简介概要

WC含量对弥散强化铜Cu/WC组织与性能影响的研究

来源期刊：稀有金属2003年第1期

论文作者：王孟君甘春雷张立勇刘心宇

关键词：弥散强化铜; 组织与性能; WC; 烧结;

摘要：对以WC粒子为第二相的弥散强化铜材料的组织与性能进行了研究. 在同样条件下, 用机械混料方法制备了不同WC含量的Cu/WC复合材料, 分别测定了其密度、电阻率和硬度. 结果表明: WC粒子是一种较为理想的弥散相, 并且WC体积含量为1.2%时, 细小的球形状第二相粒子均匀分布, 弥散效果好, 材料密度、硬度较高, 而电阻率较小, 综合性能较好.

稀有金属 2003,(01),108-111 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2003.01.026

WC含量对弥散强化铜Cu/WC组织与性能影响的研究

王孟君刘心宇甘春雷

中南大学材料科学与工程学院,中南大学材料科学与工程学院,中南大学材料科学与工程学院,中南大学材料科学与工程学院湖南长沙410083 ,湖南长沙410083 ,湖南长沙410083 ,湖南长沙410083

摘要：

对以WC粒子为第二相的弥散强化铜材料的组织与性能进行了研究。在同样条件下 , 用机械混料方法制备了不同WC含量的Cu WC复合材料 , 分别测定了其密度、电阻率和硬度。结果表明 :WC粒子是一种较为理想的弥散相 , 并且WC体积含量为 1.2 %时 , 细小的球形状第二相粒子均匀分布 , 弥散效果好 , 材料密度、硬度较高 , 而电阻率较小 , 综合性能较好

关键词：

弥散强化铜;组织与性能;WC;烧结;

中图分类号： TF125

收稿日期：2002-10-10

Effect of WC Content on Structure and Property of Dispersion Strengthened Copper of Cu/WC

Abstract：

The microstructure and property of dispersion strengthened copper (DSC) with WC as the dispersoid are studied. Five specimens of DSC of different WC content were prepared under the same circumstances by means of mechanical blending, and their density, hardness and resistivity were measured respectively. As a result, WC is a promising candidate for the dispersoid. When WC is of 1.2%, the second phase is found to be distributed uniformly. Composite with such WC content has a higher density and hardness, but a lower resistivity, thus a good comprehensive property.

Keyword：

dispersion strengthened copper; structure and property; WC; sintering;

Received： 2002-10-10

弥散强化材料是近年发展起来的新材料。固溶强化、形变强化以及时效强化的金属材料, 在高温下强度降低, 且这些强化材料的强化因素或多或少地与材料的导电性相矛盾 ^[1,2] 。而弥散强化铜材料具有良好的导电性和导热性, 同时在高温下能保持较高的强度。美国SCM公司的弥散铜C15715电导率达92% IACS, 软化温度高达930 ℃ ^[3] 。正因其具有优良的综合性能, 它在机电、电子等领域均得到了广泛的应用。

弥散强化材料中可用作弥散相的粒子有很多, 其共性是: 与基体互不相溶, 有较高的强度和硬度, 在高温下有较好的热稳定性, 不与基体发生反应。它们通常是一些氧化物、碳化物, 如Al₂O₃, Y₂O₃, ZrO₂, TiC, VC, WC等 ^[4,5,6] 。本文就WC含量对Cu/WC弥散强化铜材料组织与性能的影响做了一些研究。

1 实验方法

实验所采用的材料是250目的电解铜粉和平均颗粒大小为2 μm的WC粉末。实验方法如下: 将预先经过退火处理的粉末机械混合均匀, 接着制粒、添加润滑剂和成型剂而后压型, 制成规格为60 mm×8 mm×4 mm的5个试样。 5个试样的WC体积百分含量见表1。压力机压制力p=1600 kN, 保压1 min。压制后的样品在950 ℃下烧结。烧结时为防止升温速度过快而使样品内部产生裂纹扭曲, 可调节烧结炉温度, 于200, 400, 600 ℃处各保温2 min, 最后升温至烧结温度, 保温2 h。

表1 样品中WC的体积含量

Table 1 WC content in specimens

样品编号	1	2	3	4	5
含量/%	0.4	0.8	1.2	1.6	2.0

样品制成之后分别测定其密度、电阻率和硬度。密度ρ由样品质量m除以样品的排水体积V得到, 即ρ= m/V。电阻率则是先用双电桥测出样品R后, 再由ρ= RS/L计算出。硬度在Vicker-microdesin硬度仪上直接测得。

2 结果与讨论

2.1 WC含量对材料密度的影响

图1是密度随WC体积百分数变化的曲线。密度随WC含量增加总的趋势是下降的。最初密度值最大, 在含量达到1.2% (体积分数) 前一直缓慢下降, 之后随着含量的继续增加, 出现较大幅度的下降。烧结体的体积由两部分组成, 即材料的实际体积和材料中的孔隙体积。烧结体中第二相含量增加, 将引入较多的晶格畸变, 在烧结时容易形成孔隙而增加孔隙体积 ^[7] 。从弥散强化铜的扫描电镜照片可以看出 (见图4～6) , 随着WC含量增加, 烧结体的烧结闭孔越来越大。并且铜基体是面心立方结构, 而WC为六方结构, 它们之间形成了非共格畸变, 这可能也是影响材料密度随弥散相含量增加而减小的一个原因。

图1 密度随WC体积百分数的变化

Fig.1 Variation of density with WC content

2.2 WC含量对材料电阻率的影响

电阻率随第二相含量而变化的情况如图2所示, 曲线表明两者之间的关系比较复杂, 呈锯齿形变化。弥散铜电阻率先是随着含量增加而上升, 然后在1.2%处下降, 随后又是一升一降, 在2.0%处电阻率最小。文献 [ 1] 指出, 合金的电阻ρ可以用下式表示:

ρ=ρ₀+ρ_固溶元素+ρ_沉淀+ρ_缺陷

其中ρ₀为纯铜的电阻。导致这种现象的原因目前尚不清楚, 可能与测试方法有关, 有待进一步研究。

虽然曲线变化表现出较明显的无规律性, 但是仍可以看出, 在含量为1.2%时的电阻率较小。

2.3 WC含量对材料硬度的影响

图3是硬度与第二相粒子含量的变化关系曲线。硬度随含量增加先升后稍降。因为WC粒子具有很高的硬度 ^[8] , 仅次于金刚石。它的添加无疑将提高铜基体的硬度。起初曲线上升, 到1.2%时达到最大值。扫描电镜照片也显示, 此时的弥散相粒子均匀分布于铜基体的晶界上, 且呈不连续状态, 达到了很好的强化和硬化效果。但是当第二相含量继续增加, 却出现了第二相的偏聚, 特别是在2.0%时 (图6) , 导致硬度略微下降。另外, 由于此时烧结闭孔增多, 对材料的硬度也有所影响。

图2 电阻率随WC体积百分数的变化

Fig.2 Variation of resistivity with WC content

2.4 WC含量对材料组织的影响

图4～6是不同含量的弥散铜断口的扫描电镜照片。含量较低时 (0.8%) , 其分布略显稀散, 照片上几乎找不到, 此时尚不能达到很好的弥散强化效果。而含量为1.2% 时, 可以清楚地看到第二相粒子均匀分布于铜基体晶界上, 弥散效果较好, 性能测试也说明了这一点。含量继续增加后, 可能由于粒子比较细, 容易吸附在一起而发生团聚, 且实验中没有采取适当措施来促使它们分布均匀, 所以就出现了SEM中的第二相粒子的偏聚现象, 从而削弱了粒子的弥散强化作用。