Mo-30Cu合金轧制变形组织及性能研究

崔舜 林晨光 李增德 周增林 胡晓康

北京有色金属研究总院粉末冶金及特种材料研究所

摘 要：

对粉末冶金法制备的Mo-30Cu合金板材, 在不同工艺条件下进行轧制试验, 采用金相显微镜及扫描电镜对轧制变形后的组织进行观察, 并采用维氏硬度计对经过不同道次变形量的材料进行硬度测试, 研究合金的轧制变形性能及组织演变。研究发现, 热轧温度为900℃、变形量达到50%时, 板材试样轮廓清晰, Mo颗粒被压扁拉长, 呈椭球状, 烧结态组织转变为变形组织。总变形量为98%的Mo-30Cu合金箔材组织中, Mo相与Cu相均被压成纤维状, 两相成均匀层叠分布, Mo层与Mo层、Mo与Cu层间界面清晰, 彼此结合紧密。Mo-30Cu合金的轧制变形行为分为3个阶段:总变形量小于50%时, Mo颗粒在Cu相中滑移及Cu相变形;变形量介于50%～90%时, Mo相和Cu相协调变形;变形量大于90%时, Mo相变形。经热轧变形后的Mo-30Cu合金, 当冷轧变形量为0%～25%时, 由于加工硬化, 维氏硬度呈直线上升;当冷轧变形量大于25%时, 随着变形量的增加, 钼骨架和铜相逐渐变形形成纤维组织, 位错密度的增长趋势逐渐减弱, 加工硬化效应也会逐渐低于线性增长规律, 同时晶格畸变能增加, 产生变形热效应, 促使材料中产生回复过程, 材料的硬度增加缓慢。

关键词：

变形性能;组织演变;硬度;

中图分类号： TG335.12

作者简介：崔舜 (E-mail:cuis@grinm.com) ;

收稿日期：2011-03-17

基金：国家863计划资助项目 (2006AA03A220);

Deformation, Microstructures and Properties of Rolled Mo-30Cu Alloy

Abstract：

The plate of Mo-30Cu alloy prepared by powder metallurgy was rolled under different techniques parameters.The deformation property and microstructure evolution of the alloy were deserved by using optical microstructure and scanning electron microscope.The hardness of the materials with different deformation was tested.The results showed that under 900℃ with 50% deformation, the sample still had perfect surface profile, the Mo particles were squashed and elongated to ellipsoids and the sintered structure turned into deformation microstructure.The Mo phase and the Cu phase in the Mo-30Cu alloy with 98% total deformation were pressed into fibrous, uniformly distributed as layered stacks.The interfaces between the Mo-Mo layers, Mo-Cu layers, were clear and combined tightly.The deformation behavior of rolled Mo-30Cu alloy was pided into three stages: less than 50% deformation rate, Mo particles slipped in the Cu phase and the Cu phase deformed;from 50% to 90%, the Mo phase and the Cu phase were coordinately deformed;more than 90%, the Mo phase distorted.After the Mo-30Cu alloy was hot-rolled, when the cold reduction was between 0% to 25%, the Vickers hardness increased as linearity due to work-hardening;when the deformation quantity of cold rolling exceeded 25%, the molybdenum skeleton and Cu phase gradually deformed to fibrous tissue with the increase of the deformation, the work-hardening effect would be lower than the linear growth law for the growth trend of the dislocation density gradually weakened, besides the deformation heat effect occurred for the energy increase of the lattice distortion so as to generate reversion in the material, as a result, the hardness of the alloy increased slowly.

Keyword：

deformation property;microstructure evolution;hardness;

Received： 2011-03-17

钼铜合金是一种由体心立方结构的钼和面心立方结构的铜所组成的既不互相固溶又不形成金属间化合物的合金, 通常被称为“假合金” ^[1] 。 因此, 它既具有钼的高强度、 高硬度、 低膨胀系数等特性, 又有铜的高塑性、 良好的导电导热性等特性, 改变钼铜合金中铜的质量分数, 可以制备出热导率和膨胀系数介于钼和铜之间的合金, 这种特有的综合性能使钼铜合金被广泛地用作电子封装材料、 电接触材料、 热沉材料等 ^{[2,3,4,5,6,7,8]} 。

随着电子工业的不断发展, 钼铜合金在得到广泛应用的同时, 对其规格和性能也提出了更多和更高的要求, 钼铜合金箔材已经成为用途最为广泛的品种之一 ^[9] 。 钼铜合金箔材的制备一般采用轧制方法, 然而, 国内对于钼铜合金箔材的报道还很少, 对于其轧制过程中的组织变化规律还没有系统性的研究。 目前, 北京有色金属研究总院成功开发出了多种成分和规格的系列钼铜合金箔材, 其最小厚度为0.2 mm。 本文对Mo-30Cu合金在轧制变形加工过程中的组织演变及性能进行了研究和探讨。

1 实 验

实验所用材料采用北京有色金属研究总院制备的近全致密Mo-30Cu合金板, 试样尺寸为160 mm×60 mm×11 mm的试样。 将试样加热后经2～3次热轧至2 mm, 在氢气炉中退火后在二辊轧机上冷轧, 多道次冷轧后再经过退火、 清洗、 剪切, 从而制得厚度为0.2～1.0 mm间多种规格的Mo-30Cu合金箔片, 工艺流程如图1所示。

用20%铁氰化钾+KOH溶液腐蚀试样, 用金相显微镜和JSM-7001F型场发射扫描电镜观察不同变形率下样品的宏观边裂情况及微观组织, 并由此判断其轧制加工性能的好坏; 用VTD532型数显维氏硬度计测试不同变形率后试样的硬度。

2 结果与讨论

2.1 Mo-30Cu合金的热轧变形性能

通过观察轧制时边部裂纹情况研究轧制温度对Mo-30Cu合金轧制性能的影响。 实验结果见表1。 可以发现, Mo-30Cu合金在轧制温度为900 ℃、 总变形量达到50%时板材试样轮廓清晰, 边部无明显大的裂纹, 说明该合金在此温度下变性性能良好。

图1 Mo-30Cu合金轧制工艺流程

Fig.1 Rolling process of Mo-30Cu alloy

粉末冶金制备的Mo-30Cu合金是由硬质相Mo颗粒和粘结相Cu组成, 粘结相Cu均匀分布在近球形Mo颗粒间的空隙中, 如图2 (a) 所示。 经过50%的热轧变形后, 烧结过程中富集的Cu相被拉长, Mo颗粒间距离缩小, 大部分Mo颗粒被压扁拉长, 发生塑性变形, 呈椭球状, 如图2 (b) 所示。 对比两张图片可以看到, 经过50%变形量后, 基本完成了烧结态组织向加工态组织的转变。 热轧作为板材生产过程的第一道工序, 同时也完成了板坯几何形状的变化, 从而改变板坯的机械性能和工艺性能, 为后续加工奠定良好的基础 ^[10,11] 。

2.2 Mo-30Cu合金轧制变形过程中的组织演变

Mo-30Cu合金是由Mo颗粒和粘结相Cu组成的两相复合材料, Mo相较Cu相硬, 两相性质的差异使得Mo-30Cu合金在轧制变形过程中随着变形量的不同表现出不同的变形方式, 其金相演变组织如图3所示。 从图3 (a) 和 (b) 可以看到, 变形量20%和40%的样品中Mo颗粒未发生明显的形变, Mo相和Cu结合良好, 与图2 (a) 相比较仍保持烧结态组织。 当变形量增加到50%时, 大部分Mo颗粒由于轧制挤压力开始发生塑性变形, 形状由近球形变为椭球状, 富集的Cu相伴随着Mo颗粒的变形被明显拉长, 如图3 (c) 所示; 图3 (d) , (e) 和 (f) 分别是变形量为64%, 82%, 90%的金相显微组织, 从图中可以发现, 随着变形程度进一步增加, Mo颗粒沿着轧制方向进一步拉长变形, 而且随着变形量的增大Mo颗粒的长短轴比呈逐渐增大趋势, 粘结相Cu也随着变形量的增大逐渐被拉长; 图3 (g) 和 (h) 分别是变形量为95%和98%的显微组织, 图中Mo相和Cu相呈纤维带状结构, 图3 (h) 中可以看到与轧制方向平行的加工流线组织, 对比两张图可以发现, 当变形量继续增加时, Cu相的变形程度很小, 主要发生Mo颗粒的拉伸变形。

表1 Mo-30Cu合金的热轧变形性能

Table 1 Hot rolling deformation property of Mo-30Cu alloy

Rolling temperature/℃	Deformation rate/%	Surface quality
750	20	Fragmentation
800	30	Cracking of edge
850	40	Cracking of edge
900	50	No crackle
900	55	Micro-crack

图4是总变形量为98%的Mo-30Cu合金箔片的SEM组织, 灰白色相为Cu相, 灰黑色相为Mo相。 图4 (a) 中Mo相与Cu相均被压成扁平状, 其厚度约为250 nm, 两相成均匀层叠分布, 图4 (b) 为高倍组织, Mo层与Mo层、 Mo与Cu层间界面清晰, 彼此结合紧密。

通过分析, 可以将Mo-30Cu合金的轧制变形行为分为3个阶段 ^[12,13] : Mo颗粒在Cu相中滑移及Cu相变形; Mo相和Cu相协调变形; Mo相变形。 Mo-30Cu合金的轧制采用热轧开坯, 高温下Cu相具有良好的塑性, Mo相较硬, 在变形量低于50%的情况下, Mo颗粒被挤入Cu相中, 随着Cu相的变形发生位移, Mo颗粒间的距离逐渐缩小; 当变形量达到50%时Mo颗粒已经相互接触并发生轻微形变, 继续增大变形量时, Cu相继续被拉长, Mo相在滑移的同时发生变形, 两相协调变形逐渐形成层状组织; 变形量超过90%后, Cu相已经被拉得非常细长, 这时再加大变形量, 主要依靠Mo相的变形来实现样品的形变。

2.3 冷轧过程中硬度的变化

对不同冷轧变形量后的Mo-30Cu合金箔片进行硬度测试, 结果如图5所示。 可以看出, 冷轧变形量为0%～25%时, 维氏硬度上升明显, 且与应变量基本保持良好的线性关系, 这一阶段中材料的加工硬化率急剧增加; 在冷轧变形量为25%左右时, 维氏硬度与冷轧变形量的关系出现一个拐点, 当冷轧变形量大于25%时, 硬度上升开始变得缓慢, 冷变形量对材料硬度的影响减小。

图4 变形量98%的Mo-30Cu合金SEM微观组织

Fig.4 SEM microstructure of the foil with 98% deformation (a) ×5000; (b) ×20000

图5 Mo-30Cu合金冷加工硬化曲线

Fig.5 Hardening curve of cold rolling for Mo-30Cu alloy

这种变化主要是由于以下因素 ^[14,15,16] 引起的: 宏观变形使得Mo-30Cu合金的组成相即钼颗粒和铜相中的位错不断的增殖、 塞积, 导致位错密度的增大, 阻碍了位错的运动, 从而导致Mo-30Cu合金的变形抗力增大, 当变形温度很低时应力基本上随应变呈线性增长趋势, 最终使得合金的硬度逐渐增大; 另外一方面, 随着变形量的增大, 钼骨架和铜相逐渐变形形成纤维组织, 位错密度的增长趋势逐渐减弱, 加工硬化效应也会逐渐低于线性增长规律, 同时晶格畸变能增加, 产生变形热效应, 促使材料中产生回复过程, 因此材料的硬度增加缓慢。

3 结 论

1.

当Mo-30Cu合金的热轧温度为900℃时, 当变形量达到50%, 板材试样轮廓清晰, 烧结态组织转变为加工态组织。

2. Mo-30Cu合金的轧制变形行为分为3个阶段:

变形量小于50%时, Mo颗粒在Cu相中滑动及Cu相变形为主; 变形量介于50%～90%时, Mo相和Cu相协调变形; 变形量大于90%时, Mo相变形为主。

3.

Mo-30Cu合金冷轧变形量为0%～25%时, 由于加工硬化, 维氏硬度呈直线上升;当冷轧变形量大于25%时, 随着变形量的增加, 钼骨架和铜相逐渐变形形成纤维组织, 位错密度的增长趋势逐渐减弱, 加工硬化效应也会逐渐低于线性增长规律, 同时晶格畸变能增加, 产生变形热效应, 促使材料中产生回复过程, 使得材料的硬度增加缓慢。

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