Cu_Fe_Ag原位复合材料的组织和性能

复合材料学报第23卷　第6期 12月　2006年A ct a M ateri ae C om p o sit ae Sini c aVol 123No 16December2006文章编号:10003851(2006)06012007收稿日期:20051219;收修改稿日期:20060403通讯作者:孙宝德,教授,博士生导师,研究方向为熔体纯净化,金属基复合材料等　E 2mail :bdsun @Cu 2Fe 2Ag 原位复合材料的组织和性能高海燕,王　俊,疏　达,孙宝德3(上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海200030)摘　要:　系统研究了合金元素Ag 对Cu 2Fe 原位复合材料微观组织、力学性能和导电性能的影响规律。

采用熔铸2形变法分别制备了Cu 212wt %Fe 、Cu 214wt %Fe 21wt %Ag 、Cu 214wt %Fe 23%Ag 和Cu 211wt %Fe 26wt %Ag4种原位复合材料。

测试了不同应变下材料的抗拉强度和电阻率。

采用扫描电镜(SEM )观察了材料的微观组织演变和拉伸断口形貌,用能谱仪(EDS )分析了Fe 和Ag 在Cu 基体中的分布。

结果表明,添加Ag 可以细化初生的Fe 枝晶,强化Cu 基体,降低高温下Fe 在Cu 中的固溶度,材料的强度和电导率同时得到提高。

但添加Ag 后,材料的塑性变形能力降低,在较低的应变下,拉伸试样的断口就表现出剪切断裂特征。

关键词:　Cu 2Fe 2Ag ;原位复合材料;微观组织;强度;电导率中图分类号:　TB323 文献标识码:AMicrostructure and properties of Cu 2Fe 2Ag in 2situ compositesGAO Haiyan ,WAN G J un ,SHU Da ,SUN Baode 3(The State Key Laboratory of Metal Matrix Composites ,Shanghai Jiao Tong University ,Shanghai 200030,China )Abstract :　The effects of Ag on the microstructure and mechanical and electrical properties of Cu 2Fe in 2situ com 2posites were investigated.Four in 2situ composites ,Cu 212wt %Fe ,Cu 214wt %Fe 21wt %Ag ,Cu 214wt %Fe 23wt %Ag and Cu 211wt %Fe 26wt %Ag were prepared by the cast and drawn process.The ultimate tensile strength and elec 2trical resistivity of the composites at each draw ratio were measured.The microstructure evolution of the composites was investigated using scanning electron microscopy (SEM )and distribution of Fe and Ag in the matrix was ana 2lyzed by EDS equipped on SEM.The results show that the presence of Ag can refine the primary Fe dendrites and reduce the solution of Fe in Cu at high temperature as well ,which leads to the simultaneous increment in both strength and conductivity.However ,the Cu 2Fe 2Ag composites show a bit lower plasticity and the f racture surfaces exhibit shear characteristic at a lower draw ratio.K eyw ords :　Cu 2Fe 2Ag ;in 2situ composites ;microstructure ;strength ;electrical conductivity 高强高导铜合金是一类具有优良综合物理性能和力学性能的结构功能一体化材料,是集成电路引线框架、电气化铁路接触导线/架空线、大功率异步牵引电动机转子等现代信息产业和国家重大工程项目建设中不可或缺的关键材料。

集成电路引线框架要求材料的抗拉强度大于600M Pa ,电导率大于80%IACS (国际退火铜标准,117241μΩ・cm 被定义为100%IACS )。

一个1000T 的脉冲磁场,要求线圈材料的抗拉强度大于1500M Pa ,电导率高于60%IACS [1]。

Cu 与Ag 以及过渡族金属Nb 、Ta 、Mo 、W 、V 、Cr 、Fe 等形成的Cu 2X 二元合金(X约15vol %～20vol %),经大量塑性变形后,X 在Cu 基体内形成定向排列的增强纤维,形成铜基原位复合材料,其最大的特点是具有超高的强度和良好的电导率,是制备高强磁场导体材料最有希望的方法。

Bevk 等[2]制备的Cu 220vol %Nb ,抗拉强度达到2200M Pa ,电导率达66%IACS 。

Sakai 等[3]制备的Cu 216wt %Ag 抗拉强度达1000M Pa ,电导率高达80%IACS 。

现有的研究主要集中于二元Cu 2Nb 和Cu 2Ag 原位复合材料,由于Nb 和Ag 都是贵金属,而且Nb 的熔点高,液态Cu 和Nb 存在较大的溶混间隙,限制了这类新材料的工业规模制备和应用[4]。

与Cu2Ag和Cu2Nb相比,Cu2Fe具有自身的优点:(1)Fe的剪切模量高,形变Fe纤维对Cu基体具有极好的强化作用;(2)原料来源广,制备成本低;(3)Fe的熔点相对较低,液态Fe与Cu的溶混间隙小,采用普通的工业熔炼设备即可制备合金坯料。

但Cu2Fe合金具有致命的缺点:固溶于Cu基体的Fe原子会引起电子波强烈散射,严重降低基体的电导率,固溶的Fe对Cu基体电导率的影响为9.2μΩ・cm/1wt%Fe[5],即每固溶0.1wt%Fe,Cu 基体的电导率将降低35%IACS,而固溶的Nb和Ag对Cu基体电导率的影响则不足1%IACS。

通常的非平衡凝固条件下,Cu基体中固溶的Fe含量较高,熔铸2形变法制备的Cu2Fe原位复合材料的电导率不足40%IACS,比采用同样方法制备的Cu2Nb合金低25%～30%IACS[6]。

这种电导率差别正是由于固溶的Fe引起的杂质散射所致。

近年来,铜基原位复合材料开始向三元或多元化方向拓展。

多元化的目标主要有两个:(1)降低材料的成本;(2)进一步提高材料的强度和电导率。

添加第三组元可以获得更多的热力学和动力学途径,从而得到更好的强度和电导率匹配。

Ag、Cr、Co、Mg、Zr、Al等元素已经在研究中被采用[7210]。

孙世清[10]对形变Cu2Fe2Cr和Cu2Fe2Cr2 Zr/Ni原位复合材料进行了大量研究,发现Cr主要起强化Fe纤维的作用,对电导率改善作用很小,还会降低材料的塑性变形能力;同时添加少量的Cr和Zr或Ni反而严重恶化材料的导电性能。

葛继平等[7]在Cu2Fe中加入了少量Zr和Mg,发现材料的强度略有提高,但电导率比二元的Cu2Fe更低,并使材料变脆。

Hong和Song等[8,9]在二元Cu29wt%Fe合金中分别加入了1.2wt%Ag、Co 和Cr,经中间热处理后,材料的强度和电导率分别达到939M Pa和56.4%IACS(Ag)、853M Pa和5313%IACS(Co)及855M Pa和53.3%IACS(Cr)。

可见含Ag材料的综合性能优于含Cr和Co的材料,但作者未对Ag的作用机理进行深入的研究和探讨。

本文中拟系统地研究Ag对二元Cu2Fe原位复合材料微观组织和性能的影响。

1　实验方法实验原料为电解铜,工业纯Ag和工业纯Fe,材料纯度都在99.9wt%以上。

采用真空钨极电弧炉分别制备了3种成分的Cu2Fe2Ag合金,即Cu214wt%Fe21wt%Ag(简记为Cu214Fe21Ag), Cu214wt%Fe23wt%Ag(Cu214Fe23Ag)和Cu2 11wt%Fe26wt%Ag(Cu211Fe26Ag)。

将铸锭热锻至截面尺寸为14mm×14mm,然后冷轧至截面尺寸5mm×5mm,最后冷拔至系列尺寸,材料的最小直径为0.4mm。

采用同样的工艺制备了二元Cu212wt%Fe以进行实验对比。

冷加工的应变η定义为η=ln(A0/A f)其中:A0是试样冷变形前的截面面积;A f为变形后的截面面积。

室温拉伸实验在Zwick/Roell试验机上进行。

由于材料的直径较小,采用全截面拉伸试样;以抗拉强度作为材料强度的度量。

用ZY9858型微欧计测量材料的室温电阻率。

用扫描电子显微镜(SEM)观察材料微观组织和拉伸断口形貌。

用能谱仪(EDS)分析Fe和Ag在基体中的分布。

2　结果和讨论2.1　微观组织4种合金具有类似的铸态组织,第二相Fe枝晶均布于Cu基体中。

Cu2Fe2Ag合金的枝晶臂直径(2～4μm)比Cu2Fe合金(4～6μm)略小,如图1(a)和1(b)所示,与Song等[11]的研究结果一致。

由于实验中采用的冷却速度较高,1000倍下在Cu基体中几乎看不到析出粒子,见图1(c)。

在Cu211Fe26Ag中,在Cu基体的晶界上分布着少量的Cu2Ag共晶,如图1(d)所示。

塑性变形以后,铸态随机分布的枝晶逐渐转变为沿轴向定向排列的增强纤维,但纤维的截面形貌不再是圆形,而呈现一种不规则形貌,文献中一般称之为ribbon2like morp hology。

主要原因是在变形过程中bcc的Fe相中逐渐形成了〈110〉丝织构,导致Fe相产生平面应变变形。

为了与Cu基体的变形协调,Fe纤维被迫折断或弯曲,形成了这种不规则的形貌[12215],如图2所示。

2.2　Fe和Ag的分布Cu2Fe平衡相图表明,在包晶反应温度1096℃下,Fe在Cu中的最大固溶度为4.1wt%,而在室温下Cu和Fe几乎不互溶。

由于4种材料中Fe含量都远远超过了上述最大固溶度,若不考虑Ag的影响,铸态合金“基体”中的Fe含量应该相等(本文・121・高海燕,等:Cu2Fe2Ag原位复合材料的组织和性能图1　合金的铸态组织Fig.1　Microstructures of t he as 2castalloys图2　形变Cu 211Fe 26Ag 的微观组织Fig.2　Microstructures of deformed Cu 211Fe 26Ag composite中,“基体”指除了Fe 枝晶以外的微观结构)。