简介概要

高强度高导电的形变Cu-Fe原位复合材料

来源期刊：中国有色金属学报2004年第4期

论文作者：葛继平姚再起

文章页码：568 - 573

关键词：Cu-Fe原位复合材料; 强度; 导电性

Key words：Cu-Fe in situ composites; strength; electrical conductivity

摘要：通过合金成分和变形工艺研究，制备了一种高强度高导电性的形变Cu-Fe原位复合材料。实验结果表明，铁含量越高，强度越高，导电性越低；加入少量镁或锆，可提高强度，但同时损失导电性。在变形过程中，加入适当的中间热处理，在改变强度不太大的前提下，能大大提高导电性。通过合理选择合金成分和变形工艺流程，可制备不同强度和导电性等级要求的Cu-Fe原位复合材料。

Abstract: In order to develop the high strength and high electrical conductivity deformation-processed Cu-Fe in situ composites, the alloy composition and deformation route were studied. The results indicated that the strength increasing and electrical conductivity decreasing with increasing Fe content. Addition of a little of Mg or Zr , the strength can be increased and the electrical conductivity is losing. But the effects of addition of a little of Mg or Zr is little. By heat treating in wire drawing, the electrical conductivity can be increased greatly. Optimizing the alloy composition and deformation route, the good combination of the strength and electrical conductivity of Cu-Fe in situ composites can be obtained.

中国有色金属学报 2004,(04),568-573 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2004.04.009

高强度高导电的形变Cu-Fe原位复合材料

葛继平姚再起

大连铁道学院材料科学与工程系,大连铁道学院材料科学与工程系大连116028 ,大连116028

摘要：

通过合金成分和变形工艺研究,制备了一种高强度高导电性的形变Cu Fe原位复合材料。实验结果表明,铁含量越高,强度越高,导电性越低;加入少量镁或锆,可提高强度,但同时损失导电性。在变形过程中,加入适当的中间热处理,在改变强度不太大的前提下,能大大提高导电性。通过合理选择合金成分和变形工艺流程,可制备不同强度和导电性等级要求的Cu Fe原位复合材料。

关键词：

Cu-Fe原位复合材料;强度;导电性;

中图分类号： TB331

作者简介：葛继平(1962),男,教授;

收稿日期：2003-07-30

基金：大连市科技计划资助项目(2002A1GX024);

High strength and high electrical conductivity deformation-processed Cu-Fe in situ composites

Abstract：

In order to develop the high strength and high electrical conductivity deformation-processed Cu-Fe in situ composites, the alloy composition and deformation route were studied. The results indicated that the strength increasing and electrical conductivity decreasing with increasing Fe content. Addition of a little of Mg or Zr , the strength can be increased and the electrical conductivity is losing. But the effects of addition of a little of Mg or Zr is little. By heat treating in wire drawing, the electrical conductivity can be increased greatly. Optimizing the alloy composition and deformation route, the good combination of the strength and electrical conductivity of Cu-Fe in situ composites can be obtained.

Keyword：

Cu-Fe in situ composites; strength; electrical conductivity;

Received： 2003-07-30

纯铜是标准的导电材料, 但其强度低, 耐磨损性能差。铜合金具有一定的强度和导电性能, 但传统提高铜合金强度的主要方法是固溶处理及随后的时效处理。由于合金元素含量较低, 析出强化作用有限, 一般其抗拉强度小于600 MPa。 Cu-Be和 Cu-Ti合金虽可获得大于1 000 MPa的抗拉强度, 但其仅具有中下等的导电率 (<40%IACS)。铜包钢复合材料导线国内已有一些厂家在生产, 其功能是铜提供导电率, 钢贡献强度, 适合要求高强度、低导电率的场合。同时, 由于铜包钢导线外层是铜, 所以也不适用于磨损严重的场合。由此可见, 现有的纯铜、铜合金和铜包钢复合材料等, 不能胜任同时要求高强度和高导电性的特殊需要, 强度的提高往往是以较大程度地牺牲导电率为代价。

形变铜基原位复合材料由于基体材料的良好导电性和第二金属相的异常强化作用, 因而同时具有高强度和高导电性, 引起了诸多研究者的兴趣。许多工作集中于研究Cu-Nb ^[1,2,3,4,5] 、 Cu-Ag ^[6,7] 、 Cu-Cr ^[8,9] 等合金。但由于这些合金的原材料价格昂贵, 制备工艺复杂, 致使成本很高, 影响了应用前景。 Cu-Fe合金是成本最低的一种合金系, 已有不少学者进行了研究 ^{[10,11,12,13,14,15,16]} 。但由于铁在铜中有较高的溶解度, 而铁从铜中的析出速度很低, 同时铁是能引起铜电阻大幅度提高的元素之一 ^[17] , 因此, 对这类复合材料研究主要是提高其导电率。

为了获得高强度高导电Cu-Fe原位复合材料, 本文作者研究了合金化和变形工艺流程, 以便优化形变Cu-Fe原位复合材料的强度和导电率的结合。

1 实验

Cu-Fe合金采用中频感应加热熔炼, 合金成分(质量分数)分别为Cu-11.5%Fe和Cu-17.5 %Fe。原始铸锭尺寸为d 25 mm×80 mm, 经表面机加工后试样尺寸为d 22×70 mm。试样首先在室温进行旋锻, 直径变化为d 22 mm→d 18 mm→d 16 mm; 接着在室温进行轧制, 其直径变化为d 16 mm→d 14 mm→d 13 mm→ d 12 mm→d 11 mm→d 10 mm→d 9 mm→d 8.5 mm。接着分两组变形工艺流程, 一组是直接室温线拉变形, 由d 8.5 mm→ …d 0.2 mm, 记为流程A; 另一组是在室温进行拉丝和中间热处理, 其工序流程为: d 8.5 mm→室温拉丝→d 6 mm→中间热处理(HT1)→室温拉丝→d 3 mm→中间热处理(HT2)→室温拉丝→d 1.5 mm→中间热处理(HT3)→室温拉丝→d 1 mm(d 0.8 mm, d 0.5 mm, d 0.3 mm, d 0.2 mm), 记为流程B。线拉每道截面压缩量为10%。形变量用对数表示: η=1n(A_o/A_f), 其中A_o是变形前的原始截面积, A_f是终了截面积。样品热处理在真空炉中进行。

样品的微观组织分别用光学显微镜、扫描电镜观察。浅腐蚀的腐蚀剂为10 g Ammoniumperoxodisulfat[(NH₄)₂S₂O₈]+100 g蒸馏水, 深腐蚀剂为80 mL H₂O+10 g K₂Cr₂O₇+5 mL H₂SO₄。腐蚀后用超声波清洗, 清洗液为酒精溶液。光学金相显微镜为Nikon EPIPHOT-300。铁相和铜相尺寸的定量分析方法是: 先制备金相试样, 进行照相, 然后用定量分析软件对照片进行测定; 每个点取至少3张照片上100个测定点的平均值。扫描电镜观察在Jeol JSM 6400扫描电镜上进行。

拉伸试样由不同直径组成, 其长度为100~140 mm, 拉伸速率为1.7×10^-4 s^-1。电阻率采用四点法测定, 每个点取3个试样, 每个试样测3次, 电压计和电流计的最小测定值均为10^-8 V和10^-8 A。纯铜的标准电导率为100%, 对应的电阻率ρ为1.724 1 μΩ·cm(国际标准退火铜), 试样的电导率为%IACS=1.7241/ρ。

2 结果与讨论

2.1Cu-Fe 合金原始及变形组织

图1所示分别是Cu-11.5%Fe和Cu-17.5%Fe合金的铸态OM微观组织。两种组织均为铜基体上分布着树枝状的铁相。铁含量增加, 铁的树枝晶发达并加厚。金相观察还表明, Cu-Fe 合金中加入少量镁和锆, 对其铸态OM微观组织没有明显影响。

用X射线衍射仪对Cu-11.5%Fe和Cu-17.5%Fe原始合金进行相结构分析, 结果表明, Cu-Fe合金在室温下由两相组成, 铜基体和α-Fe相。

图2所示是Cu-17.5%Fe合金经流程B变形η=7.57试样的纵断面(a)和横断面(b)OM微观组

织。从图2中可见, 在纵断面上, 铁相树枝晶沿线拉方向被拉长, 形成纤维状; 在横断面上, 铁相呈弯曲的薄片状。这是体心立方晶体在线拉变形过程中优先发展〈110〉织构造成的 ^[15] 。

2.2合金成分对Cu-Fe合金力学性能和电性能的影响

图3所示是不同成分的Cu-Fe合金经流程B变形后极限抗拉强度与变形量的关系曲线。从图3中可见, 变形量越大, 强度越高; 含铁量越高, 强度越高; 加入镁、锆, 能有限地提高强度。

变形量增大, 强度提高, 主要原因是加工硬化的作用。铁含量大, 强度高, 是因为铁相对强度的贡献大。一般认为, 复合材料的极限抗拉强度符合混合法则

σ_{c_UTS}=σ_{f_UTS}·φ_f+σ_m·φ_m

式中 σ_{f_UTS}和σ_m分别是增强相和基体相的极限抗拉强度, φ_f和φ_m是相应的体积分数。由于铁的强度比铜高, 所以, 提高铁含量则强度提高。加入少

量镁、锆, 对组织没有明显影响, 能提高强度, 这可能是固溶强化的结果。

图4所示是不同成分Cu-Fe合金经流程B变形后电阻率与变形量的关系曲线。从图4中可见, 电阻率随变形量的增加变化有起伏, 这是由于中间热处理的缘故。含铁量越高, 电阻率越高。两种含铁量的Cu-Fe线电阻率差值基本相同, 与变形量没有太大关系。加入镁、锆后, 电阻率升高, 且加入镁的合金电阻率高于加入锆的。

2.3中间热处理对组织、力学性能和电性能的影响

图5所示是Cu-11.5%Fe合金分别采用流程A和B变形η=9.40后的微观组织。从图5可见, 在

没有中间热处理直接变形的合金中, 铁树枝晶没有全部均匀变形, 存在未变形的铁相; 而经过中间热处理的合金中, 铁相则全部形成为薄片状。

用定量分析方法在二维磨面上分别测定了Cu-11.5%Fe合金流程A和流程B变形后的铁相和铜相的厚度, 结果见图6。从图6可见, 变形量越大, 铁相和铜相的厚度越小; 直接变形尽管由于变形不均匀存在未变形的铁相, 但统计计算结果表明, 和经过中间热处理的铁相和铜相的厚度比较变化不大。

经过流程A和流程B制备的样品拉伸应力—应变曲线见图7。虽然样品变形量不同(直径不同), 但影响趋势是一致的, 即没有中间热处理的加工硬化效果和塑性略好于经过中间热处理的。对照图5的观察结果可以分析, 在变形过程中, 铁相的变形是逐渐展开的, 经过中间热处理后, 铁相易于全面变形; 而没有中间热处理的, 铁相的变形则发展较慢, 经η=9.40变形后, 仍存在未变形的铁相。

图8所示是Cu-11.5%Fe合金分别经过流程A和流程B变形后极限抗拉强度与变形量的关系曲线。从图8中可以看出, 中间热处理没有明显影响曲线走向。两种流程制备的样品强度差不多。

图9所示是Cu-11.5%Fe合金经流程A和B变形后的电阻率与变形量的关系曲线。从图9中可见, 经中间热处理的, 其电阻率大大下降。对流程B处理的样品经HT3中间热处理后, 其关系曲线与流程A处理的样品基本相似, 即随着变形量增加, 强度提高, 且基本呈直线关系。

对形变铜基原位复合材料电阻率的研究 ^[18,19,20] 指出, 复合材料整体电阻率与组成相的个体电阻率、体积分数、尺寸和尺寸分布, 以及几何分布等有关。而组成相的单相电阻由下式构成 ^{[18,19,20,21,22,23]} :

ρ_x=ρ₀+ρ_dis+ρ_int+ρ_imp+ρ_ppt

式中 ρ₀为单相体电阻率(即回火态的电阻率),

ρ_dis为位错散射电阻率, ρ_int为界面散射电阻率, ρ_imp为杂质散射电阻率, ρ_ppt是析出物应变场散射电阻率。

单相体电阻率ρ₀是常数, 而位错散射电阻率ρ_dis的变化也很小。有研究认为 ^[21,22,23] , 由于在室温变形时, 铜基体发生动态回复和动态再结晶, 使得位错密度在4×10¹⁰~7×10¹⁰ cm² 范围内变化, 且位错对电阻的贡献约为0.1 μΩcm ^[18] , 所以位错散射电阻率变化很小。从图5和图6可见, 虽然中间热处理有利于铁相变形, 但没有明显改变变形过程中铁纤维的发展趋势。因此, 界面散射电阻率ρ_int的变化也不会很大。显然, 电阻率的变化主要是由于铁从铜中析出, 减小了杂质散射电阻率所致。