銅基合金的熱力學性能研究

穆海芳，張 麗

（1.宿州學院，安徽 宿州 234000；2.臨沂市科技館，山東 臨沂 276037）

機械合金化（Mechanical Alloying）是在固態(tài)下實現的合金化工藝，它沒有經過氣相和液相，不受物質的蒸氣壓、熔點等物理特性因素的制約，使得過去用傳統合金工藝難以實現的某些物質合金化及新物質的合成成為可能[1-2]。

1 實驗原理及方法

本實驗選用高純度的 Cu、Cr、Si、Zn作為原始金屬粉體為，將各原料按照名義成分（原子分數）在電子秤（FA1004型）上進行精確稱量（精確到 0.001g），合金體系中各組元的成分如表 1所示。為了研究Zn對Cu-Cr-Si體系合金的影響，本實驗利用機械合金化工藝制備了幾種不同成分的合金粉末，用對比實驗來分析它的實驗結果，機械合金化的工藝參數如表2。

本實驗用 QM-1SP2型行星式高能球磨機球磨，用真空泵抽真空，并充入高純氬氣作為保護氣體，反復進行以上步驟5～6次。所用球磨罐和磨球均采用不銹鋼材料制成，磨球的直徑為20mm，采用無水乙醇作為過程控制劑，停機以后，等一段時間再打開氣閥，然后取出少許合金粉末樣品進行熱力學測試。將制備的合金粉末在冷壓機30Mpa下保壓10min制備成冷壓坯，然后再氬氣保護950。C燒結，保溫1h，對燒結后的壓坯進行力學性能測試。

表1 各組元成分表

表2 機械合金化的工藝參數

2 實驗結果及分析

2.1 Cu50Cr40Si10合金DSC分析

熱穩(wěn)定性分析方法采用DSC（差示掃描量熱法），通過DSC測試，可以得到各個合金系的DSC曲線[6]。本實驗采用的是 NETZSCHSTA449C型差示掃描量熱分析儀，充氬氣速度為50ml/min。實驗過程中采取惰性氣體氣氛進行保護，以防止在實驗中樣品發(fā)生氧化，測試時樣品制作成薄裝片質量取為20mg左右。在程序控制溫度條件下，以20K/min的升溫速率進行測試得到DSC曲線如圖 1?？梢钥吹皆诰Щ坝忻黠@的吸熱峰，證明在 Tg點具有顯的玻璃轉變發(fā)生，Tx1點表明處于亞穩(wěn)態(tài)的玻璃相開始向穩(wěn)態(tài)的晶相轉變，在 Tp處出了明顯的尖銳放熱峰，表明在該溫度處發(fā)生強烈晶化反應，Tx2為晶化終結點標志著樣品從穩(wěn)態(tài)的玻璃相完全過渡到穩(wěn)定的晶態(tài)結構。采用外推法標定其熱力學特征溫度點，分別得到玻璃轉變溫度Tg，晶化初始溫度Tx1，晶化峰溫度Tp，晶化結束溫度Tx2，熔化開始溫度為Tm，熔化結束溫度為 Tl，計算過冷液相區(qū) ΔTx(=Tx1-Tg)，約化玻璃轉變溫度 Trg(=Tg/Tm)。一般來說，ΔTx及Trg越大，其非晶形成能力就越強。

為研究合金晶化行為，各溫度對應的晶化體積分數為：X=ST/S，式中S為晶化相從晶化開始到晶化結束時 DSC曲線的放熱總面積，ST為晶化相從晶化開始到某一晶化溫度 DSC曲線上的放熱峰面積，由此可以計算出晶化體積分數X(T)與轉變溫度T的關系曲線如圖2。

圖1 DSC曲線圖

圖2 晶化體積分數與轉變溫度的關系

可以看出，晶化體積分數與晶化溫度的關系曲線呈現S形變化，曲線在晶化初始與晶化結束溫區(qū)附近較為平緩，放熱峰處很陡峭，斜率很高說明此點處晶化反應最為激烈。

2.2 不同Zn含量的DSC分析

通過機械合金化工藝添加不同含量(2%、4%、6%、8%)的 Zn，球磨制備了試樣(Cu50Cr40Si10)100-γZnγ，以升溫速率20K/min做DSC曲線如圖3。

圖3 DSC曲線

圖4 載荷-位移曲線圖

由圖中可以看出(Cu50Cr40Si10)100-γZnγ，γ從 2至8的DSC曲線變化，放熱峰先向右移動，后又向左移動。放熱峰向右移動，說明放熱峰的溫度在升高，非晶態(tài)合金的晶化溫度升高。

研究表明：Tg、Tx1、Tp、Tx2的升高，說明其熱穩(wěn)定性增強，Trg升高，說明其非晶形成能力增強，△Tx其值很大，說明其具有優(yōu)異的非晶形成能力。過冷液相區(qū)寬度△Tx從127K增加到133K再減小到127K，沒有明顯的變化，從而得出這樣的結論，當加入Ni含量為6%時，其非晶形成能力和熱穩(wěn)定性最好。

2.3 力學性能分析

本次壓縮實驗是在 Instron5500型萬能材料實驗機上進行的，材料的壓縮試樣尺寸為長方體30x5x6mm，壓縮試樣標距為 30mm，壓縮面為5x6mm，應變速率0.05mm/min，盡量保證兩個端面相互平行并與軸線相垂直，壓縮試驗表明：添加 Zn后，抗壓強度先降低，在 2%時降到最小1630Mpa，然后升高，在6%時升到最大2090Mpa，然后又降低。隨著 Zn含量的增加，壓縮率逐漸增加，在6%時到達最大10.35%，然后降低。

3 結論

采用高純度的原料，通過機械合金化工藝，制備了Cu50Cr40Si10非晶合金粉末，然后利用冷壓燒結工藝制備了合金材料。通過實驗表明：隨著Zn含量在一定范圍內（0-6%）提高，Cu50Cr40Si10非晶合金的熱穩(wěn)定性和晶化動力也不斷提高；當Zn含量為6%時，Cu50Cr40Si10合金的抗壓強度、壓縮率、維式硬度值最大。

[1]劉鵬, 張修慶, 武小記.機械合金化與熱壓燒結法制備Cu-Cr-Zr合金[J].熱加工工藝, 2012(06)：14-17.

[2]丁潤東, 沈以赴, 李博, 胡永志, 郭燕.機械合金化制備 Ti-Cu非晶涂層[J].中國有色金屬學報, 2012(07)：2023-2030.