Cu-Fe-Cr-Ni原位复合材料的结构与性能

摘要：通过感应熔炼、铸造、热轧和冷拔制备了Cu-Fe-Cr-Ni原位复合丝材，采用XRD、SEM和TEM研究了Ni元素和拉拔变形量对其显微结构的影响。用拉伸试验测试了丝材的强度，用标准四探针方法测量了丝材的电阻。在Cu-Fe-Cr-Ni合金铸锭中，bcc结构的第二相为近球形颗粒形态，经过后续的变形加工，颗粒演变成了近圆形横截面的纤维。对Cu-Fe-Cr-Ni原位复合材料只进行了1次550℃中间退火，就可以获得较高的拉拔变形量(Л=5.32)，表明Ni的加入可以改善原位复合材料的塑性。随着拉拔变形量的增大，Cu-Fe-Cr-Ni原位复合丝材的强度增加，电导率下降。

关键词：原位复合材料；Ni元素；塑性；强度；电导率

    过去，人们的注意力大多集中在开发和探索二元Cu-bcc和Cu-Ag合金，只有少量工作将原位复合材料的研究范围拓展到三元铜基复合材料。最近的一些研究工作填补了这一空白。Raabe等研究了Cu-10wt％Cr-3wt％Ag合金， Verhoeven等研究了Cu-15wt％Nb-2wt％Ag合金。Raabe通过对Cu-Ag-Nb合金的研究，发现铸态Nb颗粒的尺寸比二元Cu-Nb中的要小。通过增加合金元素，探索多种可能的动力学途径，改善复合材料的加工性能，获得某些特定的强度-导电性组合。以往开发的Cu-Fe或Cu-Cr系原位复合材料在拉拔加工时存在塑性较差的缺点，需要多次中间退火才能获得较大的拉拔变形量和抗拉强度。本研究在开发三元Cu-Fe-Cr原位复合材料的基础上，采用0Cr18Ni9为中间合金，经过熔炼、变形加工制备Cu-Fe-Cr-Ni原位复合材料，考察Ni元素在加工过程中的再分配现象，主要目的是研究Ni的加入对原位复合材料加工性能和使用性能的影响。

1  实验材料与方法

    选用纯度为99.8％的电解铜，以0Cr18Ni9奥氏体不锈钢为中间合金，原料中0Cr18Ni9的质量分数为10％，在1500℃进行真空感应熔炼，采用钢模浇铸成～88mm铸锭，在800～900℃热轧成Φ7.3mm的棒料。此时棒料的尺寸为拉拔变形的原始尺寸。拉拔变形量为Л=1n(A₀/A)，A₀为拉拔起始棒料的横截面面积，A 为拉拔变形后丝材的横截面面积。拉拔变形将棒料拉拔成不同直径(Φ)Cu-Fe-Cr-Ni原位复合丝材。拉拔Φ4mm时进行了1次550℃的中间退火。所制备原位复合丝材的最小直径为Φ0.5mm(Л=5.32)。在D/MAX-RB型X射线衍射仪上确定组织的相组成。使用扫描电镜(s-570型、LEO-1450型配有能谱仪)和透射电镜(H-800型)对试样的微观组织结构进行观察分析。复合丝材拉伸实验在INSTRON 6027材料试验机上进行，拉伸速率为1mm/min。采用QJ44型便携式直流双臂电桥测量出复合丝材的电阻，再换算成国际退火铜标准IACS％，得到电导率。

2  结果与讨论

2.1铸态组织

    铸态Cu-Fe-Cr-Ni合金的X-射线衍射图谱见图1(a)，第二相为bcc结构的铁素体(F)，基体为铜基固溶体。由于原料0Cr18Ni9不锈钢中的奥氏体形成元素Ni在熔炼过程中部分溶入了铜基体，使得铸态组织中的第二相转变为铁素体。Ni元素溶入铜基体还可以产生固溶强化作用，但对导电性产生有害影响。图1(b)为Cu-Fe-Cr-Ni合金铸态组织的SEM照片。可见，第二相为近球形颗粒状。

2.2拉拔态组织

    图2为拉拔变形量η=5.32时，Cu-Fe-Cr-Ni原位复合丝材的SEM显微组织。其中纤维细小，横截面呈近圆形。

    经过深度侵蚀Cu-Fe-Cr-Ni原位复合丝材的SEM照片见图3。可以清楚地观察到纤维的立体形貌，部分纤维呈现蝌蚪形态，纤维横截面接近圆形。Cu-Fe-Cr-Ni原位复合材料的X射线能谱分析结果见表1，铜基体中含有少量Fe、Cr、Ni，第二相纤维中的Cr、Ni含量明显低于0Crl8Ni9奥氏体不锈钢中的Cr、Ni含量，说明在熔炼过程中发生了合金元素的再分配。

    图4为拉拔变形量η=3.3时，从Cu-Fe-Cr-Ni原位复合丝材中提取纤维的透射电镜照片。图4(a)中纤维的横截面为近圆形，平均直径为0.23μm，长度一般在2～10μm之间。图4(b)中的纤维直径为0.1μm左右，在透射电镜下观察是半透明的。

2.3 Cu-Fe-Cr-Ni原位复合材料的性能

    550℃中间退火后，复合材料抗拉强度、导电性与拉拔应变量的关系见图5。可见，随着拉拔变形量的增大，Cu-Fe-Cr-Ni原位复合材料的强度不断提高，相应的电导率呈下降趋势。在η=5.32时，复合材料的抗拉强度达到77lMPa，电导率约为35％IACS。

2.4 Ni元素作用的分析

    Ni元素改善Cu-Fe-Cr-Ni原位复合材料的塑性，使复合材料经过1次中问退火就可以获得η=5.32的拉拔变形量。与Cu-Fe-Cr原位复合材料获得5.42的拉拔变形量需要进行3～5次中间退火相比较，充分体现了Ni元素在改善复合材料特别是纤维相塑性方面的优势。Hong发现若不进行退火处理，拉拔成直径1mm的Cu-Fe-Ag线材的最大长度只有30cm。以往Cu-bcc合金铸态组织中第二相为树枝晶形态，Ni元素的加入改变了Cu-Fe-Cr-Ni合金中第二相的铸态组织形态，几乎观察不到典型的树枝晶形态。有研究表明，Ni元素的加入使Cu-Co铸态合金的树枝晶形态几乎消失。在凝固过程中，先结晶出奥氏体，Ni元素同时存在于铜液与奥氏体中，减小二者之间的界面能，改善先结晶奥氏体与液态铜的润湿性，促进奥氏体的大量形核，有利于颗粒状奥氏体相的结晶。在随后的冷却过程中，奥氏体转变为铁素体。原始铸态组织的细化，有利于原位复合材料的强化。Hong研究了Cu-Fe-Ag原位复合材料，发现少量Ag的加入，可以使Fe树枝晶细化。

    Ni元素对原位复合材料的导电性产生不利影响。Ni元素溶入铜基体中，增加了杂质散射电阻。Ni元素与Fe元素发生交互作用，抑制Fe元素在中间退火时的析出。铜基体中的Ni、Fe元素共同作用使Cu-Fe-Cr-Ni原位复合材料的导电性(40％IACS左右)低于Cu-Fe-Cr原位复合材料(>50％IACS)。

3  结论

    1)Ni元素的加入改变了铸态Cu-Fe-Cr-Ni合金中第二相的组织形态，第二相为bcc结构的铁素体，呈颗粒状。

    2) Ni元素改善Cu-Fe-Cr-Ni原位复合材料的塑性，使复合材料经过1次中间退火就可以获得η=5.32的拉拔变形量。经变形加工后颗粒状第二相逐渐伸长为纤维，横截面为近圆形，直径为0.2μm左右(η=3.3)。

    3) Ni元素对原位复合材料的导电性产生不利影响。随着拉拔变形量的增大，Cu-Fe-Cr-Ni原位复合材料的强度不断提高，相应的电导率呈下降趋势。