稀有金属 2013,37(05),834-839
高压处理对Cu-50.84Cr-0.48Al合金热扩散系数和热膨胀性能的影响
赵军 尹硕 陈久川 王智 文全兴 杨永明
摘 要：
采用热常数测试仪和膨胀仪测试了经高压处理前后Cu-50.84Cr-0.48Al合金的热扩散系数和热膨胀系数, 并借助金相显微镜、扫描电镜 (SEM) 和透射电镜 (TEM) 对经高压处理前后Cu-50.84Cr-0.48Al合金的组织进行观察。在此基础上, 探讨了高压处理对Cu-50.84Cr-0.48Al合金热扩散系数和热膨胀系数的影响。结果表明:高压处理能增大Cu-50.84Cr-0.48Al合金的热扩散系数, 当压力为1 GPa, 该合金的热扩散系数为0.4188 cm2·s-1, 较高压处理前的提高了10.65%, 压力超过1 GPa时, 合金的热扩散系数随压力的增大变化不明显。对热膨胀系数来说, 当温度低于96℃时, 1 GPa压力处理对合金的热膨胀系数影响不大, 温度高于96℃时, 1 GPa压力处理能增大合金的热膨胀系数。Cu-50.84Cr-0.48Al合金经高压处理后致密性的升高是导致该合金的热扩散系数及热膨胀系数增大的主要原因。
关键词：
Cu-50.84Cr-0.48Al合金;高压处理;热扩散系数;热膨胀系数;
中图分类号： TG146.11
作者简介：赵军 (1975-) , 男, 河北秦皇岛人, 博士;研究方向:高性能金属材料制备研究及成形控制 E-mail:zjqhd@163.com;
收稿日期：2013-06-05
基金：华南理工大学国家金属材料近净成形工程技术研究中心开放基金 (2011010);河北省自然科学基金 (E2013409002);河北省教育厅青年基金 (2011252);河北省教育厅基金 (Z2010203和2007403);河北省科学技术研究与发展计划 (11212143);廊坊市科学技术局 (2011011031) 资助项目;
Effects of High Pressure Treatment on Thermal Diffusion Coefficient and Thermal Expansion of Cu-50.84Cr-0.48Al Alloy
Zhao Jun Yin Shuo Chen Jiuchuan Wang Zhi Wen Quanxing Yang Yongming
Department of Materials and Engineering, North China Institute of Aerospace Engineering
National Engineering Research Center of Near-Net-Shape Forming for Metallic Materials, South China University of Technology
Abstract：
The thermal diffusion coefficient and thermal expansion coefficient of Cu-50. 84Cr-0. 48Al alloy before and after high pressure treatment were measured by thermal constant tester and thermal expansion instrument, and the microstructure of the alloy before and after high pressure treatment were analyzed by metallurgical microscope, scanning electron microscope ( SEM) and transmission electron microscope ( TEM) . Based on the experimental results, the effects of high pressure treatment on the thermal diffusion coefficient and thermal expansion coefficient of the alloy were investigated. The results showed that high pressure treatment could increase the thermal diffusion coefficient of Cu-50. 84Cr-0. 48Al alloy, when the pressure was 1 GPa, the thermal diffusion coefficient of the alloy was 0. 4188 cm2·s- 1, which was 10. 65% larger than that of the alloy before high pressure treatment, and when the pressure was above1 GPa, the thermal diffusion coefficient had slight change with the pressure increasing. For thermal expansion coefficient, when the temperature was below 96 ℃, the 1 GPa pressure treatment had little effect on the thermal expansion coefficient of Cu-50. 84Cr-0. 48Al alloy, and when the temperature was above 96 ℃, the 1 GPa pressure treatment could increase the thermal expansion coefficient. The increasing compactness of Cu-50. 84Cr-0. 48Al alloy by high pressure treatment was the main reason for the increase of the thermal diffusion coefficient and the thermal expansion coefficient.
Keyword：
Cu-50.84Cr-0.48Al alloy; high pressure treatment; thermal diffusion coefficient; thermal expansion coefficient;
Received： 2013-06-05
Cu-Cr合金具有较高的耐电压强度和良好的导电、导热及抗熔焊性能等, 已被广泛用于制作电阻焊电极及大功率真空开关触头等[1,2]。随着电气工业的迅速发展, 进一步挖掘Cu-Cr合金的性能潜力具有重要的实际意义。目前, 制备Cu-Cr合金的方法主要是粉末烧结法、熔渗法和电弧熔炼法[3,4,5], 但采用上述方法制备的Cu-Cr合金普遍存在的问题是致密度偏低[6], 导致Cu-Cr合金的耐电压强度及电气性能降低[7]。高压处理具有细化组织及增大金属材料致密性等优点。因此, 采用高压处理来改善金属材料的组织及性能引起国内外研究者的关注。文献[8]报道, Cu77.96Al22.04合金经5GPa压力热处理后的组织得以细化致密, 其硬度较处理前提高了13.14%, 文献[9-10]也分别表明, 高压处理能使Cu-Al合金和Cu-Zn合金组织致密, 使其热膨胀系数得以提高。近期的研究结果显示[11], 采用高压处理并结合热处理能提高Cu CrNi Al合金的硬度、压缩屈服强度及电导率。有关铜合金经高压处理后的组织和力学性能的研究已有报道, 但关于高压处理对Cu-Cr合金导热及热膨胀性能的影响尚不清楚, 因Cu-Cr合金的导热及热膨胀性能直接影响它的使用性能。另外, Al能固溶于Cu基体中, 产生固溶强化效果, 提高Cu Cr合金的强度。然而, 固溶的溶质原子能使基体金属产生晶格畸变, 增加了电子散射几率[12,13], 降低了合金的导热性能。故在添加合金化元素时应控制其含量。鉴于此, 本文采用Cu-50.84Cr-0.48Al合金为实验材料, 探讨了高压处理对Cu-50.84Cr-0.48Al合金热扩散系数和热膨胀系数的影响。
1实验
实验材料为熔渗法制备的Cu-50.84Cr-0.48Al合金, 其化学成分 (%, 质量分数) 为48.57Cu, 50.84Cr, 0.48Al, 0.11其他。将Cu-50.84Cr-0.48Al合金样品密封在石墨套管内, 再将石墨套管装入叶蜡石模具中, 在CS-IB型六面顶压机上进行高压热处理, 采用电阻方式加热, 施加压力分别为1, 3, 5 GPa, 加热至900℃保温30 min后, 断电保压冷却至室温。将高压处理前后Cu-50.84Cr-0.48Al合金样品加工成尺寸为Φ10 mm×1.4 mm的试样, 在TC-7000型热常数测试仪上测试其热扩散系数, 然后再测试1 GPa压力处理前后试样温度在25, 50, 100, 200, 300及400℃下的热扩散系数, 用DIL402C精密膨胀仪连续测试1 GPa压力处理前后试样在25~600℃范围内的热膨胀系数, 试样尺寸为Φ8 mm×15 mm, 加热速率为5℃·min-1, Al2O3作参比, 并借助Axiovert200MAT型金相显微镜、S-3400N型扫描电镜 (SEM-BSE) 和Jeol-2010透射电镜 (TEM) 对经高压处理前后Cu-50.84Cr-0.48Al合金的组织进行分析。
2结果与讨论
2.1金相组织
图1为高压处理前后Cu-50.84Cr-0.48Al合金的金相组织。可以看出, 高压处理前后Cu-50.84Cr-0.48Al合金的组织特征变化不明显, 均由Cu基体和不规则的颗粒状Cr相组成。经TEM观察 (图2) 发现, Cu-50.84Cr-0.48Al合金经高压处理后Cu基体中位错数量明显增多。由SEM背散射照片图3可见, 高压处理后Cu-50.84Cr-0.48Al合金基体中的显微孔隙数量较高压处理前的少, 合金的致密度有所升高。这是由于高压力能使Cu-50.84Cr-0.48Al合金内部产生了高应变引起晶格畸变, 从而导致位错数量增多, 同时也能使合金内部中微孔隙被压缩闭合, 造成显微孔隙数量减少, 合金的致密度升高。
2.2导热性能
图4为高压处理前后Cu-50.84Cr-0.48Al合金的热扩散系数与压力的关系曲线。可以看出, 高压处理能增大Cu-50.84Cr-0.48Al合金的热扩散系数, 25℃时, 压力为1 GPa, 热扩散系数为0.4188 cm2·s-1, 较高压处理前的提高了10.65%, 当压力超过1 GPa时, 该合金的热扩散系数随压力的升高变化不大。由图5可见, 在25~400℃范围内, 1 GPa压力处理后Cu-50.84Cr-0.48Al合金的热扩散系数高于高压处理前的热扩散系数。
图1 高压处理前后Cu-50.84Cr-0.48Al合金的金相组织Fig.1 Microstructures of Cu-50.84Cr-0.48Al alloy before and after high pressure treatment
(a) Original; (b) 1 GPa treatment
图2 高压处理前后Cu-50.84Cr-0.48Al合金的TEM照片Fig.2 TEM images of Cu-50.84Cr-0.48Al alloy before and after high pressure treatment
(a) Original; (b) 1 GPa treatment
图3 高压处理前后Cu-50.84Cr-0.48Al合金的SEM背散射形貌图Fig.3 SEM-BSE images of Cu-50.84Cr-0.48Al alloy before and after high pressure treatment
(a) Original; (b) 1 GPa treatment
图4 Cu-50.84Cr-0.48Al合金在25℃时的热扩散系数与压力的关系Fig.4Relationship between thermal diffusivity coefficient of Cu-50.84Cr-0.48Al alloy and pressure at 25℃
图5 Cu-50.84Cr-0.48Al合金的热扩散系数随温度变化曲线Fig.5 Relationship between temperature and thermal diffusivi-ty coefficient of Cu-50.84Cr-0.48Al alloy
Cu-50.84Cr-0.48Al合金的传热是由Cu基体和Cr相两部分传热组成。高压处理没有改变Cu-50.84Cr-0.48Al合金的组成相及组织特征, 但一方面, 高压处理能使合金晶格产生畸变, 组织内部位错数量增多, 加大了对电子的散射作用[14], 降低了合金的热扩散系数;另一方面, 高压处理能增大合金的致密度, 降低了基体中显微孔隙率, 从而减少了因孔隙造成的部分电子的散射[15], 致使合金的热扩散系数升高。比较上述两方面作用, 后者起主导作用, 故经高压处理后Cu-50.84Cr-0.48Al合金的热扩散系数有所增大。随着压力的增大, Cu-50.84Cr-0.48Al合金组织内的位错数量增加, 增强了对电子的散射作用, 同时合金基体内部的残留显微孔隙减少, 有利于电子的热扩散。综合上述两方面的作用, 造成压力在1~5 GPa范围内, Cu-50.84Cr-0.48Al合金的热扩散系数变化不大。
2.3热膨胀性能
图6为Cu-50.84Cr-0.48Al合金的热膨胀系数及线膨胀率随温度变化的曲线。可以看出, 1 GPa压力处理前后Cu-50.84Cr-0.48Al合金的热膨胀系数均随温度的升高而增大, 在96℃以下时, 1 GPa压力处理对合金的热膨胀系数影响不大, 而在96℃以上时, 1 GPa压力处理后合金的热膨胀系数高于未经高压处理的热膨胀系数。由测试结果可知, 在200和500℃时, 1 GPa压力处理后Cu-50.84Cr-0.48Al合金的热膨胀系数分别为12.578×10-6和13.995×10-6℃-1, 较同等温度下未经高压处理的热膨胀系数分别增大了5.21%和7.65%。
通常固体材料受热时会增大原子的热运动, 从而加剧固体材料内部的晶格振动, 导致固体材料的体积发生膨胀, 温度越高, 晶格振动越快, 吸收能量愈大, 材料的膨胀量也越大。由于材料内部孔隙可认为膨胀为零的相[16], 在受热时几乎不发生膨胀, 当升至一定温度时, 材料内部孔隙可抵消了部分由热膨胀引起的体积膨胀量[17,18]。高压热处理能提高Cu-50.84Cr-0.48Al合金的致密度, 降低材料内部的残留孔隙率, 因而减少了由材料内部孔隙所抵消的膨胀量, 导致在96℃以上时, 1 GPa压力处理后Cu-Al合金的热膨胀系数值高于未经高压处理的热膨胀系数。温度过低, 材料的膨胀量较小, 材料内部的残留孔隙抵消的膨胀量也较小, 这可能是导致当温度低于96℃时, 1 GPa压力处理对合金的热膨胀系数影响不大的原因, 还有待进一步探讨。
图6 Cu-50.84Cr-0.48Al合金的线膨胀系数与温度的关系Fig.6Relationship curves between linear expansion coeffi-cients of Cu-50.84Cr-0.48Al alloy and temperature
3结论
1.高压处理能增大Cu-50.84Cr-0.48Al合金的热扩散系数, 当压力超过1 GPa时, 合金的热扩散系数随压力的升高变化不大, 1 GPa压力处理后合金的热扩散系数为0.4188 cm2·s-1, 较高压处理前的提高了10.65%。
2.温度低于96℃时, 1 GPa压力处理对Cu-50.84Cr-0.48Al合金的热膨胀系数影响不大, 而温度高于96℃时, 1 GPa压力处理后能增大该合金的热膨胀系数。
3.Cu-50.84Cr-0.48Al合金经高压处理后致密度的升高是导致改合金的热扩散系数及热膨胀系数增大的主要原因。
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