均勻化處理對Cu-20%Fe復(fù)合材料組織與性能的影響*

左小偉, 范正潔,屈 磊, 安佰靈，王恩剛

(1. 東北大學(xué) 材料電磁過程研究教育部重點實驗室， 沈陽 110819；

2. 寶山鋼鐵股份有限公司研究院,上海 201900)

?

均勻化處理對Cu-20%Fe復(fù)合材料組織與性能的影響*

左小偉1, 范正潔2,屈 磊1, 安佰靈1，王恩剛1

(1. 東北大學(xué) 材料電磁過程研究教育部重點實驗室， 沈陽 110819；

2. 寶山鋼鐵股份有限公司研究院,上海 201900)

Cu-Fe復(fù)合材料具有低廉的成本、良好的變形能力和優(yōu)異的強化效果，從而得到國內(nèi)外研究者廣泛的關(guān)注，但Fe在Cu基體中有很高的固溶度，且在低溫下很難析出。研究了1 000 ℃均勻化熱處理對Cu-20%(質(zhì)量分數(shù))Fe復(fù)合材料微觀組織、力學(xué)和導(dǎo)電性能的影響規(guī)律。均勻化熱處理使發(fā)達Fe枝晶發(fā)生斷裂和球化，這使得在隨后的形變過程中Fe纖維的尺寸減小，纖維間距細化14%～24%。經(jīng)均勻化熱處理的試樣的強度和導(dǎo)電率都比未經(jīng)處理的試樣高4%～10%，這主要是由于均勻后熱處理使得Fe枝晶球化并促進了Fe的析出。

均勻化熱處理；Cu-Fe復(fù)合材料；Fe纖維；力學(xué)性能；導(dǎo)電性能

0 引 言

原位形變銅基復(fù)合材料是一種新型的高強高導(dǎo)銅合金，通過粉末冶金、凝固等方法制備第二相以球狀顆?；蛑蚊矎浬⒎植加阢~基體中的鑄坯，這些第二相在隨后的加工形變過程中原位生成增強纖維[1]。目前，這類材料包括Cu-Nb、Cu-Cr、Cu-Fe和Cu-Ag等合金[2]，這些第二相元素在Cu基體中具有較低的固溶度，進而最大限度降低對材料電阻率的影響。因此原位形變銅基復(fù)合材料在具有良好導(dǎo)電率的同時，又具有超高的強度。與其它合金系相比，Cu-Fe復(fù)合材料具有低廉的成本，良好的變形能力和Fe纖維優(yōu)異的強化效果，從而得到國內(nèi)外研究者廣泛的關(guān)注。然而，高溫下Fe在Cu基體中有很高的固溶度，且在低溫下很難析出，所以會顯著降低其導(dǎo)電性[3]。因此，很多研究采用熱處理等方法優(yōu)化Cu-Fe復(fù)合材料的強度和導(dǎo)電率[4-7]。Verhoeven等[4]通過中間熱處理和緩冷促進Fe顆粒的析出，改善Cu-(10%～30)%(質(zhì)量分數(shù))Fe復(fù)合材料的導(dǎo)電率。Wu等[5]的研究表明，中間退火處理可以顯著改善Cu-Fe復(fù)合材料的導(dǎo)電率，但是強度會隨著退火溫度的上升而下降。Hong等[6]也認為中間熱處理可以顯著提高Cu-Fe復(fù)合材料的導(dǎo)電率。此外，Wu等[7]通過研究表明，均勻化熱處理也可以有效地改善Cu-Fe復(fù)合材料綜合性能。但對于大于20%的高Fe含量的研究仍有限，本文以具有發(fā)達Fe樹枝晶的Cu-20%(質(zhì)量分數(shù))Fe合金為對象，研究了均勻化熱處理對劇烈形變后Cu-Fe復(fù)合材料顯微組織、力學(xué)性能和導(dǎo)電率的影響，并分析了其對性能影響的作用機理，進而探索提高Cu-Fe復(fù)合材料綜合性能的基本途徑。

1 實 驗

采用真空感應(yīng)熔煉與鑄模澆注的方法，得到直徑75 mm的Cu-20%Fe(質(zhì)量分數(shù))合金鑄錠，經(jīng)表面車削加工后分別進行無均勻化熱處理和1 000 ℃保溫1 h緩冷96 h至室溫的均勻化熱處理，然后有、無均勻化熱處理樣品經(jīng)多道次的室溫拉拔至?0.6 mm，冷拔過程中在直徑為4，2和1 mm時分別進行450 ℃保溫1 h緩冷的中間退火熱處理。形變量η=1n (A0/Af)，其中A0和Af分別為形變前、后樣品的橫截面面積。

采用標(biāo)準(zhǔn)金相制備方法對不同形變率下試樣進行研磨、拋光，以120 mL H2O+20 mL HCl +5 g FeCl3混合溶液腐蝕，利用DW/T-400光學(xué)顯微鏡觀察金相顯微組織。采用定量金相分析方法測量樣品的橫截面的微觀組織，獲得Fe纖維的平均間距[8]。在CMT5105材料試驗機上進行室溫拉伸測試，應(yīng)變速率為1.7×10-4s-1。用標(biāo)準(zhǔn)四點探針法測量試樣的室溫電阻，并依據(jù)國際退火純銅電阻率換算為導(dǎo)電率。

2 結(jié)果與討論

顯微組織：圖1為有無均勻化熱處理時Cu-20%Fe合金及復(fù)合材料的微觀組織，圖中灰色區(qū)域為銅基體，深色區(qū)域為Fe枝晶。無均勻化熱處理時(圖1(a1))，第二相Fe枝晶均勻分布在Cu基體中，且一次枝晶臂發(fā)達，具有明顯的二次和三次枝晶臂。在Cu-Fe合金凝固過程中，F(xiàn)e首先以γ-Fe從熔體中形核，以樹枝晶形態(tài)生長，隨著凝固的進行，Cu在γ-Fe中溶解度減小，當(dāng)溫度降低至850 ℃時，γ-Fe發(fā)生共析轉(zhuǎn)變形成α-Fe，在600 ℃以下Fe和Cu基本不互溶，而初生第二相Fe基本上以最初的枝晶形態(tài)分布在基體中。而經(jīng)過1 000 ℃、1 h的均勻化熱處理后，發(fā)達的Fe枝晶發(fā)生明顯的球化(圖1(b1))。這是由于在高溫和緩慢冷卻時，F(xiàn)e枝晶通過枝晶的斷裂和球化，減小系統(tǒng)界面能，達到更加穩(wěn)定的熱力學(xué)狀態(tài)。

圖1 有、無均勻化熱處理時Cu-20%Fe復(fù)合材料的組織,1為鑄態(tài)或均勻后處理樣品；2橫截面，形變量為2.48；3縱截面，形變量為5.05

Fig 1 Microstructure of Cu-20%Fe composites, 1 indicates as cast or as-homogenization; 2 indicates cross section with η=2.48; 3 indicates longitudinal section with η=5.05

劇烈形變后第二相Fe枝晶逐漸轉(zhuǎn)變成在縱截面上沿拉拔方向連續(xù)分布(圖1(a3)和(b3))、在橫截面上呈帶狀的卷曲纖維組織(圖1(b1)和(b2))，并均勻分布在Cu基體中[9]。均勻化熱處理后單位面積內(nèi)的纖維數(shù)量明顯多于未經(jīng)處理的試樣，同時纖維的寬度和厚度也更加細小。通過縱截面的比較可以看出均勻化熱處理使Fe纖維間的距離更加緊密，纖維的連續(xù)性也更好。圖2為隨形變量的增加Fe纖維間距的變化規(guī)律，可見隨著形變量的增加Fe纖維的間距逐漸變小，均勻化熱處理后試樣的纖維間距小于未均勻化熱處理試樣間距14%～24%，在形變量為4.6時纖維間距可以細化24%。這是因為均勻化熱處理促使Fe枝晶的斷裂和球化，這在一定程度上增加了鑄態(tài)下形成Fe纖維的第二相的數(shù)量，同時也降低了第二相間的距離，最終形變后形成的Fe纖維間距更加細小，單位面積內(nèi)形成的纖維數(shù)量也更多。因此，均勻化熱處理有利于Fe纖維的形成和細化。

圖2也表明隨著形變量的不斷增大，復(fù)合材料的極限抗拉強度不斷增加。

圖2 不同形變量下Cu-20%Fe復(fù)合材料的Fe纖維間距和極限抗拉強度

Fig 2 The spacing of Fe filament and ultimate tensile strength (UTS) in Cu-20%Fe composite as a function of drawing strain

材料在變形的早期時(η<2.5)，強度增加的速率較慢，當(dāng)形變量η超過3.0之后，復(fù)合材料的極限抗拉強度開始線性地快速增加，在形變量η達到5.6時，均勻化熱處理試樣的抗拉強度達到了715 MPa，較無均勻后熱處理強度提高4.4%。同時，在形變過程中均勻化熱處理試樣的抗拉強度要始終高出未經(jīng)熱處理的試樣20～40 MPa。首先，均勻化熱處理后復(fù)合材料具有更加細小的纖維間距(圖2)，根據(jù)細晶強化機制，纖維間距越細小，復(fù)合材料的強度越高；此外，在均勻化熱處理后，有大量的二次Fe顆粒相從亞穩(wěn)態(tài)的Cu基體中析出，并且在形變過程中轉(zhuǎn)變成更加細小的纖維組織，這就使復(fù)合材料具有更多的增強纖維，從而具有更高的強度。

圖3為有、無均勻化熱處理條件下Cu-20%Fe復(fù)合材料導(dǎo)電率與形變量的關(guān)系。隨著形變量的增加，復(fù)合材料的導(dǎo)電率不斷下降，同時均勻化熱處理試樣的導(dǎo)電率在形變過程中始終高于未均勻化處理的試樣4%～10%。形變量η在1.83和3.22時，Cu-20%Fe復(fù)合材料的導(dǎo)電率都出現(xiàn)顯著的升高，這是由中間退火熱處理造成的。

圖3 有無均勻化熱處理條件下不同形變量形變Cu-20%Fe復(fù)合材料的導(dǎo)電率

Fig 3 Electrical conductivity of Cu-20%Fe composite at various drawing strain

復(fù)合材料的導(dǎo)電率主要來源于Cu基體，主要由聲子散射、雜質(zhì)散射、位錯散射和界面散射引起的電阻率造成[14]。聲子散射與溫度有關(guān)，在常溫下形變Cu-X合金中銅基體的聲子散射與高純銅相當(dāng)，約為1.55 μΩ·cm[15]。在1 000 ℃均勻化熱處理時，F(xiàn)e在Cu基體中具有很高的固溶度，而在96 h的緩慢冷卻過程中，高溫下固溶的Fe原子從Cu基體中脫溶析出，這就降低了Fe在Cu基體中的固溶度，減小了雜質(zhì)散射。因此形變過程中，經(jīng)均勻化處理的試樣始終保持著比未處理試樣相對較低的固溶度和雜質(zhì)散射。導(dǎo)電率在形變過程中不斷下降是因為復(fù)合材料在冷塑性形變過程中會產(chǎn)生大量的晶體缺陷(如位錯、空位等)，這些缺陷加劇了對電子的散射，從而引起位錯散射電阻率的增加，使材料導(dǎo)電性下降。此外，在形變過程中，隨著Fe纖維的發(fā)展，纖維間距和Cu/Fe界面的密度都不斷增加，這就增加了電子傳輸過程中在界面處發(fā)生散射的概率。從圖3可以看出，中間退火處理可以顯著地增加Cu-Fe復(fù)合材料的導(dǎo)電率，這是由于在退火后促使形變過程中產(chǎn)生的晶體缺陷通過回復(fù)和再結(jié)晶而減少，也降低了位錯散射電阻率，同時也促使了Fe原子的析出，降低了雜質(zhì)散射電阻率。

3 結(jié) 論

(1) 在1 000 ℃、保溫1 h、緩冷96 h至室溫的均勻化熱處理條件下使Fe枝晶發(fā)生斷裂和球化，在隨后的形變過程中細化了Fe纖維間距達14%～24%。

(2) Cu-Fe復(fù)合材料的強度隨著形變量的增加而不斷增大；在形變過程中經(jīng)均勻化熱處理的試樣強度比未經(jīng)處理試樣高出20～40 MPa，在形變量5.6時均勻后熱處理較無均勻后熱處理強度提高4.4%，這是由于均勻化熱處理促進Fe的析出，降低Fe纖維間距的緣故。

(3) 均勻化熱處理顯著改善鑄態(tài)試樣和形變后Cu-Fe復(fù)合材料的導(dǎo)電性能，使導(dǎo)電率增加4%～10%。

[1] Zuo Xiaowei, Wang Engang, Zhang Lin, et al. Research status of in situ deformed Cu-based composites [J]. Mater Rev, 2008, 22(9): 34-37.

左小偉, 王恩剛, 張 林,等.原位形變銅基復(fù)合材料研究現(xiàn)狀[J].材料導(dǎo)報, 2008,22(9):34-37.

[2] Heringhaus F, Raabe D. Recent advances in the manufacturing of copper-base composites [J]. J Mater Process Technol, 1996, 59(4):367-372.

[3] Biselli C, Morris D G. Microstructure and strength of Cu-Fe in-situ composites after very high drawing strains [J]. Acta Mater, 1996, 44(2):493-504.

[4] Verhoeven J D, Chueh S C, Gibson E D. Strength and conductivity of in situ Cu-Fe alloys [J]. J Mater Sci, 1989, 24(5):1748-1752.

[5] Wu Z W, Liu J J, Chen Y, et al. Microstructure,mechanical properties and electrical conductivity of Cu-12wt%Fe microcomposite annealed at different temperatures [J]. J Alloys Compd, 2009, 467(1-2):213-218.

[6] Hong S I. Copper-iron filamentary microcomposites [J]. Adv Eng Mater, 2001, 3(7):475-479.

[7] Wu Z W, Chen Y, Meng L. Microstructure and properties of Cu-Fe microcomposites with prior homogenizing treatments[J]. J Alloys Compd, 2009, 481(1-2):236-240.

[8] Funkenbusch P D, Courtney T H. Microstructural strengthening in cold worked in situ Cu-14.8vol% Fe composites [J]. Scr Metall, 1981, 15(12):1349-1354.

[9] Verhoeven J D, Spitzig W A, Jones L L, et al. Development of deformation processed copper-refractory metal composite alloys [J]. J Mater Eng, 1990, 12(2):127-139.

[10] Melzahn Kampe J G, Courtney T H. Elevated temperature microstructural stability of heavily cold-worked in situ composites [J]. Metall Trans, 1986, 20(2):285-289.

[11] Song J S, Ahn J H, Kim H S, et al. Comparison of microstructure and strength in wire-drawn and rolled Cu-Fe-1.2Ag filamentary microcomposite [J]. J Mater Sci, 2001, 36(24):5881-5884.

[12] Spitzing W A, Pelton A R, Laabs F C. Characterization of the strength and microstructure of heavily cold worked composites[J]. Acta Metall, 1987, 35(10):2427-2442.

[13] Go Y S, Spitzig W A. Strength in deformation-processed Cu-20%Fe composites [J]. J Mater Sci, 1991, 26(1):163-171.

[14] Verhoeven J D, Spitzig W A, Schmidt F A, et al. Deformation processed Cu-refractory metal [J]. Mater Manuf Processes, 1989, 4(2):197-209.

[15] Yao Zaiqi, Ge Jiping, Liu Shuhua, Strength and conductivity of deformation-processed Cu-11.5%Fe in situ composites, Acta Mater Compos Sin, 2005, 22(3):121-125.

姚再起, 葛繼平, 劉書華.形變Cu-11.5%Fe原位復(fù)合材料的強度和導(dǎo)電性[J].復(fù)合材料學(xué)報, 2005,22(3):121-125.

2. Research Institute, Baoshan Iron & Steel Co. Ltd., Shanghai 201900, China)

Influence of homogenization treatment on microstructure and properties of Cu-20%Fe composites

ZUO Xiaowei1, FAN Zhengjie2, QU Lei1, AN Bailing1, WANG Engang1

(1. Key Laboratory of Electromagnetic Processing of Materials (Ministry of Education),Shenyang 110819, China;

Cu-Fe composite was paid attention because of the low price, good deformability and strengthening. However, Fe has high solubility in Cu matrix and it is hard to precipitate at low temperature. Effects of homogenization treatment on microstructure, and mechanical properties Cu-20wt%Fe composites were investigated in this paper. Homogenization treatment induced well-developed Fe dendrites to break and spheroidize. This refined the size and decreased the spacing of Fe fiber by 14%-24% during the cold drawing. Both ultimate tensile strength and electrical conductivity of Cu-20%Fe composite with homogenization treatment were increased by 4%-10%. It was resulted from the spheroidized Fe dendrite and the precipitation of Fe from Cu matrix.

1001-9731(2016)04-04143-04

國家自然科學(xué)基金資助項目(51474066，51004038)；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金資助項目(2012004211008)；高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計劃資助項目(B07015)

2015-05-15

2015-09-10 通訊作者：王恩剛，E-mail: egwang@mail.neu.edu.cn

左小偉 (1980-)，男，河南濟源人，副教授，博士，主要從事高強高導(dǎo)銅合金研究。

TB331; TG115.5

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.04.029