稀有金属 2015,39(02),97-102 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2015.02.001

高压热处理对Cu-37.67Zn-1.43Al合金导热及导电性能的影响

赵军 李冀蒙 赵陆民 尹硕 陈久川 文全兴

北华航天工业学院材料工程学院

华南理工大学国家金属材料近净成形工程技术研究中心

燕山大学材料科学与工程学院

摘 要：

采用热常数测试仪和电导仪测试了Cu-37.67Zn-1.43Al合金经1~5 GPa,700℃保温20 min处理前后的热导率和电导率,用光学显微镜和透射电镜对其组织特征进行观察,并探讨了高压热处理对Cu-37.67Zn-1.43Al合金导热性能和导电性能的影响。结果表明:退火态Cu-37.67Zn-1.43Al合金的原始组织由α相和少量的β相组成。经高压热处理后,合金组织中白色块状α相数量减少,出现细条状α相,组织明显细化,细化效果随压力的增大先增强后减弱,当压力为3 GPa时,组织细化效果最好。并且,高压热处理能降低Cu-37.67Zn-1.43Al合金的热导率和电导率,在1~5 GPa范围内,随着压力的增大,该合金的热导率和电导率均先降低后升高;压力为3 GPa时,热导率和电导率均达到最低值,分别为99 W·m-1·K-1和20.86%IACS,较高压处理前分别降低了14.66%和15.07%,但经高压处理与未经高压处理的样品热导率差值随着温度的升高而逐渐减小,在25℃时,两者的差值为17 W·m-1·K-1,而在400℃时,两者的差值为4 W·m-1·K-1。其原因主要是高压热处理后Cu-37.67Zn-1.43Al合金组织细化及组织内位错密度增大。

关键词：

Cu-37.67Zn-1.43Al合金;高压热处理;热导率;电导率;

中图分类号： TG166.2;TG146.11

作者简介：赵军(1975-),男,河北秦皇岛人,博士,副教授,研究方向:高性能金属材料制备研究及成形控制;电话:0316-2085740;E-mail:zjqhd@163.com;

收稿日期：2013-08-22

基金：河北省自然科学基金(E2013409002);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);河北省教育厅科研基金(QN2014031,QN20131117和Z2014086);河北省高校百名优秀创新人才(BR2-239);河北省普通高等学校青年拔尖人才计划项目(BJ2014001);廊坊市科技支撑计划课题(2014011006,2014011010和2013011010);廊坊市科技局研究课题(2011023130);北华航天工业学院科研基金(KY-2014-06和KY-2014-24)资助;

Thermal Conductivity and Electrical Conductivity of Cu-37.67Zn-1.43Al Alloy with High Pressure Heat Treatment

Zhao Jun Li Jimeng Zhao Lumin Yin Shuo Chen Jiuchuan Wen Quanxing

School 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

College of Materials Science and Engineering,Yanshan University

Abstract：

The thermal conductivity and electrical conductivity of Cu-37. 67Zn-1. 43 Al alloy before and after heat treatment at 1 ~ 5GPa and 700 ℃ for 20 min were measured by thermal constant tester and electric conductivity instrument,the microstructure was observed by means of optical microscope( OM),transmission electronic microscope( TEM),and the effect of high pressure heat treatment on thermal conductivity and electrical conductivity of Cu-37. 67Zn-1. 43 Al alloy were investigated. The results showed that the original microstructure of annealed Cu-37. 67Zn-1. 43 Al alloy was composed of α phase and a small amount of β phase. After high pressure heat treatment,the number of white massive α phases reduced,thin strips α phase appeared,the microstructure was obviously refined,and the refinement effect increased with the pressure increasing firstly and then decreased. When the pressure was 3 GPa,the refinement effect was the best. The high pressure heat treatment could reduce the thermal conductivity and electrical conductivity of the alloy,and the thermal conductivity and electrical conductivity firstly decreased and then increased as the pressure increased under 1 ~5 GPa pressure. The thermal conductivity and electrical conductivity reached the minimum values of 99 W·m- ·1K- 1and 20. 86% IACS under 3 GPa,respectively,decreasing by 14. 66% and 15. 07%,respectively,compared with those of the alloy without high pressure treatment,but the margin values of their thermal conductivity decreased gradually as the temperature increased, which were17 W·m- ·1K- 1at 25 ℃ and 4 W·m- ·1K- 1at 400 ℃,respectively. The main reason was that the microstructure was refined and the dislocation density within the grains of the alloy increased due to high pressure heat treatment.

Keyword：

Cu-37.67Zn-1.43Al alloy; high pressure heat treatment; thermal conductivity; electrical conductivity;

Received： 2013-08-22

Cu-Zn合金具有较高的机械性能及良好的导热、导电和耐蚀性等优点,已广泛地应用在电器、仪表、船舶及机械等行业^[1,2,3,4]。随着现代工业的发展,对Cu-Zn合金的使用性能提出更高的要求,特别是强度、导热及导电性能。因此,关于开展提高Cu-Zn合金性能的研究尤为重要。国内外材料工作者在Cu-Zn合金改性方面进行了大量的研究^[5,6,7,8],其研究主要集中在添加合金元素、形变及热处理等方面。高压处理对金属材料的固体相变影响较大,因而通过高压处理来控制金属材料的组织结构,从而改善其性能,该方法已引起相关研究者的关注^[9,10,11,12]。据近期文献[13 - 14]报道,高压热处理能改善Cu-Zn合金的组织及力学性能和热膨胀性能,但关于高压热处理对Cu-Zn合金导热及导电性能影响尚不清楚。鉴于此,本文对Cu-37. 67Zn-1. 43Al合金进行不同压力的高压热处理,并探讨了高压热处理对该合金导热性能和导电性能的影响。

1 实 验

实验材料选用退火态Cu-37. 67Zn-1. 43Al合金,其化学成分 ( % ,质量分数) 为,60. 79Cu,37. 67Zn,1. 43Al,0. 11其余。将退火态样品装入石墨管内,用六方氮化硼( BN) 粉末将样品与石墨管隔离后放在叶蜡石模具中,再将叶蜡石模具放入CS-IB型六面顶压机的压力腔内进行高压热处理实验,压力分别为1,3和5 GPa,加热至700℃保温20 min后,断电保压冷却至室温,冷却压头的循环水流量约为1. 2 L·min^{- 1}。然后,将高压热处理前后试样加工成尺寸为Φ10 mm×1. 5 mm的样品,经1400^#砂纸打磨和抛光后,用TC-7000型热常数测试仪和WD-Z型涡流电导仪分别测试其热导率和电导率。高压处理前后的样品经研磨、抛光、4 gFe Cl₃+ 10 ml HCl + 100 ml H₂O溶液腐蚀后,在Axiovert200MAT型光学显微镜 ( OM ) 和Jeol-2010型透射电镜( TEM) 下进行微观组织观察。

2 结果与讨论

2. 1 金相组织

图1为不同处理状态下Cu-37. 67Zn-1. 43Al合金的显微组织。可以看出,退火态Cu-37. 67Zn1. 43Al合金的原始组织由α( Cu的固溶体) 和少量的β( Cu Zn固溶体) 相组成,其中α呈不规则亮白色块状,β相主要存在黑色区中。经高压热处理后,合金组织中白色块状α相数量减少,出现细条状α相,组织明显细化,细化效果随压力的增大先增强后减弱,当压力为3 GPa时,组织细化效果最好。由TEM观察( 图2) 发现,高压热处理后Cu37. 67Zn-1. 43Al合金组织中位错密度明显增大。这是由于高压力能使Cu-37. 67Zn-1. 43Al合金晶格发生畸变而产生高密度位错,这为新相的形核提供更多的部位,致使形成的晶核数量增多,同时高压力又能降低原子的扩散系数,抑制晶核长大^[9],所以Cu-37. 67Zn-1. 43Al合金经高压热处理后组织有所细化。但过高的压力下原子的扩散较困难,使新相的成核率降低^[12],故压力超过3 GPa时,合金的细化效果又有所减弱。

图 1 不同状态下 Cu-37. 67Zn-1. 43Al 合金的金相组织Fig. 1 OM images of Cu-37. 67Zn-1. 43Al alloy in different conditions

( a) Annealed; ( b) 1 GPa treatment; ( c) 3 GPa treatment; ( d) 5 GPa treatment

图 2 高压处理前后 Cu-37. 67Zn-1. 43Al 合金的 TEM 照片Fig. 2 TEM images of Cu-37. 67Zn-1. 43Al alloy before and after high pressure treatment

( a) Annealed; ( b) 3 GPa treatment

2. 2 热导率

图3为Cu-37. 67Zn-1. 43Al合金的热导率与压力的关系曲线。可以看出,高压热处理能降低Cu37. 67Zn-1. 43Al合金的热导率,且合金的热导率随着压力的增大先降低后略有升高,当压力为3 GPa时,热导率达最小值99 W·m^{- 1}·K^{- 1},较高压处理前降低了14. 66% 。图4为3 GPa压力处理前后Cu-37. 67Zn-1. 43Al合金在25,100,200,300及400℃下的热导率。由图4发现,在25 ~ 400℃范围内,3 GPa压力处理Cu-37. 67Zn-1. 43Al合金的热导率低于高压处理前,且两者的热导率差值随温度的升高而逐渐减小; 在25℃时,两者的差值为17 W·m^{- 1}·K^{- 1},而在400℃时,两者仅差4 W·m^{- 1}·K^{- 1}。

图 3Cu-37. 67Zn-1. 43Al 合金在 25 ℃ 时的热导率与压力的关系Fig. 3Relationship between thermal conductivity of Cu-37.67Zn-1. 43Al alloy and pressure at 25 ℃

图 4 Cu-37. 67Zn-1. 43Al 合金的热导率随温度变化曲线Fig. 4Relationship between temperature and thermal conductivity of Cu-37. 67Zn-1. 43Al alloy

2. 3 电导率

图5为Cu-37. 67Zn-1. 43Al合金的电导率与压力的关系曲线。可见,Cu-37. 67Zn-1. 43Al合金经高压热处理后的电导率有所降低,合金的电导率随着压力的增大呈现先下降后上升的趋势,但电导率上升幅度不大。当压力为3 GPa时,其电导率达最小值20. 86% IACS,较高压处 理前降低 了15. 07% 。

金属材料导热及导电性能的变化是固溶原子、杂质、空位、界面及晶格畸变、位错等缺陷对电子的散射作用的综合效应所致^[15,16,17]。通常合金内部位错密度和界面体积分数越大,对电子的散射作用越强^[18,19],热导率和电导率就越低,反之则越高。高压热处理能降低Cu-37. 67Zn-1. 43Al合金的热导率和电导率,这主要与合金内部的位错和界面对电子的散射作用有关。高压热处理虽没有改变Cu-37. 67Zn-1. 43Al合金的组成相,但能造成晶格畸变,细化合金组织,使位错密度和晶界体积分数增大,增强了对电子的散射作用,从而引起合金的热导率和电导率降低^{[20,21,22,23]}。一般情况下,压力越大,合金内部位错密度就越大,热导率和电导率越低。但当压力为3 GPa时,Cu-37. 67Zn-1. 43Al合金的组织最细小,界面体积分数最大,压力超过3 GPa时,位错密度虽有增大,但组织的细化效果减弱,界面体积分数有所降低。综合界面和位错对电子散射的共同作用的效果,使得压力为3 GPa时,合金的热导率及电导率最低,导热及导电性能也就最差。至于3 GPa压力处理前后Cu-37. 67Zn1. 43Al合金的热导率差值随温度的升高而减小,这是由于当Cu-Zn合金加热到一定程度时,由高压处理所产生的位错得以消除,从而减轻了对电子的散射作用。所以,与高压处理前的合金相比,高压处理后合金的热导率随温度的升高增加幅度较大。

图 5Cu-37. 67Zn-1. 43Al 合金在 25 ℃ 时的电导率与压力的关系Fig. 5Relationship between electrical conductivity of Cu-3767Zn-1. 43Al alloy and pressure at 25 ℃

3 结 论

1. 高压热处理能细化Cu-37. 67Zn-1. 43Al合金组织,增大组织内位错密度,降低了合金的导热及导电性能。

2. Cu-37. 67Zn-1. 43Al合金经1 ~ 5 GPa,700℃保温20 min高压热处理后的热导率和电导率均随着压力的增大先降低后升高; 当压力为3 GPa时,其热导率和电导率值最低,分别为99 W·m^{- 1}·K^{- 1}和20. 86 % IACS,较高压处 理前分别 降低了14. 66% 和15. 07% 。

3. 在25 ~ 400℃范围内,3 GPa压力处理后Cu-37. 67Zn-1. 43Al合金的热导率均低于高压处理前,但两者的热导率差值随着温度的升高而逐渐减小,在25℃时,两者的差值为17 W·m^{- 1}·K^{- 1},而在400℃时,两者仅差4 W·m^{- 1}·K^{- 1}。