機械合金化制備Cu_Cr合金時效強化特性的研究_圖文

1、試驗研究機械合金化制備Cu2Cr合金時效強化特性的研究王德寶1,吳玉程1,王文芳1,宗躍2,黃新民1(1.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,安徽合肥230009;2.合肥工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料公司,安徽合肥230009摘要:采用機械合金化工藝制成Cu2Cr合金粉末,然后熱壓成形制備銅鉻合金。采用XRD、TE M分析機械合金化過程中Cu2Cr合金粉末的顯微組織和晶粒大小,測試了熱壓成形后Cu2Cr合金的力學(xué)和電學(xué)性能,探討了材料的強化機制和熱壓溫度對組織性能的影響。結(jié)果表明,Cu2Cr合金粉末可通過機械合金化獲得過飽和固溶體,熱壓成形后,組織細小均勻,具有優(yōu)良的綜合性能。該合金經(jīng)840熱壓并保溫2h后,

2、其強度達最大值,顯微硬度為205.3HV,抗拉強度633.5MPa,電導(dǎo)率為80.4%I A CS。合金中過飽和的Cr原子的作用是使合金沉淀強化。關(guān)鍵詞:Cu2Cr合金;機械合金化;熱壓成形;時效強化中圖分類號:TF123.2+3;TG166.2文獻標識碼:A文章編號:100821690(200901200302004 Study on Age Harden i n g Character isti cs of Cu2Cr A lloyPrepared by M echan i ca l A lloy i n gWANG De2bao1,WU Yu2cheng1,WANG W en2fang1

3、,Z ONG Yue2,HUANG Xin2m in1收稿日期:2008203221作者簡介:王德寶(19742,男,合肥工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院博士研究生,主要研究方向為銅基復(fù)合材料。E2mail: wdb_2007。通訊作者:吳玉程(19622,男,博士,合肥工業(yè)大學(xué)材研究生院院長、教授(博導(dǎo)。聯(lián)系電話:0551*基金項目:安徽省“十五”二期科技攻關(guān)項目(040020392、合肥市重點科技攻關(guān)項目(20051004和安徽省自然科學(xué)基金(070414180。表層顯微硬度提高100200HV。(2無稀土添加脈沖等離子體氮碳共滲層在拋光研磨過程中發(fā)生了粘著磨損現(xiàn)象。(3脈沖等離子體稀土氮碳共滲層中存在位

4、錯、層錯等晶體缺陷。致謝:作者感謝國家自然科學(xué)基金(50471019、教育部博士點基金(20060213017和哈爾濱市科技攻關(guān)項目(2004AA5CG092資助。參考文獻1周華茂,王曉虹,孫智.1724PH不銹鋼離子滲氮工藝J.金屬熱處理,2003,6(28:32235.2韋永德,劉志儒,王春義,等.用化學(xué)法對20鋼、純鐵表面擴滲稀土元素的研究J.金屬學(xué)報,1983,5(19:B197.3T.Bell,Y.Sun,Z.R.L iu,M.F.Yan.Rare earth surfaceengineeringJ.Heat.Treat.Met.,2000,1(27: 1.4M.F.Yan,W.Pa

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8、02,20(4:330.氮表層中的擴散及其對氮分布和相結(jié)構(gòu)的影響J.金屬學(xué)報,2000,36(5:4872491.11閆牧夫,劉志儒,陳陽.稀土軟氮化表面XRD研究J.兵器材料科學(xué)與工程,1991,11:48249.(1.School of Materials Science and Engineering,Hefei University of Technol ogy,Hefei230009,Anhui;2.Composite Co.,Hefei University of Technol ogy,Hefei230009,AnhuiAbstract:Cu2Cr all oy powders

9、were fabricated by a mechanical all oying and then beca me Cu2Cr all oy thr ough a hot p ressing method.The m icr ostructure and the grain size of Cu2Cr powders during the mechanical all oying p r ocess were investigated by means of XRD and TE M.The mechanical and electric p r operties of Cu2Cr all

10、oy were studied after the hot2p ressing and sintering p r ocesses.The strengthening mechanis m and the effect of hot2p ressing te mpera2 ture on the m icr ostructure and p r operty were discussed regarding Cu2Cr all oy.The experi m ental results show that the supersaturated s olid s oluti on of Cu2C

11、r all oy powders will be p r oduced by the mechanical all oying p r ocess and that Cu2Cr all oy with fine and unif or m m icr ostructure and excellent overall characteristics will be obtained after the hot2p ressing p r ocess.Cu2Cr all oy hot2p ressed at840and subsequently heated at the sa me te mpe

12、rature f or2h will obtain the highest strength,with m icr ohardness,tensile strength and conductivity being205.3HV,633.5MPa and80.4%I A CS res pectively.The supersaturated chr om ium at om s in the all oy will p lay a p reci p itati on2strengthe2 ning r ole.Key W ords:Cu2Cr all oy;mechanical all oyi

13、ng;hot p ressing;age hardeningCu2Cr合金為典型的彌散強化型合金,具有較高的強度及優(yōu)異的導(dǎo)電性能,是一種理想的高強高導(dǎo)復(fù)合材料,被廣泛用于要求高強度和高導(dǎo)電、導(dǎo)熱的場合,如集成電路引線框架材料、電力機車接觸線和真空斷路器電觸頭等14。但是由于Cr在Cu中的極限固溶度有限(在1076最大固溶度0.65%,浸潤性能差,并且Cu和Cr的熔點相差較大等多種原因,使Cu2Cr合金難以用常規(guī)工藝制備,最終產(chǎn)物的性能也難以得到保證。目前,主要有常規(guī)固溶,快速凝固,機械合金化等Cu2Cr合金的制備工藝5,6。其中機械合金化方法(mechanical all oying,簡稱MA

14、7不僅可以突破傳統(tǒng)固溶度的限制,使Cr在Cu中的固溶度大幅度提高,同時也可以使晶粒大為細化,合金化粉末在燒結(jié)及后續(xù)熱處理過程中過飽和的Cr以細小彌散相析出,以達到析出強化效果8。隨著合金元素的析出,導(dǎo)電性也得到很大程度的恢復(fù),因此具有更優(yōu)異的性能。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對快速凝固Cu2Cr合金析出的強化進行了較多報道,但是關(guān)于采用機械合金化工藝制備的低溶質(zhì)Cu2Cr合金的析出強化機制的報道較少。本文采用高能球磨工藝結(jié)合熱壓成形技術(shù)制備兼有細晶強化、彌散強化和析出強化效果的Cu2 1.2%Cr合金,并探討了熱壓溫度與顯微組織、力學(xué)性能、導(dǎo)電性能的關(guān)系。1試驗過程采用粒度小于44m的電解銅粉和鉻粉為原

15、料,純度大于99.9%,首先按質(zhì)量百分比配制成Cu2 3%Cr的原始混合粉末裝入球磨罐中,球粉比為401,轉(zhuǎn)速為700r/m in,機械合金化過程在高能球磨機上進行。為防止球磨過程中樣品被氧化,將球罐抽真空后再充入高純氬氣保護;每球磨1h,停機30 m in以避免球磨罐過熱;共球磨40h,然后再加入純銅粉,使之成分為Cu21.2%Cr,低速球磨10h。采用真空熱壓法將復(fù)合粉末壓制成形,熱壓采用高強石墨模具,壓力為80MPa,溫度分別為720、760、800、840、890,控溫精度為±5,然后在各自的熱壓溫度下時效處理2h,隨爐冷卻。機械合金化過程中粉末的物相分析采用D/ max2r

16、型X射線衍射儀。采用透射電鏡觀察成形后材料的微觀組織形貌;在島津萬能材料試驗機上進行拉伸試驗;采用HV1000型顯微硬度儀測量材料顯微硬度;電導(dǎo)率測量在ZY9987型數(shù)字式微歐計上進行。2試驗結(jié)果2.1機械合金化過程C u2C r合金粉末微觀結(jié)構(gòu)分析圖1是球磨時間不同的Cu23%Cr混合粉末的X射線衍射圖譜,可以看出,隨著球磨時間的增加,銅的衍射峰位置逐漸左移,衍射峰發(fā)生明顯寬化且其強度降低;而鉻的衍射峰則逐漸變?nèi)?表明隨著球磨的進行,Cr相在Cu中的固溶度逐漸增大。經(jīng)40 h球磨后,在X射線掃描角度范圍內(nèi)已經(jīng)難以發(fā)現(xiàn)Cr峰,這表明在MA過程中,Cr的晶體結(jié)構(gòu)遭到了破壞,Cr原子擴散到Cu的晶

17、格中,形成了Cu(Cr過飽和固溶體,同時晶粒尺寸也得到極大的細化,經(jīng)謝樂公式計算并扣除寬化9,晶粒尺寸為25n m左右。圖2是Cu23%Cr粉末經(jīng)40h球磨后的明場像和選區(qū)衍射圖,可看出粉末顆粒是由許多細小晶粒 聚合成的絮狀物,由照片可以估計晶粒大小為1525nm ,與XRD 分析結(jié)果較為一致。選區(qū)衍射圖中呈現(xiàn)的2個衍射環(huán)分別為Cu 的(111和(200晶面,選區(qū)衍射圖中沒有發(fā)現(xiàn)Cr 的衍射環(huán),說明機械合金化40h 極大地擴展了Cr 在Cu 中的固溶度。 圖1經(jīng)不同時間球磨的C u 23%C r 合金粉末的XRD 圖譜Fig .1XRD patterns of Cu 23%Cr all oy

18、powders subjected t o ball 2m illing for different ti m es2.2經(jīng)不同溫度熱壓成形后的顯微組織對合金在不同溫度熱壓成形后的TE M 分析示于圖3,可看出當(dāng)熱壓溫度為760時,已有部分Cr 相從基體Cu 中析出,并從析出物顯現(xiàn)的花瓣狀應(yīng)變場襯度可以確定,析出相多數(shù)與基體保持共格關(guān)系,即形成了所謂的Guinier 2Prest on (G .P .區(qū)10,圖2球磨40h 的C u 23%C r 合金粉末的明場像(a 和對應(yīng)的衍射圖(b Fig .2B right field i m age (a and diffracti on patte

19、rn (b of Cu 23Cr%all oy powders ball 2m illed for 40h表現(xiàn)為應(yīng)變場襯度。G .P .區(qū)一般沒有獨立的晶格結(jié)構(gòu),是與基體相結(jié)構(gòu)相同并保持完全共格的溶質(zhì)富集區(qū)。但因為溶質(zhì)原子半徑與基體的差異,所以G .P .區(qū)會產(chǎn)生一定的彈性變形,導(dǎo)致花瓣狀的應(yīng)變場襯度。圖3(b 是在力學(xué)性能峰值狀態(tài)(即840下的透射明場像,可看出此時Cr 粒子大量析出,且細小彌散,分布較均勻,顆粒直徑約1015nm ,且部分析出相仍具有花瓣狀的應(yīng)變場襯度,表明析出相仍與Cu 基體保持共格關(guān)系。隨著熱壓溫度的進一步提高,此時Cr 相大量析出并長大,析出相與基體失去共格關(guān)系(如圖

20、3(c 。 圖3不同熱壓溫度下C u 21.2C r%合金的析出相形貌Fig .3Mor phol ogies of p reci p itated phases in Cu 21.2%Cr all oy hot 2p ressed at different te mperatures(a 760(b 840(c 8902.3熱壓溫度與合金性能的關(guān)系圖4、圖5反映了機械合金化Cu 21.2%Cr 合金粉末在不同溫度下熱壓成形并時效2h 后,合金的力學(xué)與電學(xué)性能的變化曲線。從圖4可知,當(dāng)熱壓溫度在720840范圍內(nèi),合金的抗拉強度(R m 、屈服強度(R P 0.2和顯微硬度(HV 均隨著熱壓溫

21、度的提高而增加,并在840出現(xiàn)峰值,然后隨著溫度的提高而降低。而導(dǎo)電性能的變化趨勢則不同,在溫度低于840時,電導(dǎo)率隨著熱壓溫度的提高而以較快速度增長,當(dāng)熱壓溫度進一步提高,增長趨勢變緩。通過機械合金化制備的Cu 2Cr 合金,由于Cr 在Cu 中的固溶度有較大幅度的提高,溶質(zhì)原子處于過飽和狀態(tài),以及Cu 、Cr 原子半徑的差異,導(dǎo)致了基 圖4熱壓溫度對C u 23%C r 合金顯微硬度和抗拉強度的影響Fig .4Effect of hot 2p ressing te mperature on m icr ohardness and tensile strength of Cu 23%Cr a

22、ll oy圖5熱壓溫度對C u 23C r%合金導(dǎo)電性能的影響Fig .5Effect of hot 2p ressing te mperature onconductivity of Cu 23Cr%all oy體晶格畸變,從而強化了基體11。同時,在機械合金化過程中晶粒被大大細化并在后續(xù)成形過程中得以保留,在隨后的熱壓保溫過程中過飽和固溶的Cr 粒子大量彌散析出。而機械合金化過程中形成的高密度缺陷為Cr 粒子析出提供了更多的形核位置,可使其以細小彌散的顆粒分布于Cu 基體中。以上因素的綜合效果使得機械合金化制備的Cu 2Cr 合金同時具有位錯強化、細晶強化和彌散強化效果,從而具有優(yōu)異的力學(xué)

23、性能。由試驗結(jié)果可知,機械合金化Cu 23%Cr 合金的電導(dǎo)率隨著熱壓溫度的升高而增加,這主要是由于在熱壓過程中過飽和固溶于Cu 中的Cr 原子脫溶,而彌散析出的Cr 粒子偏聚、長大,同時材料中的晶體缺陷顯著減少,從而弱化了對電子的散射作用,導(dǎo)致電導(dǎo)率的提高,其變化的快慢主要受Cr 原子的擴散速度所控制12。當(dāng)熱壓溫度較低時,合金仍保留著機械合金化所產(chǎn)生的高密度空位、位錯,這些晶體缺陷成為Cr 原子擴散的快速通道,使得Cr 原子偏聚和析出的部位增多,同時合金的過飽和度大,原子的擴散能力較強,所以Cr 的析出速度較快,因而在較低的熱壓溫度段電導(dǎo)率上升較快。隨著熱壓溫度的提高,Cr 相的脫溶過程已

24、基本完成,而較高的熱壓溫度將會導(dǎo)致晶粒長大,使晶界相對減少,界面散射電阻減小,所以材料的導(dǎo)電性能仍隨著熱壓溫度的提高而緩慢增大。3結(jié)論(1采用機械合金化結(jié)合熱壓成形工藝制備的Cu 23%Cr 合金可獲得較高的力學(xué)和電學(xué)性能,在840熱壓保溫1h,顯微硬度為205.3HV,抗拉強度為633.5MPa,電導(dǎo)率80.4%I A CS 。(2Cu 23%Cr 合金具有較高強度是由于機械合金化過程使鉻在銅基體中過飽和固溶,并在熱壓、保溫過程中產(chǎn)生共格析出強化和合金晶粒充分細化而引起的細晶強化綜合作用的結(jié)果。參考文獻1朱建娟,田保紅,劉平.Cu 2Cr 合金觸頭材料制備技術(shù)的研究進展J .鑄造,2006,

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