超细Al2O3颗粒增强铜基复合材料的研究

第15卷1998年第3期8月复　合　材　料　学　报A CTA M A T ER I A E COM PO S ITA E S I N I CAV o l .15 N o.3A ugust 1998 收修改稿、初稿日期:1997204225,1997202205 本课题为机械工业部教育司基金和陕西省自然科学基金资助项目超细A l 2O 3颗粒增强铜基复合材料的研究梁淑华 范志康 时惠英 魏　兵(西安理工大学材料科学与工程学院,西安710048)摘　要　采用热压烧结法制备了超细A l 2O 3P Cu 复合材料,并进行了轧制,对其组织与性能进行观察与分析。

结果表明,超细A l 2O 3P 在基体中分布均匀,细化了晶粒,具有优于铜及铜合金的抗软化性能和耐磨性能。

随着超细A l 2O 3P 含量的提高,密度、电导率降低,硬度、强度升高,轧制后的电导率与美国SC M 制品接近。

关键词　热压烧结,复合材料,组织和性能中图分类号　TB 331 A l 2O 3颗粒增强铜基复合材料是一种新型的优秀材料,它可以同时具有高强度、高导热性,以及优于其他任何一种铜合金的耐磨性,是I C 引线框架、电阻焊电极、连铸钢坯结晶器、氧枪喷头等要求高温下高强度、高导电及良好耐磨性的材质最佳选择[1]。

国内在这方面的研究报导较少,国外的材料主要采用内氧化法制取,这种方法周期长,一般需要10～20小时,工艺复杂,要经过制取合金粉(雾化),内氧化处理,热等静压等工序,生产成本高。

正是由于生产方法、成本的限制,这种优秀的复合材料至今没有得到良好的应用[2]。

本研究旨在开发一种简单易行,生产成本低廉的生产方法,试图通过研究使这种复合材料得到更广泛的应用,并为此提供依据。

1　材料及实验方法 试验所用A l 2O 3为Α结构,粒度为0.1Λm 和55Λm (对比),经过化学和热处理后使用,铜粉为270目电解铜粉,将两种原料按比例配制后,再加入适量的分散剂,放入QM 24H 型超级球磨机中进行球磨5～6h (A r 保护),然后将原料装入石墨模具中在自制的热压烧结炉中进行烧结,采用N 2保护,烧结温度为850～1000℃,压力40～50M Pa 。

显微组织在普通金相显微镜及SE M 下观察,密度用0.1m g 光电天平排水法测量,硬度测试在HB 23000型布氏硬度计上进行测试,在7501型涡流电导仪中测量电导率(%I A CS ),磨损试验在MM 2200型往复磨损试验机上进行,在25吨万能拉伸试验机上测试抗压强度Ρbc 。

除抗压和磨损试验外,其他试样经过热轧,轧制温度500～600℃,相对变形量65%。

2　结果与分析2.1　显微组织 增强颗粒在基体中的分布状况很大程度上取决于混粉的结果[3]。

实验证明,细小的A l 2O 3颗粒表面能高,趋于聚集,A l 2O 3与Cu 又互不浸润,密度相差悬殊,很难通过常规的机械混合将超细A l 2O 3颗粒均匀分布于Cu 基体中,即使高温下加压也不能将它们很好分散开。

由图1a 可以看出,分散剂的加入很大程度改善了A l 2O 3与Cu 的润湿状态,使增强颗粒均匀分布在铜基体中,细化了晶粒,同时有少量孪晶出现,细小的A l 2O 3P 分布在晶界上,坚硬的A l 2O 3阻碍了塑性变形,起到牢固的钉扎作用。

图1b 是热轧试样在A r 气保护下950℃退火1h 的组织,可以看出复合材料内未出现粗大的再结晶组织,晶粒尺寸更加均匀。

(a )烧结态(sintering ) (b )退火态(annealing )图1　复合材料的组织形貌　×200 F ig .1　M icro structrue of the compo sites ,×2002.2　密度图2　轧制前后A l 2O 3 Cu 材料的相对密度变化F ig .2　D ensity rate of the compo sites befo re and after ro lling 密度对于粉末冶金来说是一个重要的物理量,它很大程度上决定着材料的物理及力学性能[3]。

热压烧结的A l 2O 3 Cu 复合材料不可避免存在粉末冶金所固有的缺陷——不致密,所以为防止水渗入到试样孔隙中影响测量精度,先将试样浸于热油中(油可阻止水进入孔隙中)。

然后测定试样的密度。

所得结果如图2所示。

随着A l 2O 3含量提高,复合材料的相对密度下降,但热压烧结原始试样密度超过了90%,说明热压烧结工艺是成功的。

试样经热轧后相当于在高温下继续进行压力烧结,进一步致密,轧制过程中材料的缩孔、疏松、孔隙、气泡等缺陷得到压实或焊合,所以轧制后密度升高。

2.3　硬度及电导率 如图3所示,随着增强颗粒含量的增加,轧制前、后的硬度呈上升趋势,这是由于随着颗粒54第　3　期梁淑华等:超细A l 2O 3颗粒增强铜基复合材料的研究含量的增加,A l 2O 3高效率地占据空间,颗粒间距较小,有效地控制了晶粒长大的结果。

轧制后硬度的进一步提高,是因为轧制后缺陷减小,基体上均匀分布的细小A l 2O 3有效控制了晶粒的图4　相对变形量对电导率的影响F ig .4　R elati onsh i p betw een conductivity and defo r m ation 1——轧后电导率(conductivity after ro lling );　2——轧前电导率(conductivity befo re ro lling );　3——轧后硬度(HB after ro lling );　4——轧前硬度(HB befo re ro lling );　5——美国SCM 制品电导率(conductivity of U S SCM )图3　复合材料的电导率及硬度变化F ig .3　Conductivity and hardness of the compo sites长大,同时由于基体与颗粒之间热膨胀系数不同产生高密度位错,使得超细A l 2O 3增强铜基复合材料具有较大的变形抗力。

电导率在轧制后升高说明轧制后复合材料对电子运动的散射作用减弱,这是多种因素共同作用的结果。

由图4可以看出,在变形程度较小时,电导率无明显增加。

而变形程度大于40%时,电导率%I A CS 3(I A CS (In ternati on 2al A nnealed Copp er Standard ),国际退火铜标准,基涵义为:退火纯铜在20℃,电阻率为0.0172418 mm 2 m 时的电导率为100%I 2A CS 。

通常高纯铜的电导率可达103%I A CS ,即电阻率为0.01688 mm 2 m )有了较大辐度的升高。

一方面,跟一般金属材料一样随着变形程度的增加,晶粒细化,产生高密度位错,引入了大量异相界面,构成对电子运动的散射,电导率呈下降趋势。

另一方面,随着变形程度的增加消除了气泡、孔隙、疏松等缺陷,晶粒彼此直接接触,且晶界趋于有规则排列,所以电导率呈上升趋势,对于粉末冶金材料,后者的作用更显著一些,所以电导率总体表现出随变形程度增加而增加。

由图3可见,热轧后的复合材料与美国SC M 制品电导率接近。

2.4　抗压强度 测出试件变形量为5%时的压力数,作为复合材料的抗压强度,所得结果见表1。

随着增强颗粒的增多,抗压强度提高,复合材料在抗压过程中,颗粒和基体同时承载,颗粒还有约束复合材料塑性变形的能力,起到钉扎作用。

表1　超细A l 2O 3P 增强铜基复合材料的抗压强度Table 1　Co m pressive strength of the co m positesA l 2O 3含量 w t %00.20.71.2抗压强度Ρbc M Pa1581872212852.5　软化温度 软化温度是衡量高温下具有高强度、高导电性材料的一个重要指标,高温下金属的软化,使其丧失了大部分强度。

几乎任何一种铜合金在高于铜熔点的1 3～1 2温度之间长时间工作,64复　合　材　料　学　报第15卷强化效应都将丧失,而A l 2O 3 Cu 复合材料克服了这一点[4]。

软化温度是以高温下失去室温硬度的20%为标准测定的。

复合材料取轧制的试样,为了便于在同等条件下对比,还分别测定了纯铜压制的试样及商品CCZ 铜(Cu 20.55C r 20.25Zr )作对比,测得结果如表2所示。

表2　同等条件下复合材料、铜、铜合金的软化温度对比Table 2　Sof t te m perature of pure copper ,copper alloy and the co m posites 试 样纯铜CCZ 1.2A l 2O 3 Cu2.0A l 2O 3 Cu软化温度 ℃250510700750 可见,A l 2O 3 Cu 复合材料具有较高的软化温度。

这是因为,A l 2O 3是尺寸稳定、坚硬的惰性粒子,物理化学性质具有良好的热稳定性,高温下仍起到牢固的钉扎作用。

细小的均匀分布的A l 2O 3颗粒阻碍着位错和晶界移动,所以提高了软化温度。

2.6　耐磨性 磨损试样是未经轧制的热压烧结复合材料,尺寸为30×20×12mm 3,丙酮超声波清洗,对磨试样为淬火45钢,尺寸210×40×24mm 3,为了便于对比,复合材料中A l 2O 3分为55Λm 和0.1Λm 两种,同时还有纯铜,以重量失重计算磨损量,对磨时间为48h 。

试验结果如表3所示。

表3　磨损试验结果 Table 3　W ear i ng test results材 料磨损失重 m g h -1摩擦面上载荷 M Pa润滑条件频率 次 m in -1往复行程 mm纯 铜21每五小时55ΛmA l 2O 3P Cu 0.30.6加一次20#601600.1ΛmA l 2O 3P Cu0.08洁净机油(a )0.1Λm (b )55Λm图5　复合材料的磨损面SE M 形貌　×200 F ig .5　W ear surface of the compo sites ,SE M ,×200 可以看出,增强颗粒的加入显著改善了基体的耐磨性,在增强颗粒含量为2%时提高2～3个数量级。

这是因为颗粒增强的复合材料,在进行磨损时,铜基体首先被磨掉,A l 2O 3颗粒凸显在试样磨面上,承受大部分载荷,减少了基体和对偶副的直接摩擦,使磨面的表面粗糙度变大,增加了磨面的储油量。

同时磨面在滑动摩擦过程中能够保持较厚和较完整的油膜,再加上增强粒子对基体的强化作用,使得A l 2O 3增强铜基体复合材料耐磨性得到了良好的改善。

超细颗粒增强的复合材料较粗颗粒增强的复合材料更加耐磨。