance study
Abstract：Copper and copper alloy with good electrical conductivity, thermal conductivity and excellent corrosion resistance, widely used in electricity, electronics, machinery manufacturing, and other important industrial sector. Through to the preparation of the alloy with high strength and high conductivity CuSn alloys and CuSnFe and as-cast, normalizing CuSn alloys bar performance research and compare both.With the rapid development of electrified railway in our country, the speed of train running faster and faster, which requires the contact wire suspension with tension and improve the stability of the current-carrying capacity and operation, to improve the quality of locomotive by flow.How to make the line of contact materials of copper alloy with high strength, good electrical conductivity is the research focus.
This paper through high strength and high conductivity CuSn alloys and CuSnFe alloy preparation,And for the as-cast state, as-normalized condition CuSn alloys bar
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performance study and the comparison, concluded that with the increase of sn content in the CuSn alloys and its alloy friction coefficient increased,After as-cast and as-normalized condition CuSnFe alloy, with the increase of iron content, the coefficient of friction in the opposite change tendency.
Just rely on the Cu alloy single add elements and precipitated phase to strengthen copper alloy materials, play a role is clearly limited, so after adding Fe element CuSn alloys after as-normalized condition can not only improve the electrical conductivity, but also can increase the hard alloy machinery processing and other industries of need high strength and high conductivity.
Keywords: Copper alloy、 high strength 、 high conductivity、contact wire、conductivity
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目 录
1 前言..........................................................1 2 高强高导CuSn合金和CuSnFe合金的制备..........................4 2.1 高强高导CuSn合金CuSnFe合金的制备过程........................4 2.2 配料..........................................................5 2.3 酸洗与烘干....................................................5 2.4 高频熔炼......................................................5 2.5 去气处理......................................................5 2.6 红外线测温或热电偶测温........................................5 2.7 真空感应熔炼..................................................5 2.8 浇注..........................................................6 3 铸态CuSnFe合金棒材的性能研究.................................7 3.1 铸态CuSnFe合金微观组织观察...................................7 3.1.1 使用的设备、仪器、工作原理、实验条件..........................7 3.1.2 实验金相图片..................................................8 3.2 铸态CuSnFe合金摩擦、磨损性能.................................9 3.2.1 使用的设备、仪器、工作原理、实验条件..........................9 3.2.2 工作原理......................................................9 3.2.3 实验条件......................................................9 3.2.4 实验结果......................................................10 3.2.5 不同材料的摩擦、磨损性能比较，得出结论........................10 3.2.6 实验所得结论..................................................11 3.3 铸态CuSn或CuSnFe合金的硬度..................................12 3.3.1 使用的设备、仪器、操作规程、实验规范..........................12 3.3.2 工作原理......................................................12 3.3.3 实验条件......................................................12 3.3.4 测得硬度值....................................................12 3.3.5 不同材料的硬度值比较，得出结论................................12 3.4 铸态CuSn或CuSnFe合金的导电性能..............................13
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3.4.1 使用的设备、仪器...............................................13 3.4.2 实验条件.......................................................13 3.4.3 电阻率、导电率的计算...........................................13 3.4.4 不同材料导电性能比较，得出结论.................................14 4 正火态CuSn或CuSnFe合金棒材的性能研究.........................15 4.1 正火态CuSn或CuSnFe合金微观组织观察...........................15 4.1.1 介绍使用的设备、仪器、实验条件.................................15 4.1.2 金相图片.......................................................15 4.1.3 与铸态微观组织之间的差别.......................................16 4.2 正火态CuSn或CuSnFe合金摩擦、磨损性能.........................16 4.2.1 使用的设备、仪器、实验结果.....................................16 4.2.2 工作原理.......................................................16 4.2.3 实验条件.......................................................17 4.2.4 实验结果.......................................................17 4.3 不同材料的摩擦、磨损性能比较，得出结论.........................18 4.4 与铸态合金摩擦、磨损性能比较...................................19 4.5 正火态CuSn或CuSnFe合金的硬度.................................19 4.5.1 使用的设备、仪器...............................................19 4.5.2 工作原理.......................................................19 4.5.3 实验条件.......................................................19 4.5.4 测得硬度值.....................................................20 4.6 不同材料的硬度值比较，得出结论.................................20 4.7 与铸态合金硬度值比较...........................................20 4.8 铸态CuSn或CuSnFe合金的导电性能...............................20 4.8.1 使用的设备、仪器...............................................20 4.8.2 实验条件.......................................................20 4.8.3 电阻率、导电率的计算...........................................20 4.8.4 不同材料导电性能比较，得出结论.................................21 4.8.5 与铸态合金的导电性能比较.......................................22 5 结论............................................................23
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参考文献.............................................................24 致谢.................................................................25
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1 前言
由于铜及铜合金具有良好的导电、热、导耐腐蚀性以及优良的工艺性能和较高的强度，广泛应用被用于电力、电工、机械制造等重要工业部门．随科学技术和现代工业的发展，铜及铜合金的性能提出了更高的要求。大规模集成电路的引线框架、各种点焊、滚焊机的电极、大型高速涡轮发电机的转子导线、触头材料、电动工具的换向器、大型电动机车的架空导线、高压开关簧片、微波管以及宇航飞行器的元器件等都要求材料在保持优异的导电性能的同时、具有更高的强度、热交换环境中的连铸机结晶器内衬、电厂锅炉内喷射式点火喷孔、气割枪喷嘴等，不仅要求材料具有高的热导率，而且有足够高的强度。因此人们在不断的探索具有优良的综合物理性能和力学性能的功能材料——高强高导铜合金，以满足对铜合金材料的新要求。
早在20世纪70年代，电子工业的飞速发展，英、美、日等发达国家就对高强高导铜合金进行了系统的研究，并开发了一系列的产品。20世纪80年代以来，我国也开始进行大量高强高导铜合金的开发和研制工作，对逐步建立我国高性能铜合金体系、研究性能优异的高性能铜合金，具有重要的现实意义。
随着我国电气化铁路的迅速发展，列车的运行速度越来越快，这就要求在加大接触线悬挂张力的同时还要提高其载流能力和运行中的稳定性，以改善机车受流质量。接触线是整个电气化列车运行体系中的关键部件，因此要求接触线材料必须具备高强度、耐高温、耐磨损、良好的导电性能和高的抗软化温度。目前，欧洲、中国普遍采用铜银合金接触线，这种材料满足了250Km/h的列车运行速度，但是要满足350-400Km/h或者是更高速的电气化铁路列车，就必须研究开发新型的接触线材料，而接触线材料理想的性能指标为：抗拉强度>550MPa，导电率>80%IACS，使用温度在300℃时的抗拉强度下降率在15%以下。
目前，国内外电气化高速铁路使用的接触线主要分为三大类：(1)纯铜接触线；(2)铜合金接触线；(3)复合材料接触线。
纯铜接触线是一种经过拉拔后不经过退火就直接使用的硬铜导线，纯铜电车接触线一般是通过冷作硬化来提高合金材料强度的，纯铜的导电性能非常好，因此纯铜电车接触线导电率在97%IACS左右，但是纯铜电车接触线的抗拉强度比较低，在350MPa
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左右，并且高温时接触线强度比较低，很容易软化，特别是在高温时抗拉强度大幅度下降。资料显示纯铜接触线的最高温度不大于100℃时，抗拉强度在350MPa以上，但是温度大于150℃后，抗拉强度就会急速下降。温度为250℃时，抗拉强度为226MPa。很显然纯铜接触线是不宜在高速下使用的。
铜合金接触线相对于纯铜接触线来讲，抗拉强度较高，耐磨性好，生产时在铜中加入少量的合金元素，通过微合金化在保持接触线一定电导率的条件下来提高接触线的强度和高温软化性能，国外高速电气化铁路几乎上全部采用了铜合金接触线。在我国，按照最新的铜合金接触线标准来划分，基本上可以分为三种：铜银、铜锡、铜镁。
铜银合金接触导线在铜中添加0.08%～0.12%的微量元素银，“银”属于固溶强化型合金元素，加入到熔融的铜中与铜形成固溶体而使材料得到强化，虽然会不同程度地降低铜基材料的导电率，而耐热性却得到了大大的提高，铜银合金接触线的使用温度可达到纯铜接触线的近两倍。
铜锡合金接触线是在铜中添加0.13%的微量元素锡，锡与银同样属于固溶型合金元素，虽然会使导电率较大幅度降低，但可大大改善其耐摩耗性能，提高材料的强度，并且使耐热性能保持在与铜银合金接触网导线同等或以上水平，所以作为耐摩耗、耐热型接触线被广泛使用。目前用连铸连轧+拉拔工艺生产的铜锡合金接触线已经得到业界的认可，并且有在准高速和高速电气化铁路建设中被大量使用的趋势。现在法国在时速300-350Km/h的高速列车接触线中所研制的铜锡120接触线材料，抗拉强度为360MPa，接触线的导电率为70%IACS。日本是电气化铁路使用较早、合金化技术处于前沿的国家，日本在1992年开发出了GT-SN型铜锡接触线，以适应电气化铁路高速、高寿命的要求。该新型接触线与普通的铜锡合金接触线相比具有同等导电率、同等或以上的耐疲劳性，通过特殊的合金成分设计和加工工艺，增加锡元素含量，高温下的抗拉强度与延伸率得到改善的同时，耐摩性和强度比普通铜锡合金接触线更加优异，在300Km/h的高速运行中具有良好的集电性能和运行稳定性。
铜镁接触线在生产过程中存在着一定的问题，镁为活泼金属元素，铜镁合金的熔炼、加工和成形要求必须具备高装备技术水平。在铜镁合金接触线的生产中, 如果镁含量过高，铸造工艺与冷加工工艺的控制难度增大，而镁含量过低，则达不到所需要的强度要求。要实现铜镁冶金材料的规模化连续生产，在加工工艺方面还存在较高的难度。复合型接触线作为解决铁路高速化的主要手段之一，如TA接触网导线和CS接触网导线。以钢作为芯材被覆金属铝或在钢芯上被覆金属铜，来提高材料的强度和耐
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摩性，得到高张力性、轻量性、耐摩性等重要性能指标，但由于其不同材料的热膨胀系数与废线处理等问题，目前在使用上还受到了比较大的限制。
目前常用的高速电气化铁路接触线主要通过固溶强化和冷作硬化来提高接触线强度的，比如常用的银铜、镁铜、锡铜电车接触线，这种强化方式存在着明显的不足，首先固溶强化的效果不是很明显，合金接触线中如果固溶的元素太多，则极大地损害接触线的导电性能；其次冷作硬化所产生的强度提高，在较高温度时接触线不能很好地保持，材料会发生不同程度的软化现象。
日本是电气化铁路使用较早、合金化技术处于前沿的国家，1992年开发出了GT-SN型接触导线，以适应电气化铁路高速、高寿命的的要求。该新型接触导线与普通的铜锡合金接触导线相比具有同等导电率、同等或以上的耐疲劳性，通过特殊的合金成分设计和加工工艺，增加锡元素含量，高温下的抗拉强度与延伸率得到改善的同时，耐磨性和强度比普通铜锡合金接触线更加优异，在300km/h的高速运行中具有良好的集电性能和运行稳定性。
日本研究开发的PHC-110型铜铬锆合金接触导线，其抗拉强度和导电率分别达到555MPa和78.8%IACS。这种析出强化型合金在生产中必须进行热处理才行。将铬锆铜合金做成大长度放入接触线，实现大规模生产，还缺少此类大型的热处理和熔炼设备及热冷加工工艺，特别是大规模连续生产的热加工工艺尚需摸索。目前国内生产厂商借鉴上述材质的开发，通过小型试验表明，含0.05%Zr元素的100mm2铜锡合金接触线的抗拉强度和导电率分别达到468MPa和79%。
现在法国在时速为300km-350km的接触网中研制和试用的锡铜-120接触线、常温抗拉锡铜-120接触线，其抗拉强度和导电率分别为360.8MPa和70%IACS。德国在开发的时速达330km的Re-330型接触网中研制的镁铜-120接触导线的抗拉强度和导电率分别达到503MPa和70%IACS，取得了预期的效果。我国自行研制的0.04%Ag-0.07Sn-Cu铜合金接触线抗拉强度和导电率分别达到409MPa和90%IACS，运行速度可达180-200km/h。
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2 高强高导CuSn合金和CuSnFe合金的制备
目前获得高强度高导电性能铜合金的主要途径有合金化法和复合材料法两种。合金化法是传统高强高导铜合金的制备方法，它通过固溶强化、沉淀强化、细晶强化和形变强化等手段来强化铜基体，技术较成熟，工艺较简单，成本较低，适宜规模化生产，强度一般低于550MPa，电导率一般不超过80%IACS。随着研究的深入，先后出现了一些新工艺、新技术、新动向，将对高强高导铜合金今后的研制开发产生深远的影响。目前许多工作集中于研究Cu—Ag、Cu—Cr等合金。但由于这些合金的原材料价格较于昂贵，制备工艺复杂，致使成本高，影响应用前景。Cu—Fe合金是其中成本最低的一种合金系，已有不少学者进行了研究。由于铁在铜中有较高的溶解度，而铁从铜中析出的速度很低，同时铁是能引起铜电阻大幅度提高的元素之一。如果对合金进行冷变形加工，在达到一定的变形度后，在组织中的铁相可演变成细密的纤维形态而使合金成为纤维增强的双相微复合材料。若在合金冷加工过程中结合采用优化的中间热处理工艺，可使铜合金在获得高强度的同时保持相对高的导电性。 2.1高强高导CuSn合金CuSnFe合金的制备过程
如图2.1所示的制备过程 红外线测温 浇注（铜模） 去气处理 热电偶测温 高频熔炼 真空感应熔炼 酸洗、烘干 配料 Φ12mm×45cm合金试棒
图2.1 铸态CuSn和CuSnFe合金棒材的制取过程
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2.2 配料：以电解铜、工业纯铁和工业纯锡为原料。采用电子天平进行精确配料。 2.3 酸洗与烘干：实验所用电解铜和工业纯铁需经酸洗与烘干，去除原料表面的锈蚀和污垢。
2.4 高频熔炼：由于实验材料成分变化多，但各种配料的质量却较少，采用高频熔炼可以降低原料成本。由于高频熔炼选用纯石英坩埚，从而避免了一般炉衬对液体金属的污染。高频熔炼可以在真空+惰性气体保护或大气环境下进行，为了方便生产应用，我们选择在大气环境下进行熔炼，如图2.2所示。
图2.2 高频熔炼现场
2.5 去气处理：在大气环境下熔炼铜合金，液体金属具有一定的吸气倾向，为了减少试棒的气缩孔缺陷，在浇注之前应加石墨取气。
2.6 红外线测温或热电偶测温：浇注温度低，容易出现浇不足和冷隔缺陷；浇注温度过高，气缩孔和热裂缺陷容易发生。实验采用红外线测温探索了浇注温度问题，研究表明：含Fe量小于10%的CuFe（Sn）合金，其浇注温度应控制在1650℃上下；对于含Sn量小于5%的CuSn合金来说，其浇注温度应控制在1150℃上下。
2.7 真空感应熔炼：真空感应熔炼可有效地防止冶炼过程中液体金属的吸气和氧化，减少气缩孔缺陷的形成倾向。但由于抽真空的需要，真空感应的熔炼周期较长；我们真空感应炉，如图2.3所示，所使用的最小坩埚容积为5Kg, 为了有效感应，每次熔炼量最少3Kg, 原料消耗量大，故只用来对重点成分进行研究。
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图2.3 真空感应熔炼
2.8 浇注：浇注模具采用了黄铜模具。其主要目的是增加凝固过程中的冷却速度，以达到细化晶粒和提高强度的效果。
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3 铸态CuSnFe合金棒材的性能研究 3.1 铸态CuSnFe合金微观组织观察
3.1.1、使用的设备、仪器、工作原理、实验条件
图3.1.1XJP-6A金相显微镜
设备名称：三目倒置金相显微镜 型号：XJP-6A
生产商：上海研润光机科技有限公司
工作原理：用于鉴定和分析金属内部结构组织，是金属学研究金相的重要仪器，是工业部门鉴定产品质量的关键设备。该仪器配有摄像装置，可摄取金相图谱，对图谱进行测量分析，对图像进行编辑、输出、存储、管理等功能。
实验条件：选取制取的材料棒料，经线切割成较平整的圆面，先用400号粗砂纸打磨成平正面，再用80号细砂纸磨成光亮面，对已磨成的平面进行抛光，选用金相试样抛光机进行抛光，去除表面的磨痕以及刮痕，等到规定的要求之后对抛光表面进行腐蚀。所选取的腐蚀液为1gFeCl3+20ml乙醇+100ml水如图3.1.2，待表面腐蚀干燥后进行金相组织观察。
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图3.1.2 腐蚀液为1gFeCl3+20ml乙醇+100ml水
3.1.2、实验金相图片
图1 CuSnFe合金金相照片
图2 CuSnFe合金金相照片
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3.2 铸态CuSnFe合金摩擦、磨损性能
3.2.1使用的设备、仪器、工作原理、实验条件
如图3.2.1 立式万能摩擦磨损试验机
设备名称：立式万能摩擦磨损试验机 型号：MMW-1 （如图3.2.1） 最大试验力：1000N
生产商：上海研润光机科技有限公司
3.2.2、工作原理：立式万能摩擦磨损试验机是由主轴驱动系统，摩擦副专用夹
具，油盒与加热器，试验力传感器，摩擦力矩测定系统，摩擦副下副盘升降系统，弹簧式微机施力系统，操纵面板系统等部分组成。它们都安装在以焊接机座为主体的机架内。机座的右上方是试验机操作显示系统，左上方是主轴驱动系统和油盒，摩擦副，各种传感仪器等，机座的左下部是试验机弹簧式施力系统和微机自动加荷系统，右下部是工具箱，机座的前后及左侧有门，打开时能清楚看到内部机构，以便进行调试检修。该机主要以滑动、滚动和滑滚复合运动摩擦形式，在较低的接触压力下，选择不同的摩擦副形式，用于评定润滑油、润滑脂的长时抗磨损性能，以及金属、塑料、橡胶、陶瓷、涂层等材料的摩擦磨损性能。该机可以测定摩擦力矩，计算摩擦系数，计算机全自动控制，显示温度-时间曲线、摩擦系数-时间曲线、摩擦力-时间曲线、转速-时间曲线、试验力-时间曲线、摩擦力矩-时间曲线。配有高精度测量装置，可测量摩擦副磨斑尺寸，或实现摩擦副磨斑的计算机屏幕显示、测量和记录 。
3.2.3、实验条件：由于棒料比较短，且较细，难以在立式万能摩擦磨损试验机
上牢固的固定，因此在测量摩擦磨损系数的时候我们选用金相试样镶嵌机对实验棒料
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进行镶嵌固定，待镶嵌完之后把表面磨光，然后固定在立式万能摩擦磨损试验机上进行实验测量。
3.2.4、实验结果：
实验条件：实验载荷50N，主轴转速50r/min，实验时间300s
图1摩擦力-时间曲线
实验条件：实验载荷200N，主轴转速100r/min，实验时间300s
图2摩擦力-时间曲线
3.2.5、不同材料的摩擦、磨损性能比较，得出结论
实验载荷50N主轴转速50r/min时的摩擦系数（表1）
表3.1实验载荷50N主轴转速50r/min时的摩擦系数
合金 Cu0.3%Sn Cu0.5%Sn4%Fe 摩擦系数 0.13 0.23
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实验载荷100N主轴转速50r/min时的摩擦系数（表2）
表3.2 实验载荷100N主轴转速50r/min时的摩擦系数 合金 Cu0.3%Sn Cu0.5%Sn4%Fe 摩擦系数 0.123 0.13 表3.3实验载荷200N主轴转速50r/min时的摩擦系数 合金 Cu0.3%Sn Cu0.5%Sn4%Fe
摩擦系数 0.142 0.125 实验载荷100N主轴转速100r/min时的摩擦系数（表4）
表3.4 实验载荷100N主轴转速100r/min时的摩擦系数
合金 Cu0.3%Sn Cu0.5%Sn4%Fe 摩擦系数 0.13 0.15
实验载荷100N主轴转速200r/min时的摩擦系数（表5）
表3.5 实验载荷100N主轴转速200r/min时的摩擦系数
合金 Cu0.3%Sn Cu0.5%Sn4%Fe
摩擦系数 0.11 0.05 3.2.6、实验所得结论：由实验数据可以看出，不同的材料在增大加载力或增大
主轴转数的情况下，摩擦系数有所提高。在CuSn合金中，随着含锡量的增加摩擦系数呈现明显的增加。在CuSn合金中加入Fe元素时，摩擦系数相比有所下降。
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3.3 铸态CuSn或CuSnFe合金的硬度
3.3.1、使用的设备、仪器、操作规程、试验规范
设备、仪器： HARDNESS TESTER DHB—3000
硬度实验操作规程 实验规范
3.3.2、工作原理：布氏硬度计的工作原理把一定直径的钢球，在一定试验力作
用下,以一定的速度压入试样表面,经规定的试验力保持时间后卸除试验力。以试样压痕球形表面积上的平均压力来表示金属的布氏硬度值。
3.3.3、实验条件：用镶嵌好的铜棒材料，在布氏硬度计上进行测量。实验载荷：
250N，钢球直径：5mm，预留时间：15s
3.3.4、测得硬度值：压痕直径：d=1.66mm
查表可知布氏硬度HBS=112
3.3.5、不同材料的硬度值比较，得出结论
表3.6不同材料试样的布氏硬度值（铸态）
合金 Cu0.3%Sn Cu0.5%Sn4%Fe
布氏硬度(HBS） 46.7 78.7 12
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得出结论：由表可知在CuSn合金中随着含锡量的增加，测得棒料的布氏硬度值有
所增大，在CuSn合金中加入铁元素，则其布氏硬度值明显的提高，在CuSnFe合金中，随着铁含量的增加，布氏硬度也明显的增大，可以得出，在Cu中加入Sn会降低纯铜的布氏硬度，CuSn合金的布氏硬度低于纯铜的布氏硬度，反而在CuSn合金中加入铁之后，布氏硬度明显的提高，因此铁可以有效的提高CuSn合金的硬度，能更好的用于机械加工行业。
3.4 铸态CuSn或CuSnFe合金的导电性能 3.4.1、使用的设备、仪器
使用的设备、仪器：数字电桥FLUKE PM6304
3.4.2、实验条件：去除棒料外面的镶嵌，磨平圆柱棒料的上下端面，由于电阻
的大小跟材料的长度和截面积的大小有关，在测量铜棒的电阻时我们采用热电偶丝作为导线连接铜棒的上下端面，热电偶丝的电阻可以忽略不计，确保热电偶丝与铜棒点接触，然后用绝缘塑料夹固定棒料的两端，用数字电桥FLUKE PM6304连接热电偶丝另外两端，测的电阻值，室温20℃。
3.4.3、电阻率、导电率的计算
数据：电阻Rt=2*10Ω 棒料直径d=12.50mm 棒料长度L=9.60mm
ρ20 =
其中 ρ20 --- 20℃时的体积电阻率 （Ω.mm2/m ） Rt ---室温下标距长度的电阻（Ω）； S ---试样的截面面积（mm）；
L ---试样的标距长度（m）； t ---室温（℃）；
K---温度系数，计算公式见公式（2）
K=250/(230+t) (2)
由公式（1）、（2）计算出20℃的 ρ20 =2.6*10Ω*m
13
-8
2
-6
Rt×S L ×K （1）
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I.A.C.S 相对导电率计算公式见公式（3）： I.A.C.S相对导电率= 20℃标准铜导线的电阻率 ρ20 ×100% （3） 20℃标准铜导线的电阻率为0.017241Ωmm2 /m 由公式（3)计算出 I.A.C.S相对导电率=66%
3.4.4、不同材料导电性能比较，得出结论
表3.7 不同材料试样的导电率（铸态） 合金 Cu0.3%Sn Cu0.5%Sn4%F 导电率I.A.C.S 92% 79.3%
结论：从计算得出的不同材料试样的导电率可以看出在CuSn合金中随着含锡量的增
加CuSn合金的导电性相对降低，在锡含量从0.3%～0.45%的时候，合金的导电率是先下降后升高，在锡含量从0.45%～0.7的时候，导电率下降。在CuSn合金中加入铁元素之后也会很明显的降低其导电性能，因此，在Cu中加入其它元素之后会降低其导电性能。
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4正火态CuSn或CuSnFe合金棒材性能研究
采用铜模浇注所得CuSn和CuSnFe合金棒材，在轧制之前需对其进行正火处理。目的是消除铸造应力、细化晶粒组织和增加塑性变形能力。正火工艺为：将热处理炉加热至700℃后，再将CuSn和CuSnFe合金棒材放入炉中保温30min。
4.1 正火态CuSn或CuSnFe合金微观组织观察 4.1.1、介绍使用的设备、仪器、实验条件
图4.1.1XJP-6A金相显微镜 设备名称：三目倒置金相显微镜 型号：XJP-6A
生产商：上海研润光机科技有限公司
工作原理：用于鉴定和分析金属内部结构组织，是金属学研究金相的重要仪器，是工业部门鉴定产品质量的关键设备。该仪器配有摄像装置，可摄取金相图谱，对图谱进行测量分析，对图像进行编辑、输出、存储、管理等功能。
实验条件：将正火后的棒料先用400号粗砂纸打磨成平正面，再用80号细砂纸磨
成光亮面，对已磨成的平面进行抛光，选用金相试样抛光机进行抛光，去除表面的磨痕以及刮痕，等到规定的要求之后对抛光表面进行腐蚀。所选取的腐蚀液为1gFeCl3+20ml乙醇+100ml水，待表面腐蚀干燥后进行金相组织观察。
4.1.2、金相图片
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图1 CuSnFe合金金相照片 图2 CuSnFe合金金相照片
4.1.3、与铸态微观组织之间的差别：
正火之后观察的金相显微组织较为细密、紧凑，有一定的形状，在晶格里面出现黑色的物质为碳三铁组织。碳三铁分布较为均匀，晶格轮廓线较为清晰。
4.2 正火态CuSn或CuSnFe合金摩擦、磨损性能 4.2.1、使用的设备、仪器、实验结果
如图4.2.1 立式万能摩擦磨损试验机
设备名称：立式万能摩擦磨损试验机 型号：MMW-1 最大试验力：1000N
生产商：上海研润光机科技有限公司
4.2.2、工作原理：立式万能摩擦磨损试验机是由主轴驱动系统，摩擦副专用夹
具，油盒与加热器，试验力传感器，摩擦力矩测定系统，摩擦副下副盘升降系统，弹簧式微机施力系统，操纵面板系统等部分组成。它们都安装在以焊接机座为主体的机架内。机座的右上方是试验机操作显示系统，左上方是主轴驱动系统和油盒，摩擦副，
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各种传感仪器等，机座的左下部是试验机弹簧式施力系统和微机自动加荷系统，右下部是工具箱，机座的前后及左侧有门，打开时能清楚看到内部机构，以便进行调试检修。该机主要以滑动、滚动和滑滚复合运动摩擦形式，在较低的接触压力下，选择不同的摩擦副形式，用于评定润滑油、润滑脂的长时抗磨损性能，以及金属、塑料、橡胶、陶瓷、涂层等材料的摩擦磨损性能。该机可以测定摩擦力矩，计算摩擦系数，计算机全自动控制，显示温度-时间曲线、摩擦系数-时间曲线、摩擦力-时间曲线、转速-时间曲线、试验力-时间曲线、摩擦力矩-时间曲线。配有高精度测量装置，可测量摩擦副磨斑尺寸，或实现摩擦副磨斑的计算机屏幕显示、测量和记录 。
4.2.3、实验条件：由于棒料比较短，且较细，难以在立式万能摩擦磨损试验机
上牢固的固定，因此在测量摩擦磨损系数的时候我们选用金相试样镶嵌机对实验棒料进行镶嵌固定，待镶嵌完之后把表面磨光，然后固定在立式万能摩擦磨损试验机上进行实验测量。
4.2.4实验结果：
实验条件：实验载荷50N，主轴转速50r/min，实验时间300s
图1摩擦力—时间曲线
实验条件：实验载荷100N，主轴转速100r/min，实验时间300s
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图2摩擦系数—时间曲线
4.3 不同材料的摩擦、磨损性能比较，得出结论
实验载荷50N主轴转速50r/min时的摩擦系数（表1）
表4.1 实验载荷50N主轴转速50r/min时的摩擦系数 合金 Cu0.3%Sn Cu0.5%Sn4%Fe 摩擦系数 0.134 0.1 实验载荷100N主轴转速50r/min时的摩擦系数（表2）
表4.2 实验载荷100N主轴转速50r/min时的摩擦系数 合金 Cu0.3%Sn Cu0.5%Sn4%Fe 摩擦系数 0.14 0.12 实验载荷200N主轴转速50r/min时的摩擦系数（表3）
表4.3 实验载荷200N主轴转速50r/min时的摩擦系数 合金 Cu0.3%Sn Cu0.5%Sn4%Fe
摩擦系数 0.14 0.13 实验载荷100N主轴转速100r/min时的摩擦系数（表4） 表4.4 实验载荷200N主轴转速50r/min时的摩擦系数
合金 Cu0.3%Sn
摩擦系数 0.11 18
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Cu0.5%Sn4%Fe 0.17 实验载荷100N主轴转速200r/min时的摩擦系数（表5）
表4.5 实验载荷200N主轴转速50r/min时的摩擦系数
合金 Cu0.3%Sn Cu0.5%Sn4%Fe
摩擦系数 0.164 0.23 得出结论：由实验得出的数据表格可以看出随着载荷和转数的增加，摩擦系数有所
提高。在CuSn合金中随着含锡量的增加，合金的摩擦系数也有所提高，在CuSn合金中加入铁元素后，合金的摩擦系数呈现降低的趋势。
4.4 与铸态合金摩擦、磨损性能比较。
由正火摩擦系数统计表格与铸态摩擦系数统计表格可以看出，正火之后的CuSn合金相比铸态的CuSn合金摩擦系数有所降低。降低的波动范围不是很大。CuSn合金中加入铁元素之后的正火与铸态摩擦系数比较中可以看出，摩擦系数波动范围比CuSn合金相对较小。铸态和正火后的CuSnFe合金，随着含铁量的增加，摩擦系数出现相反的变化趋势。
4.5 正火态CuSn或CuSnFe合金的硬度 4.5.1、使用的设备、仪器
设备、仪器：HARDNESS TESTER DHB—3000
4.5.2、工作原理：布氏硬度计的工作原理把一定直径的钢球，在一定试验力作
用下,以一定的速度压入试样表面,经规定的试验力保持时间后卸除试验力。以试样压痕球形表面积上的平均压力来表示金属的布氏硬度值。
4.5.3、实验条件：用镶嵌好的铜棒材料，在布氏硬度计上进行测量。实验载荷：
250N，钢球直径：5mm，预留时间：15s
4.5.4、测得硬度值：压痕直径：d=1.940mm
查表可知布氏硬度HBS=81.3
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4.6 不同材料的硬度值比较，得出结论
表4.6 不同材料试样的布氏硬度值（正火）
合金 Cu0.3%Sn Cu0.5%Sn4%Fe
布氏硬度(HBS） 42.6 71.7 得出结论：由表可知在正火之后CuSn合金中随着含锡量的增加，测得棒料的布氏硬度值有所增大，在CuSn合金中加入铁元素，则其布氏硬度值明显的提高，在CuSnFe合金中，随着铁含量的增加，布氏硬度也明显的增大，可以得出，在Cu中加入Sn会降低纯铜的布氏硬度，CuSn合金的布氏硬度低于纯铜的布氏硬度，反而在CuSn合金中加入铁之后，布氏硬度明显的提高，因此铁可以有效的提高CuSn合金的硬度，能更好的用于机械加工行业。
4.7 与铸态合金硬度值比较
由正火和铸态布氏硬度表格可以看出，正火之后的CuSn合金布氏硬度明显降低 于铸态的布氏硬度，但降低的范围不是很大，基本上相对于铸态不影响正火后的机械加工以及应用。
4.8 铸态CuSn或CuSnFe合金的导电性能
4.8.1、使用的设备、仪器：数字电桥FLUKE PM6304
4.8.2、实验条件：去除棒料外面的镶嵌，磨平圆柱棒料的上下端面，由于电阻
的大小跟材料的长度和截面积的大小有关，在测量铜棒的电阻时我们采用热电偶丝作为导线连接铜棒的上下端面，热电偶丝的电阻可以忽略不计，确保热电偶丝与铜棒点接触，然后用绝缘塑料夹固定棒料的两端，用数字电桥FLUKE PM6304连接热电偶丝另外两端，测的电阻值，室温20℃。
4.8.3、电阻率、导电率的计算：
数据：电阻Rt=1.525*10Ω 棒料直径d=12.50mm 棒料长度L=9.30mm
ρ20 = Rt× S L ×K （1） -6
其中 ρ20 --- 20℃时的体积电阻率 （Ω.mm2/m ）
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Rt ---室温下标距长度的电阻（Ω）； S ---试样的截面面积（mm2）；
L ---试样的标距长度（m）； t ---室温（℃）；
K ---温度系数，计算公式见公式（2）
K=250/（230+t） （2）
由公式（1）、（2）计算出20℃的 ρ20 =2.012*10Ω*m I.A.C.S 相对导电率计算公式见公式（3）： I.A.C.S相对导电率= 20℃标准铜导线的电阻率 ρ20 ×100% （3） -6
20℃标准铜导线的电阻率为0.017241Ωmm2 /m 由公式（3)计算出 I.A.C.S相对导电率=85.7%
4.8.4、不同材料导电性能比较，得出结论
表4.8.4 不同材料试样的导电率（正火）
合金 Cu0.3%Sn Cu0.5%Sn4%Fe
导电率I.A.C.S 91.57% 78.6% 结论：从计算得出的不同材料试样正火后的导电率可以看出在CuSn合金中锡含量在
0.3%～0.45的时候的CuSn合金的导电性随锡含量的增加而增加，在CuSn合金中锡含量从0.45%～0.7%的情况下，CuSn合金的导电率随着含锡量的增加而降低。在加入铁元素之后也会很明显的提高其导电性能，在含铁量增加的情况下，其导电性能随着含铁量的增加而增加，导电性能呈现升高的趋势。
4.8.5、与铸态合金的导电性能比较
从正火和铸态合金的导电率表格中可以看出，正火之后的合金导电率明显高于铸态的合金导电率，CuSn合金中锡含量在0.3%～0.45的时候的CuSn合金的导电性铸态
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情况下随锡含量的增加而降低，但正火之后呈现增加的趋势。在CuSn合金中加入Fe元素之后，铸态情况下的导电率随着含铁量的增加而降低，但正火之后随着含铁量的增加，其导电率也增加。
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5 结论
正火之后观察的金相显微组织较为细密、紧凑，有一定的形状，在晶格里面出现黑色的物质为铁三碳组织。铁三碳分布较为均匀，晶格轮廓线较为清晰。
正火之后的CuSn合金相比铸态的CuSn合金摩擦系数有所降低。降低的波动范围不是很大。CuSn合金中加入铁元素之后的正火与铸态摩擦系数比较中可以看出，摩擦系数波动范围比CuSn合金相对较小。铸态和正火后的CuSnFe合金，随着含铁量的增加，摩擦系数出现相反的变化趋势。
从计算得出的不同材料试样的导电率可以看出在CuSn合金中随着含锡量的增加CuSn合金的导电性相对降低，在CuSn合金中加入铁元素之后也会很明显的降低其导电性能，因此，在Cu中加入其它元素之后会降低其导电性能。从正火和铸态合金的导电率表格中可以看出，正火之后的合金导电率明显高于铸态的合金导电率，CuSn合金中锡含量在0.3%～0.45的时候的CuSn合金的导电性铸态情况下随锡含量的增加而降低，但正火之后呈现增加的趋势。在CuSn合金中加入Fe元素之后，铸态情况下的导电率随着含铁量的增加而降低，但正火之后随着含铁量的增加，其导电率也增加。
综上所述，在CuSn合金中随着含锡量的增加，其合金的摩擦系数有所提高，在铸态和正火后的CuSnFe合金，随着含铁量的增加，摩擦系数出现相反的变化趋势。
仅仅依靠在Cu合金单一的添加元素和析出相来强化铜合金材料，所起到的作用显然是有限的，因此在CuSn合金中加入Fe元素之后在经过正火不仅能提高其导电性能，而且还能增加合金的硬度，达到高强高导的作用，可以普遍的应用于机械加工以及其他需要高强度高导电的行业中。
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致谢
本毕业论文高强高导Cu-Sn合金的制造及其性能研究的撰写是在梁红英梁老师的精心指导和关心下完成的。从课题的选择、实验的实施到论文的撰写、修改无不渗透着老师的心血。老师渊博的知识、卓越的材质、严谨的治学精神和求实创新的工作作风让我受益匪浅，在毕业设计中给予了我很大的启迪和帮助，为我毕业论文的顺利完成和以后的工作奠定了基础。
当然，这次毕业设计也离不开同学的帮助。虽然这次的毕业设计每位同学的课题并不相同，但我们之间还是会互相帮助，一起解决了很多独自一人工作时久攻不下的问题，不仅学会了知识，而且还锻炼了我们的团队精神。相信我们通过这次设计，一定会在以后的工作岗位中更好的发挥。
在此论文完成之际，谨向梁老师以及指导其他指导老师、同学表示深深的敬意和衷心的感谢。
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