文章编号：1004-0609(2008)01-0067-05
复挤压对Ag-SnO2触点材料显微组织和性能的影响
张国庆1, 2，尹志民1，武海军2，万吉高2，张昆华2
(1. 中南大学 材料科学与工程学院，长沙 410083；
2. 贵研铂业股份有限公司，昆明 650106)
摘 要：测试Ag-SnO2触点材料的加工性能和力学性能，借助扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)和透射电镜(TEM)研究Ag-SnO2触点材料经过不同次数挤压后显微组织的变化，观察和分析材料中SnO2颗粒的分布及尺寸变化，得出Ag-SnO2触点材料性能与显微组织之间的关系。累积大塑性变形加工能够对Ag-SnO2触点材料的显微组织起到均匀化和弥散强化作用，从而使Ag-SnO2触点材料的抗拉强度随挤压次数的增加而降低，伸长率随挤压次数的增加而提高。
关键词：Ag-SnO2触点材料；复挤压；显微组织；力学性能
中图分类号：TG 146.3 文献标识码：A
Effect of multiple extrusion on microstructure and properties of Ag-SnO2 contact materials
ZHANG Guo-qing1, 2, YIN Zhi-min1, WU Hai-jun2, WAN Ji-gao2, ZHANG Kun-hua2
(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;
2. Sino-Platinum Metals Co.,Ltd., Kunming 650106, China)
Abstract: The working property and mechanical property of Ag-SnO2 contact materials were tested, the changes of their microstructure were studied by scanning electron microscopy, electron energy spectrum analysis, and transmission electron microscopy. The distribution and particle size change of SnO2 were also observed, the relation between the property and microstructure was noted, the influence mechanism of multiple extrusion on the properties and microstructure was explanted. After deformed by cumulative plastic deformation, SnO2 particles are homogenous and more dispersed in Ag-SnO2 composites. With increasing extrusion times, the tensile strength is reduced, while the elongation is increased.
Key words: Ag-SnO2 contact materials; multiple extrusion; microstructure; mechanical property
大塑性变形技术是金属材料在冷轧、冷拉拔过程中能够细化晶粒这一基础上发展起来的一种新技 术[1?2]。该技术具有强烈的晶粒细化作用，可以直接将材料的内部组织细化到亚微米乃至纳米级，已被国际材料学界公认是制备块体纳米和超细晶材料的最有前途的方法。所涉及的研究领域主要集中在纯金属及合金材料方面。而对颗粒增强金属基复合材料的大塑性变形的研究报道很少，仅见于VALIEV等[3]对10%Al2O3增强6061铝合金大塑性变形研究和MISHRA等[4]对15%SiC增强2009铝合金大塑性变形的研究中。
Ag-SnO2触点材料是典型的颗粒增强金属基复合材料，存在均匀性较差、材料界面结合强度低、后续加工困难等问题[5?6]，在工艺研究中采用多次挤压累积大塑性变形的方法使材料的加工性能得到改善，用扫描电镜、透射电镜对多次挤压制备的材料进行微观组织分析，以深入研究大塑性变形技术对材料组织、性能的影响机理。
1 实验
将机械合金化制备出的Ag-SnO2经过一次、二次和三次挤压成线材，然后冷加工变形10%取样，镶样抛光后作为扫描电镜试样，将丝材轧成片材，机械减薄到0.1 mm后用离子减薄仪减薄到透射电镜用厚度作为试样。
采用FM250拉伸实验机(丝材直径大于0.3 mm)和FM3拉伸实验机(丝材直径小于0.3 mm)进行抗拉强度和伸长率测试。采用M型显微维氏硬度计测试硬度。扫描电镜型号为XL30ESEM?TMP型(荷兰)。离子减薄仪为美国GaTan公司生产的PIPS691。透射电镜为Tecnai G220 ST分析型电镜。
2 结果与讨论
2.1 材料的性能
2.1.1 材料的加工性能
根据后续拉丝工艺验证，通过多次挤压成型的线坯在拉丝过程中塑性得到改善，在相同的工艺条件下，断丝现象明显下降，因此，在相同挤压工艺条件下，用同一批高能球磨Ag-SnO2复合粉末进行多次挤压制备实验。通过后续拉丝工艺过程中单位质量断丝次数作为对多次挤压工艺效果的判据，以每个挤压锭坯(质量6 kg)统计断丝次数，结果如表1所示。根据实验结果，二次挤压比一次挤压有较大的改善，三次挤压比二次挤压又有改善，但四次挤压无明显效果。
表1 挤压工艺与断丝次数统计数据
Table 1 Statistical data of extrusion technology and break times
2.1.2 材料的力学性能
图1所示为经过不同次数挤压后的样品经过10%变形后抗拉强度和伸长率的变化。从图中可以看出，随着挤压次数的增加，伸长率也增加，而抗拉强度随之减少。伸长率从1.4%提高到6.2%，增加3.4倍，抗拉强度从311 MPa下降到291 MPa，降低相对较少。从以上数据分析得出，多次挤压后，在大大增加伸长率的同时并没有明显降低材料的强度，说明多次挤压对改善材料的塑性有积极作用。
图1 不同挤压次数加工态样品的伸长率和抗拉强度
Fig.1 Elongation and tensile strength of working samples with different extruding time
2.2 材料的显微组织
2.2.1 扫描电镜观察
图2所示为不同挤压次数Ag-SnO2触点材料纵截面显微组织。由图可知，一次挤压样品存在非常明显的带状分布，其中带状分布物质为弥散颗粒SnO2，基体为Ag。二次挤压样品中的带状分布已经明显减弱，三次挤压样品中已经完全看不到带状分布。由此可知，多次挤压后SnO2颗粒在Ag基体中分布更加均匀。
图2 不同挤压次数Ag-SnO2触点材料的纵向显微组织
Fig.2 Longitudinal microstructures of varied extruded Ag-SnO2 contact materials: (a) First extruded; (b) Second extruded; (c) Third extruded
为观察多次挤压工艺对Ag-SnO2触点材料中SnO2颗粒尺寸的影响，对三次挤压出的样品显微组织进行了高倍放大，并测量颗粒尺寸。图3所示为挤压样品的横截面，比较图中黑色SnO2颗粒大小可以看到，一次挤压样品(图3(a))与二次挤压样品(图3(b))及三次挤压样品(图3(c))相比，SnO2颗粒尺寸无明显变化，一次挤压样品中1 μm左右的粗大SnO2颗粒在二次挤压和三次挤压样品中依然存在，这说明在Ag-SnO2触点材料挤压过程中，由于Ag基体塑性较好，SnO2颗粒较硬，挤压变形基本依靠Ag基体完成，挤压力通过Ag的变形而释放，不能使粗大SnO2颗粒进一步破碎。多次挤压工艺对Ag-SnO2触点材料中的SnO2颗粒无破碎作用。
图3 不同挤压次数Ag-SnO2触点材料的横向显微组织
Fig.3 Lateral microstructures of varied extruded Ag-SnO2 contact materials: (a) First extruded; (b) Second extruded; (c) Third extruded
2.2.2 透射电镜观察
利用透射电子显微镜分别对一次挤压和三次挤压样品进行对比观察，并利用能谱分析研究成分分布，结果见图4和5。从图4中可以看出，一次挤压和三次挤压的显微组织均明显分为两部分，一部分是半透明的，另外一部分是暗色的。分别对各部分进行能谱分析，结果见图5。图5表明半透明区为SnO2，另外一部分为Ag基体。
图4 一次挤压(a)和三次挤压(b)样品的TEM像
Fig.4 TEM photographs of first (a) and third (b) extruded samples
图5 图4中样品的能谱分析结果
Fig.5 EDS analysis results of sample in Fig.4: (a) Light region; (b) Dark region
从图4(a)中可以看出，在基体中存在大量的位错亚结构[7]，这说明在挤压过程中Ag基体承担了主要的塑性变形。但由于SnO2为脆性，在挤压过程中SnO2尺寸没有发生变化，大量的位错集中到周围，甚至产生位错塞积[8]。在一次挤压过程中，SnO2颗粒仍然比较集中，尺寸也没有发生大的变化。说明在挤压过程中Ag和SnO2 之间没有发生反应，SnO2依然是独立存在，对基体只起到颗粒强化作用。从图4(b)中可以看出，三次挤压后，连在一起的SnO2团聚颗粒已经分开，分布均匀，SnO2颗粒和Ag基体界面之间结合状态良好[9?10]，界面相对于一次挤压已经不很分明，说明结合状态有所改善。
2.3 讨论
材料的性能是材料内部微观组织结构的宏观反映。Ag-SnO2触点材料多次挤压相对一次挤压加工性能更好，伸长率大大增加，而其强度没有明显降低。这些现象都可以由显微组织分析得到解释。
多次挤压是一种累积大塑性变形过程，挤压过程中材料的成分会沿着挤压方向进行一次重排，重排过程中由于挤压力的剪切作用使原来团聚在一起的SnO2颗粒分散[11]，从图2中看出，分布更加均匀，颗粒之间的距离也增加，Ag的充填更加均匀，这就减少因SnO2聚集产生的微裂纹[6]，所以伸长率大大增加，加工性能也明显改善。
随着挤压次数增加抗拉强度反而降低，这是由于累积大塑性变形加工制备的材料与普通变形方法制备的材料相比，其组织结构和性能有很大的差别[12?13]。普通变形方法加工使材料内部产生位错塞积或位错缠结，滑移难以进行，形成具有位错塞积或位错缠结的亚结构[14]，这种结构可使材料微观结构显著细化，材料产生加工硬化,导致材料强度提高。当大塑性变形累积达到一定程度时，变形使位错首先在胞壁集中，随着应变的增加，胞状结构尺寸减小，胞状结构之间的位向差却增加。胞壁增加到临界值，不同类型的位错通过位错的增殖、运动、湮灭、重排、形成低能位错结构，滑移重新开动。这时材料内部的局部区域形成绝热剪切带，该区域在变形时流变集中导致温度升高，温度升高来不及传导给周围区域，使该区域流变应力下降，流变进一步集中，形成绝热塑性变形[15]。从而使触点材料的抗拉强度降低，伸长率提高。
3 结论
1) 多次挤压后Ag-SnO2触点材料的加工性能明显提高，伸长率也明显上升，而抗拉强度稍降低。
2) 多次挤压后SnO2在Ag基体中的分布更加均匀，SnO2颗粒尺寸没有发生显著变化，Ag基体承担了塑性变形。
3) 挤压过程中Ag和SnO2没有发生反应，多次挤压后两者之间界面结合状态更好。
4) 当大塑性变形累积达到一定程度时，会形成绝热塑性变形，从而使复合材料的抗拉强度降低，伸长率提高。
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基金项目：云南省自然科学基金重点项目资助课题(1999E0007Z)
收稿日期：2007-08-10；修订日期：2007-11-12
通讯作者：尹志民，教授；电话：0731-8830262；E-mail: yin-grp@mail.csu.edu.cn
(编辑 龙怀中)
