Cu-Fe-Cr-Ni原位復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能

摘要：通過感應(yīng)熔煉、鑄造、熱軋和冷拔制備了Cu-Fe-Cr-Ni原位復(fù)合絲材，采用XRD、SEM和TEM研究了Ni元素和拉拔變形量對其顯微結(jié)構(gòu)的影響。用拉伸試驗(yàn)測試了絲材的強(qiáng)度，用標(biāo)準(zhǔn)四探針方法測量了絲材的電阻。在Cu-Fe-Cr-Ni合金鑄錠中，bcc結(jié)構(gòu)的第二相為近球形顆粒形態(tài)，經(jīng)過后續(xù)的變形加工，顆粒演變成了近圓形橫截面的纖維。對Cu-Fe-Cr-Ni原位復(fù)合材料只進(jìn)行了1次550℃中間退火，就可以獲得較高的拉拔變形量(Л=5.32)，表明Ni的加入可以改善原位復(fù)合材料的塑性。隨著拉拔變形量的增大，Cu-Fe-Cr-Ni原位復(fù)合絲材的強(qiáng)度增加，電導(dǎo)率下降。

關(guān)鍵詞：原位復(fù)合材料；Ni元素；塑性；強(qiáng)度；電導(dǎo)率

    過去，人們的注意力大多集中在開發(fā)和探索二元Cu-bcc和Cu-Ag合金，只有少量工作將原位復(fù)合材料的研究范圍拓展到三元銅基復(fù)合材料。最近的一些研究工作填補(bǔ)了這一空白。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通過對Cu-Ag-Nb合金的研究，發(fā)現(xiàn)鑄態(tài)Nb顆粒的尺寸比二元Cu-Nb中的要小。通過增加合金元素，探索多種可能的動力學(xué)途徑，改善復(fù)合材料的加工性能，獲得某些特定的強(qiáng)度-導(dǎo)電性組合。以往開發(fā)的Cu-Fe或Cu-Cr系原位復(fù)合材料在拉拔加工時存在塑性較差的缺點(diǎn)，需要多次中間退火才能獲得較大的拉拔變形量和抗拉強(qiáng)度。本研究在開發(fā)三元Cu-Fe-Cr原位復(fù)合材料的基礎(chǔ)上，采用0Cr18Ni9為中間合金，經(jīng)過熔煉、變形加工制備Cu-Fe-Cr-Ni原位復(fù)合材料，考察Ni元素在加工過程中的再分配現(xiàn)象，主要目的是研究Ni的加入對原位復(fù)合材料加工性能和使用性能的影響。

1  實(shí)驗(yàn)材料與方法

    選用純度為99.8％的電解銅，以0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼為中間合金，原料中0Cr18Ni9的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％，在1500℃進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉，采用鋼模澆鑄成～88mm鑄錠，在800～900℃熱軋成Φ7.3mm的棒料。此時棒料的尺寸為拉拔變形的原始尺寸。拉拔變形量為Л=1n(A₀/A)，A₀為拉拔起始棒料的橫截面面積，A 為拉拔變形后絲材的橫截面面積。拉拔變形將棒料拉拔成不同直徑(Φ)Cu-Fe-Cr-Ni原位復(fù)合絲材。拉拔Φ4mm時進(jìn)行了1次550℃的中間退火。所制備原位復(fù)合絲材的最小直徑為Φ0.5mm(Л=5.32)。在D/MAX-RB型X射線衍射儀上確定組織的相組成。使用掃描電鏡(s-570型、LEO-1450型配有能譜儀)和透射電鏡(H-800型)對試樣的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察分析。復(fù)合絲材拉伸實(shí)驗(yàn)在INSTRON 6027材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率為1mm/min。采用QJ44型便攜式直流雙臂電橋測量出復(fù)合絲材的電阻，再換算成國際退火銅標(biāo)準(zhǔn)IACS％，得到電導(dǎo)率。

2  結(jié)果與討論

2.1鑄態(tài)組織

    鑄態(tài)Cu-Fe-Cr-Ni合金的X-射線衍射圖譜見圖1(a)，第二相為bcc結(jié)構(gòu)的鐵素體(F)，基體為銅基固溶體。由于原料0Cr18Ni9不銹鋼中的奧氏體形成元素Ni在熔煉過程中部分溶入了銅基體，使得鑄態(tài)組織中的第二相轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體。Ni元素溶入銅基體還可以產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用，但對導(dǎo)電性產(chǎn)生有害影響。圖1(b)為Cu-Fe-Cr-Ni合金鑄態(tài)組織的SEM照片?？梢?，第二相為近球形顆粒狀。

2.2拉拔態(tài)組織

    圖2為拉拔變形量η=5.32時，Cu-Fe-Cr-Ni原位復(fù)合絲材的SEM顯微組織。其中纖維細(xì)小，橫截面呈近圓形。

    經(jīng)過深度侵蝕Cu-Fe-Cr-Ni原位復(fù)合絲材的SEM照片見圖3?？梢郧宄赜^察到纖維的立體形貌，部分纖維呈現(xiàn)蝌蚪形態(tài)，纖維橫截面接近圓形。Cu-Fe-Cr-Ni原位復(fù)合材料的X射線能譜分析結(jié)果見表1，銅基體中含有少量Fe、Cr、Ni，第二相纖維中的Cr、Ni含量明顯低于0Crl8Ni9奧氏體不銹鋼中的Cr、Ni含量，說明在熔煉過程中發(fā)生了合金元素的再分配。

    圖4為拉拔變形量η=3.3時，從Cu-Fe-Cr-Ni原位復(fù)合絲材中提取纖維的透射電鏡照片。圖4(a)中纖維的橫截面為近圓形，平均直徑為0.23μm，長度一般在2～10μm之間。圖4(b)中的纖維直徑為0.1μm左右，在透射電鏡下觀察是半透明的。

2.3 Cu-Fe-Cr-Ni原位復(fù)合材料的性能

    550℃中間退火后，復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度、導(dǎo)電性與拉拔應(yīng)變量的關(guān)系見圖5?？梢姡S著拉拔變形量的增大，Cu-Fe-Cr-Ni原位復(fù)合材料的強(qiáng)度不斷提高，相應(yīng)的電導(dǎo)率呈下降趨勢。在η=5.32時，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到77lMPa，電導(dǎo)率約為35％IACS。

2.4 Ni元素作用的分析

    Ni元素改善Cu-Fe-Cr-Ni原位復(fù)合材料的塑性，使復(fù)合材料經(jīng)過1次中問退火就可以獲得η=5.32的拉拔變形量。與Cu-Fe-Cr原位復(fù)合材料獲得5.42的拉拔變形量需要進(jìn)行3～5次中間退火相比較，充分體現(xiàn)了Ni元素在改善復(fù)合材料特別是纖維相塑性方面的優(yōu)勢。Hong發(fā)現(xiàn)若不進(jìn)行退火處理，拉拔成直徑1mm的Cu-Fe-Ag線材的最大長度只有30cm。以往Cu-bcc合金鑄態(tài)組織中第二相為樹枝晶形態(tài)，Ni元素的加入改變了Cu-Fe-Cr-Ni合金中第二相的鑄態(tài)組織形態(tài)，幾乎觀察不到典型的樹枝晶形態(tài)。有研究表明，Ni元素的加入使Cu-Co鑄態(tài)合金的樹枝晶形態(tài)幾乎消失。在凝固過程中，先結(jié)晶出奧氏體，Ni元素同時存在于銅液與奧氏體中，減小二者之間的界面能，改善先結(jié)晶奧氏體與液態(tài)銅的潤濕性，促進(jìn)奧氏體的大量形核，有利于顆粒狀奧氏體相的結(jié)晶。在隨后的冷卻過程中，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體。原始鑄態(tài)組織的細(xì)化，有利于原位復(fù)合材料的強(qiáng)化。Hong研究了Cu-Fe-Ag原位復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)少量Ag的加入，可以使Fe樹枝晶細(xì)化。

    Ni元素對原位復(fù)合材料的導(dǎo)電性產(chǎn)生不利影響。Ni元素溶入銅基體中，增加了雜質(zhì)散射電阻。Ni元素與Fe元素發(fā)生交互作用，抑制Fe元素在中間退火時的析出。銅基體中的Ni、Fe元素共同作用使Cu-Fe-Cr-Ni原位復(fù)合材料的導(dǎo)電性(40％IACS左右)低于Cu-Fe-Cr原位復(fù)合材料(>50％IACS)。

3  結(jié)論

    1)Ni元素的加入改變了鑄態(tài)Cu-Fe-Cr-Ni合金中第二相的組織形態(tài)，第二相為bcc結(jié)構(gòu)的鐵素體，呈顆粒狀。

    2) Ni元素改善Cu-Fe-Cr-Ni原位復(fù)合材料的塑性，使復(fù)合材料經(jīng)過1次中間退火就可以獲得η=5.32的拉拔變形量。經(jīng)變形加工后顆粒狀第二相逐漸伸長為纖維，橫截面為近圓形，直徑為0.2μm左右(η=3.3)。

    3) Ni元素對原位復(fù)合材料的導(dǎo)電性產(chǎn)生不利影響。隨著拉拔變形量的增大，Cu-Fe-Cr-Ni原位復(fù)合材料的強(qiáng)度不斷提高，相應(yīng)的電導(dǎo)率呈下降趨勢。