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Cu-Fe-Cr-Ni原位复合材料的结构与性能

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发表于 2011-7-13 23:58:25 | 显示全部楼层 |阅读模式

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摘要:通过感应熔炼、铸造、热轧和冷拔制备了Cu-Fe-Cr-Ni原位复合丝材,采用XRD、SEM和TEM研究了Ni元素和拉拔变形量对其显微结构的影响。用拉伸试验测试了丝材的强度,用标准四探针方法测量了丝材的电阻。在Cu-Fe-Cr-Ni合金铸锭中,bcc结构的第二相为近球形颗粒形态,经过后续的变形加工,颗粒演变成了近圆形横截面的纤维。对Cu-Fe-Cr-Ni原位复合材料只进行了1次550℃中间退火,就可以获得较高的拉拔变形量(Л=5.32),表明Ni的加入可以改善原位复合材料的塑性。随着拉拔变形量的增大,Cu-Fe-Cr-Ni原位复合丝材的强度增加,电导率下降。5 @$ v8 t+ x8 o/ P
关键词:原位复合材料;Ni元素;塑性;强度;电导率5 I0 H$ u5 N7 e! @" @
过去,人们的注意力大多集中在开发和探索二元Cu-bcc和Cu-Ag合金,只有少量工作将原位复合材料的研究范围拓展到三元铜基复合材料。最近的一些研究工作填补了这一空白。Raabe等研究了Cu-10wt%Cr-3wt%Ag合金, Verhoeven等研究了Cu-15wt%Nb-2wt%Ag合金。Raabe通过对Cu-Ag-Nb合金的研究,发现铸态Nb颗粒的尺寸比二元Cu-Nb中的要小。通过增加合金元素,探索多种可能的动力学途径,改善复合材料的加工性能,获得某些特定的强度-导电性组合。以往开发的Cu-Fe或Cu-Cr系原位复合材料在拉拔加工时存在塑性较差的缺点,需要多次中间退火才能获得较大的拉拔变形量和抗拉强度。本研究在开发三元Cu-Fe-Cr原位复合材料的基础上,采用0Cr18Ni9为中间合金,经过熔炼、变形加工制备Cu-Fe-Cr-Ni原位复合材料,考察Ni元素在加工过程中的再分配现象,主要目的是研究Ni的加入对原位复合材料加工性能和使用性能的影响。
. j, M, Z: _/ z  X: x2 n+ J1  实验材料与方法7 T4 d4 P9 j- L) I7 l5 G
选用纯度为99.8%的电解铜,以0Cr18Ni9奥氏体不锈钢为中间合金,原料中0Cr18Ni9的质量分数为10%,在1500℃进行真空感应熔炼,采用钢模浇铸成~88mm铸锭,在800~900℃热轧成Φ7.3mm的棒料。此时棒料的尺寸为拉拔变形的原始尺寸。拉拔变形量为Л=1n(A0/A),A0为拉拔起始棒料的横截面面积,A 为拉拔变形后丝材的横截面面积。拉拔变形将棒料拉拔成不同直径(Φ)Cu-Fe-Cr-Ni原位复合丝材。拉拔Φ4mm时进行了1次550℃的中间退火。所制备原位复合丝材的最小直径为Φ0.5mm(Л=5.32)。在D/MAX-RB型X射线衍射仪上确定组织的相组成。使用扫描电镜(s-570型、LEO-1450型配有能谱仪)和透射电镜(H-800型)对试样的微观组织结构进行观察分析。复合丝材拉伸实验在INSTRON 6027材料试验机上进行,拉伸速率为1mm/min。采用QJ44型便携式直流双臂电桥测量出复合丝材的电阻,再换算成国际退火铜标准IACS%,得到电导率。
+ g/ B, C. v+ B3 M2  结果与讨论
! [2 i5 y5 e4 U" C. V- y2.1铸态组织9 [: x/ {7 @, `% k$ S7 m, ^/ h
铸态Cu-Fe-Cr-Ni合金的X-射线衍射图谱见图1(a),第二相为bcc结构的铁素体(F),基体为铜基固溶体。由于原料0Cr18Ni9不锈钢中的奥氏体形成元素Ni在熔炼过程中部分溶入了铜基体,使得铸态组织中的第二相转变为铁素体。Ni元素溶入铜基体还可以产生固溶强化作用,但对导电性产生有害影响。图1(b)为Cu-Fe-Cr-Ni合金铸态组织的SEM照片。可见,第二相为近球形颗粒状。; s: K+ @# j' W/ f3 }6 P
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, D) A# m6 I. Z; V2.2拉拔态组织
1 {' F7 [: k! W: N图2为拉拔变形量η=5.32时,Cu-Fe-Cr-Ni原位复合丝材的SEM显微组织。其中纤维细小,横截面呈近圆形。
  s) N( [! @$ O2 e/ l 2008724144940.jpg 3 J! H# _+ c" {* o2 T
经过深度侵蚀Cu-Fe-Cr-Ni原位复合丝材的SEM照片见图3。可以清楚地观察到纤维的立体形貌,部分纤维呈现蝌蚪形态,纤维横截面接近圆形。Cu-Fe-Cr-Ni原位复合材料的X射线能谱分析结果见表1,铜基体中含有少量Fe、Cr、Ni,第二相纤维中的Cr、Ni含量明显低于0Crl8Ni9奥氏体不锈钢中的Cr、Ni含量,说明在熔炼过程中发生了合金元素的再分配。
" D9 ?% R  R( T 2008724145024.jpg 2008724145034.jpg
7 Y0 m% D% S: h) i) l/ M图4为拉拔变形量η=3.3时,从Cu-Fe-Cr-Ni原位复合丝材中提取纤维的透射电镜照片。图4(a)中纤维的横截面为近圆形,平均直径为0.23μm,长度一般在2~10μm之间。图4(b)中的纤维直径为0.1μm左右,在透射电镜下观察是半透明的。
: A5 }9 z* |# a# _( [# {0 J0 U  S3 p 2008724145138.jpg
" I7 a- A+ ?* C" I* \: P/ O9 Q2.3 Cu-Fe-Cr-Ni原位复合材料的性能* F- `" H" @- z7 ]( g3 g( q
550℃中间退火后,复合材料抗拉强度、导电性与拉拔应变量的关系见图5。可见,随着拉拔变形量的增大,Cu-Fe-Cr-Ni原位复合材料的强度不断提高,相应的电导率呈下降趋势。在η=5.32时,复合材料的抗拉强度达到77lMPa,电导率约为35%IACS。
7 B& j0 }+ t: o+ M+ y 2008724145156.jpg
2 S; e/ ^8 I, P+ h, h7 T) c2.4 Ni元素作用的分析
9 L- \2 Z& z. d" f1 TNi元素改善Cu-Fe-Cr-Ni原位复合材料的塑性,使复合材料经过1次中问退火就可以获得η=5.32的拉拔变形量。与Cu-Fe-Cr原位复合材料获得5.42的拉拔变形量需要进行3~5次中间退火相比较,充分体现了Ni元素在改善复合材料特别是纤维相塑性方面的优势。Hong发现若不进行退火处理,拉拔成直径1mm的Cu-Fe-Ag线材的最大长度只有30cm。以往Cu-bcc合金铸态组织中第二相为树枝晶形态,Ni元素的加入改变了Cu-Fe-Cr-Ni合金中第二相的铸态组织形态,几乎观察不到典型的树枝晶形态。有研究表明,Ni元素的加入使Cu-Co铸态合金的树枝晶形态几乎消失。在凝固过程中,先结晶出奥氏体,Ni元素同时存在于铜液与奥氏体中,减小二者之间的界面能,改善先结晶奥氏体与液态铜的润湿性,促进奥氏体的大量形核,有利于颗粒状奥氏体相的结晶。在随后的冷却过程中,奥氏体转变为铁素体。原始铸态组织的细化,有利于原位复合材料的强化。Hong研究了Cu-Fe-Ag原位复合材料,发现少量Ag的加入,可以使Fe树枝晶细化。& Z5 I' D; _8 Y$ }7 u6 w  C4 Z
Ni元素对原位复合材料的导电性产生不利影响。Ni元素溶入铜基体中,增加了杂质散射电阻。Ni元素与Fe元素发生交互作用,抑制Fe元素在中间退火时的析出。铜基体中的Ni、Fe元素共同作用使Cu-Fe-Cr-Ni原位复合材料的导电性(40%IACS左右)低于Cu-Fe-Cr原位复合材料(>50%IACS)。+ Q  n  O" s, i3 o. o, b
3  结论3 A( L- A' E( n
1)Ni元素的加入改变了铸态Cu-Fe-Cr-Ni合金中第二相的组织形态,第二相为bcc结构的铁素体,呈颗粒状。
2 P" a7 v& Y  C' `* H2) Ni元素改善Cu-Fe-Cr-Ni原位复合材料的塑性,使复合材料经过1次中间退火就可以获得η=5.32的拉拔变形量。经变形加工后颗粒状第二相逐渐伸长为纤维,横截面为近圆形,直径为0.2μm左右(η=3.3)。
  C& ]# a- h" ^; d. p3) Ni元素对原位复合材料的导电性产生不利影响。随着拉拔变形量的增大,Cu-Fe-Cr-Ni原位复合材料的强度不断提高,相应的电导率呈下降趋势。
4 z8 S2 F& k% v8 ~' r/ R: k# ~文章关键词:
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