简介概要

新型Fe-Cu复合材料的设计及性能研究

来源期刊：稀有金属2020年第2期

论文作者：战再吉李鑫曹海要

文章页码：153 - 158

关键词：Fe-Cu复合材料;铁基骨架;铜枝结构;导电率;力学性能;

摘要：基于粉末冶金液相烧结技术对Fe-Cu复合材料进行结构设计,以尺寸均匀呈密排方式的Fe合金球为强化相,其间隙以熔融态Cu进行填充形成导电树枝结构,通过调整Fe和Cu的比例制备出新型Fe-Cu合金;为进一步达到强化作用,对Fe合金进行成分设计,使其能通过淬火进行强化。采用真空热压液相烧结技术制备出Fe-Cu复合材料,优化制备工艺,研究铜含量、导电树枝尺寸对导电率和力学性能的影响,进一步分析强韧化热处理工艺对材料组织和力学性能的影响,在此基础上进行了初步的高速载流摩擦磨损性能试验。研究表明:含50%Cu复合材料的导电率能达到31%IACS,抗拉强度达到457 MPa;对含37%Cu的复合材料进行强韧化处理,调质后铁基组织为回火索氏体, Fe和Cu界面结合良好,抗拉强度为588 MPa,导电率达到20%IACS以上;高速载流摩擦磨损试验表明,随Fe-Cu合金强度的提高其磨损抗力显著增加。

网络首发时间: 2019-08-05 20:59

稀有金属 2020,44(02),153-158 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy18080013

新型Fe-Cu复合材料的设计及性能研究

战再吉李鑫曹海要

燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室

摘要：

基于粉末冶金液相烧结技术对Fe-Cu复合材料进行结构设计,以尺寸均匀呈密排方式的Fe合金球为强化相,其间隙以熔融态Cu进行填充形成导电树枝结构,通过调整Fe和Cu的比例制备出新型Fe-Cu合金;为进一步达到强化作用,对Fe合金进行成分设计,使其能通过淬火进行强化。采用真空热压液相烧结技术制备出Fe-Cu复合材料,优化制备工艺,研究铜含量、导电树枝尺寸对导电率和力学性能的影响,进一步分析强韧化热处理工艺对材料组织和力学性能的影响,在此基础上进行了初步的高速载流摩擦磨损性能试验。研究表明:含50%Cu复合材料的导电率能达到31%IACS,抗拉强度达到457 MPa;对含37%Cu的复合材料进行强韧化处理,调质后铁基组织为回火索氏体, Fe和Cu界面结合良好,抗拉强度为588 MPa,导电率达到20%IACS以上;高速载流摩擦磨损试验表明,随Fe-Cu合金强度的提高其磨损抗力显著增加。

关键词：

Fe-Cu复合材料;铁基骨架;铜枝结构;导电率;力学性能;

中图分类号： TB331

作者简介：战再吉(1968-),男,吉林省吉林市人,博士,教授,研究方向:金属基复合材料、功能材料;电话:0335-8501191;E-mail:zjzhan@ysu.edu.cn;

收稿日期：2018-08-10

基金：国家自然科学基金项目(51505410);河北省自然基金项目(E2017203298)资助;

Design and Properties of New Fe-Cu Composites

Zhan Zaiji Li Xin Cao Haiyao

State Key Lab of Metastable Materials Science and Technology,Yanshan University

Abstract：

A new Fe-Cu composite was designed based on the powder metallurgy liquid-phase sintering technology. The Fe alloy balls with uniform size and dense arrangement were used as the strengthening phase, and the gaps of Fe alloy were filled with molten Cu to form the conductive branched structure. A novel Fe-Cu alloy was prepared by adjusting the weight ratio of Fe and Cu. In order to achieve the better strengthening, the composition of Fe alloy was designed to be strengthened by quenched treatment. The Fe-Cu composites were prepared by vacuum hot pressing liquid-phase sintering technology. The effects of copper content, conductive branch size on electrical conductivity and mechanical properties were investigated, the influence of strengthening and toughening heat treatment process on the microstructure and mechanical properties of the material was further analyzed, and the preparation process was optimized. On this basis, a preliminary high-speed tribological test with electric current was carried out. The research showed that the conductivity of the composites containing 50%Cu could reach 31%IACS and the tensile strength was 457 MPa. The composite material containing 37%Cu was toughened and treated, after quenching and tempering, the iron-based structure was tempered Sorbite, and the interface between Fe and Cu was well bonded. The tensile strength was 588 MPa and the electrical conductivity was above 20% IACS. The high-speed current-carrying wear test revealed that the wear resistance was significantly improved due to the increase of the strength of the Fe-Cu alloy.

Keyword：

Fe-Cu composite; iron-based skeleton; copper branch structure; electrical conductivity; mechanical properties;

Received： 2018-08-10

铜及其合金具有良好的导电性、导热性, 但其强度低、耐磨性差 ^[1,2,3] ; 钢铁材料强度高, 价格低廉, 在工业生产中普遍应用 ^[4] , 为了改善单一材料综合性能的不足, 可以设想制备Fe-Cu合金或复合材料, 把铜的高导电性和钢的高强度结合在一起。但是由于Fe和Cu之间溶解度很低, 在1096 ℃高温下, Fe在Cu中的溶解度只有3.6%, 在常温下溶解度更低 ^[5] , 难以通过合金化的方法来制备, 且Fe-Cu合金的导电率和力学性能也不能兼顾 ^[6] 。

利用粉末冶金方法气体雾化粉末制备的Cu-15%Fe复合材料, 得到47.6%IACS电导率及优良的机械性能 ^[7] ; 采用雾化粉末液相压制烧结Fe-Cu-C复合材料, 不仅具有很好的烧结性能和机械性能, 而且具有较高的尺寸稳定性 ^[7,8,9] 。相同组分的材料分别使用固相烧结和液相烧结进行制备 ^[10] , 固相烧结后的材料组织细小, 但存在孔隙, 材料的力学性能较好, 但是烧结时间长; 液相烧结后的材料接近全致密, 强化相分布更均匀, 材料的综合性能优异 ^[11,12,13] 。烧结温度高于铜的熔点时, 铜变成液相与铁能形成更好的结合, 再辅助以碳元素的作用, 可以使合金的抗拉强度、伸长率等综合机械性能得到提升 ^[14,15] 。

本文设计一种粉末冶金真空熔融液相热压烧结Fe-Cu复合材料, 采用的烧结温度低于传统的液相烧结技术, 在烧结压力作用下实现熔融状态的Cu在固相中的有效填充。在提高材料的导电性的同时, 确保材料整体的力学性能和耐磨性。在铁基骨架的间隙中形成连续的铜枝结构, 保证材料的导电性。对该复合材料进行后续的淬火处理, 使材料发生马氏体相变, 再进行回火调节材料的整体力学性能, 制备出导电性能和机械性能等综合性能良好的Fe-Cu复合材料, 在此基础上对其强度和摩擦学性能进行了初步研究。

1 实验

1.1 原料

实验原材料为雾化合金钢粉和电解纯铜粉, 合金钢粉的粒径大小约为74 μm, 铜粉的粒径大小约为25 μm, 粒径比接近3∶1, 可使合金钢粉与铜粉在混粉过程分散均匀, 达到较高的密实程度。

图1为雾化合金钢粉的扫描电子显微镜(SEM)形貌, 大部分合金钢粉呈球形或者近球形, 粒径为74 μm的大颗粒粉末外有粘有少量的卫星球以及一些小颗粒粉末, 在雾化制粉的过程中, 熔融状态的合金形成液滴, 许多小液滴融合在一起并发生凝固, 部分没有凝固的小液滴附着在已经凝固的粉末表面形成细小的卫星颗粒, 没有附着的小液滴独自形成小的颗粒。这些卫星颗粒可以提高钢粉的表面粗糙度, 使液相铜更容易在钢粉间隙内填充使制备的Fe-Cu材料致密度和强度增加。

图1 合金钢粉末原料显微形貌

Fig.1 SEM image of alloy steel powder

表1为合金钢粉的成分配比, 其成分属于高强低合金钢。

1.2 材料加工制备

将合金钢粉和铜粉在XQM-2L变频行星式球磨机中混粉2 h; 为去除混粉过程中粉末表层形成的氧化层, 将混合粉末放入管式H₂还原炉中, 在450 ℃下还原处理2 h。

真空液相热压烧结温度范围为980～1080 ℃, 此时铜处在固态向液态转变的熔融态(铜熔点1084 ℃), 升温速率为10 ℃·min^-1, 外加压力为 20 MPa, 烧结保温时间为25 min, 烧结过程中真空度可以保持在6×10^-3 Pa以下。

在材料的后续处理过程中, 淬火处理温度为920 ℃, 淬火的冷却介质为水, 材料的冷却速度可以达到临界冷却速度, 使材料组织发生马氏体相变转变为马氏体。淬火处理后进行3次回火, 回火温度选用为550 ℃高温, 回火保温时间为15 min。

1.3 分析测试

使用DH-SV2000FC光学显微镜(OM)观察复合材料的组织形貌。使用KYKY-EM3200扫描电子显微镜(SEM)对粉末形貌、混粉状态和拉伸断口以及摩擦磨损试验后的材料表面显微分析, 工作电压为15 kV。采用Tecnai G2 F30场发射透射电子显微镜(TEM)对调制处理后的复合材料微观结构进行了分析。

表1 合金钢粉的化学成分

Table 1 Chemical composition of alloy steel powder (%, mass fraction)

Elements	Fe	C	Ni	Si	Mn	W	Cr	Sn
Content	94.1	0.1	1.7	1.3	1.2	1.1	0.4	0.1

使用型号为TH5000万能力学试验机测试材料的抗拉性能, 进行3次试验取平均值。

采用四探针法对Fe-Cu复合材料的导电性能进行测试, 四个探针之间的距离为1 mm, 探针材料为WC, 根据公式计算出材料的导电率。

使用型号为MMS-1.5 GZ的高速载流摩擦磨损试验平台对材料进行摩擦磨损行为的研究, 该试验平台为销盘式结构, 加载转速范围40～120 m·s^-1, 加载电流范围0～50 A, 加载力为60 N, 试验在室温下进行, 相对湿度不大于60%, 无润滑。

2 结果与讨论

为制备导电性良好的Fe-Cu复合材料, 首先要在烧结成型过程中使铜完全变为熔融液相, 然后在外加压力的作用下使铜均匀的分布在合金钢粉末的间隙中, 形成均匀连续的铜枝结构。所以铜的添加量存在最低值。假设合金钢粉为大小相等的标准球形且粉末之间都为刚性接触, 在粉末间隙添加适量的尺寸约为钢粉末1/3大小的铜粉末, 在热压液相烧结过程中能够确保铜溶液完全填充在钢粉末的间隙, 利用晶体结构模型进行密排结构计算, 其最高致密度为0.74, 空隙度最低为0.26时, 即可获得均匀连续的间隙铜枝结构, 此时铜量最低为28.5%(质量分数)。在此基础上继续提高铜含量, 在压力作用下, 合金粉会被液态铜分隔开, 进而形成较粗的铜枝结构 ^[16] 。

图2为形成的拓扑结构及其铜枝间隙单元示意图, 这种铜枝结构相互连接, 组成网状的导电通道, 可以增加Fe-Cu复合材料整体的导电性。右上角圆圈内为最简单的铜枝结构间隙单元。

图3为1040 ℃烧结的Fe-Cu复合材料的表面显微结构, 可见: 合金中的大小相近的钢球颗粒互相连接, 其间隙处的铜枝结构分布比较均匀, 钢颗粒之间的空隙可以提供足够空间使铜枝结构生长。

图4为Fe-Cu复合材料的拉伸强度和延伸率随烧结温度变化的曲线, 由图4可见: 在低于 1040 ℃烧结试样的抗拉强度和延伸率都随烧结温度的提升而增加。这是由温度在980～1080 ℃时, 铜由固态转变为液态。 980 ℃时, 铜基本处于固相, 烧结样品存在孔隙, 相对密度较低, 所以强度和拉伸均相对较低。进一步提高温度到1040 ℃以上时, 铜处于熔融态, 并在外加压力的作用下(20 MPa), 可以很好的填充合金钢粉之间的孔隙, 使烧结样品的孔隙率降低, 相对密度增加。复合材料的拉伸强度和延伸率均提高, 其抗拉强度可以达到568 MPa, 材料的延伸率为6.8%。而烧结温度高于1040 ℃时, 拉伸强度和延伸率变化不大。

Fe-Cu复合材料的导电率随铜含量的变化关系如图5所示。在合金钢粉颗粒堆垛最紧密的时候, 铜的含量为28.5%, 在理想状态下, 此时可以形成完整联通的铜枝结构, 其导电率相对较高, 但实际试验中含铜量28.5%的试样的导电率只有15%IACS, 可能的原因就是形成的铜枝结构较细, 部分铁元素溶解进铜中对电子迁移造成阻碍和散射, 影响了连续均匀铜枝结构的导电能力, 因而降低了材料整体的导电性。当铜含量增加到50%时, 试样导电率达到31%IACS, 与文献 [ 6] 相比, 在较低的铜含量下获得较高的电导率。铜的含量增多使导电的铜枝结构增粗, 此时理论横截面积为453.66 μm², 铁元素相对浓度降低, 而在高温下铁在铜中的溶解度提高较少, 导致材料的导电率逐渐上升。铜含量提高的同时, Fe含量逐步下降, 也必然导致材料的力学性能降低。

Fe-Cu复合材料的拉伸性能与含Cu量的关系如图6所示, 由图可见: 随铜含量的增加, 复合材料的强度逐渐下降, 同时延伸率逐渐上升。原因在于: Cu含量增加后, 导致铜枝结构粗大, 同时起强化作用的合金球之间的间距增大, 削弱了原有材料的界面结构, 粉末界面富集铜使延伸率增加, 铜含量50%材料的延伸率超过12%, 拉伸强度则降低到450 MPa左右。

图5 Fe-Cu复合材料的导电率随铜含量变化的曲线

Fig.5 Electric conductivity of the Fe-Cu composites with different content of copper

图6 Fe-Cu复合材料的拉伸强度和延伸率随铜含量变化的曲线

Fig.6 Tensile strength and elongation of Fe-Cu composites with different content of copper

图7为1040 ℃烧结试样的拉伸断口形貌, 可以看出铁基骨架的断裂方式为典型的沿晶断裂, 断口比较平整, 而铜枝结构的断裂为韧性断裂, 并且在铁基骨架的周围分布有较密的韧窝。

由于材料骨架的成分为高强低合金钢, 为了进一步提高材料的强度, 采用淬火+回火的热处理方式进一步提高材料的强度。图8为淬火后的铁基骨架组织的TEM形貌, 主要为板条形状的马氏体和少量残余的奥氏体, 马氏体的板条宽度在0.2～1.0 μm 之间, 样品的抗拉强度约为800 MPa, 其强度远高于文献 [ 8] 中类似含量的材料样品(640 MPa)。

图9为Fe-Cu复合材料在经过回火后铁基骨架的微观组织形貌, 高温回火以后马氏体发生分解, 碳以及碳化物从过饱和的α相中析出, 形成α相和碳化物的机械混合组织, 即回火索氏体, 并且混合组织仍保持马氏体的位向关系。 37.2%铜含量的Fe-Cu基复合材料, 强韧化前的抗拉强度为526 MPa, 在经过热处理后材料的抗拉强度升高为588 MPa, 提升了11.7%。

图7 烧结试样的拉伸断口形貌

Fig.7 Tensile fracture morphology of sintered sample (1040 ℃)

图10为不同滑动速度下材料的磨损率, 由图10可见, 在高速滑动磨损过程中, 随滑动速度的增加, 磨损率增加, 对于Cu含量33%的复合材料, 在40 m·s^-1的速度下磨损率为0.012 mg·m^-1, 在120 m·s^-1的速度下磨损率为0.015 mg·m^-1, 而Cu含量较高的复合材料磨损率则达到0.035 mg·m^-1。

图10 不同滑动速度下复合材料的磨损率

Fig.10 Wear rate of composites with different sliding velocity

图11为不同电流下, 载荷60 N, 摩擦速度 80 m·s^-1条件下, 37.2%铜含量的Fe-Cu基复合材料的磨损率。在滑动电接触过程中, 摩损表面发生破损, 破损的尖点会在较强电流作用下发生电弧烧蚀, 进一步加剧表面的磨损。随着加载电流的增加, 电弧烧蚀作用加重, 使磨损率增加, 当加载电流达到50 A时, 其磨损率达到0.032 mg·m^-1。

图11 不同电流下复合材料的磨损率

Fig.11 Wear rate of composites with different electric current

3 结论

基于粉末冶金熔融液相烧结技术设计了一种Fe-Cu复合材料, 以尺寸均匀呈密排方式的Fe合金球为强化骨架, Fe合金间隙以液相Cu进行填充形成导电树枝结构。在较低的温度条件下制备出新型Fe-Cu复合材料; 选择Fe合金的成分高强低合金钢, 可通过淬火进行热处理, 进一步提高了材料的基体强度, 而不影响材料的电导率。

含50.0%Cu的复合材料导电率达到31%IACS, 抗拉强度达到457 MPa。对含37.2%Cu的复合材料进行强韧化处理, 调质后铁基组织为回火索氏体, Fe和Cu界面结合良好, 抗拉强度为588 MPa, 导电率达到20%IACS以上。铁基增强骨架的断裂方式为典型的沿晶断裂, 铜枝导电结构的断裂方式为韧性断裂。高速载流摩擦磨损试验表明, Fe-Cu复合材料表现出良好的耐磨损性能。