站内搜索:
新闻中心
产品导航
联系我们

名称:山东拓邦冶金设备有限公司

电话:0531-82964236

18560217328杜  18560217238吕

传真:0531-82964236

地址:山东济南山大路204精诚商务中心4F

公司新闻
放电等离子烧结制备 Cu-10Cr 复合材料热变形行为
发布时间:2016-06-3

放电等离子烧结制备 Cu-10Cr 复合材料热变形行为

 

朱顺新, 刘 勇,李国辉, 田保红,张 毅

 

河南科技大学材料科学与工程学院,河南 洛阳 471023

 

有色金属共性技术河南省协同创新中心,河南 洛阳

 

摘 要: 采用放电等离子烧结( 简称 SPS) 技术制备出 Cu-10Cr 复合材料,利用 Gleeble-1500D 热模拟试验机,对制备所得复合材料进行高温等温热压缩试验,变形温度为850 ℃ 和 900 ℃ 、应变速率为 0. 001 1 s 1、真应变量为 0. 55。结果表明: Cu-10Cr复合材料的流变应力随温度的升高和变形速率的降低而减小,具有典型的动态再结晶特征; 利用流变应力、应变速率和变形温度的相关性,计算得出了该复合材料高温变形时应力指数n、应力参数 α 和结构因子 A 等参数,求得其热变形激活能 Q 并构建了流变应力本构方程。

关键词: Cu-10Cr 复合材料; 放电等离子烧结( SPS) ; 热压缩变形; 动态再结晶; 本构方程

 

 

    电流转换是电力系统中电能供给和分配过程中的基本组成部分,任何电系统都必须将电信号或能量从一个导体传向另一个导体,而导体与导体连接处( 电接触部位) 常常是造成电信号或能量传递的主要障碍。电触头担负着电器开关和仪器仪表接通、断开电路以及负载电流等重要任务,因此,材料性 能 决 定 了 电 器 开 关 的 开 断 能 力 和 接 触 可 靠性。

    我国从 20 世纪 50 年代起开始进行电接触方面的研究工作,目前使用最多的有银基电接触材料和铜基电接触材料两大类。贵金属银价格昂贵且银基电接触材料使用范围有限,而铜相对便宜,且力学和电学性能与银接近,铜基电接触材料种类繁多,适用范围广,在某些方面性能优于银基电接触材料,所以无银环保型铜基电接触材料日益成为该领域研究的重点。Cu-Cr 复合材料综合了 Cr Cu 的优点,既有 Cr 的高强度、低膨胀系数,又有 Cu 的高导电导热的性质,是一种较为理想的电接触用铜基复合材料,但目前关于 Cu-Cr 电接触复合材料的热变形行为研究报道较少。

    本试验采用 SPS 法制备得到 Cu-10Cr 电接触复合材料。SPS 法是部分电流通过加压粉体,激活晶粒表面,击穿粉体颗粒间隙内残留气体,使其局部放电、甚至产生等离子体,促进晶粒间结合; 同时另一部分电流通过模具从而使模具升温,给材料提供外在加热源,这样利用表面活化和体加热实现材料的超快速致密化烧结。利用 Gleeble-1500D 热模拟试验机进行圆柱体高温单道次压缩试验,通过分析复合材料热压缩变形的流变应力与变形程度、应

变速率以及变形温度之间的关系,计算出该复合材料的热变形激活能 Q,并构建本构方程,以期为实际生产提供理论依据。

   1 试验材料和方法

试验原材料为纯度 99. 9% 、粒度为 400 目的电解 Cu 粉和纯度 99. 9% 、粒度为 120 目的 Cr ; 将上述原材料按质量分数 90% Cu10% Cr 的比例装入自制混料瓶,然后将混料瓶放入 YH-10 型混料机上进行混粉 2 h,均匀混粉时可以向混料瓶内加入适量干燥洁净的小铜球以防止粉体发生团聚; 原料粉充分混合后装入石墨模具后放入 SPS-30 放电等离子新宝5下载中进行烧结制备得到 Cu-10Cr 电接触复合材料。烧结工艺为: 真空度 4 5 Pa升温速度100 /min; 升温至 450 ℃ 保温 2 min,然后继续升温至 650 ℃ 保温2 min,最 后升 温 至 950 ℃ 并 加 压 30 MPa、保 温10 min,然后随炉冷却至室温取出试样。

将烧结制备的复合材料加工成尺寸为 φ8 mm ×15 mm 的圆柱试样,在 Gleeble-1500D 热模拟机上进行高温热压缩变形试验,压缩前为减少摩擦可在试样两端均匀涂敷石墨粉润滑剂。热模拟试验参数为: 变形温度,850 ℃和 900 ; 应变速率,0. 001 1 s 1; 真应变量,0. 55

2 试验结果与分析

2. 1 组织与性能

1 SPS 放电等离子烧结制备的 Cu-10Cr 复合材料的微观形貌,其中连续较致密灰色相为基体Cu,其中在基体上弥散分布的黑色块状为 Cr。从图 1还可以看出,弥散铜基体气孔较少,组织较均匀、致密; Cr 颗粒均匀分布于 Cu 基体上,基本上没有团聚现象,Cr 颗粒基本上分布于 Cu 的晶界处,Cr Cu的界面比较分明。表 1 为在不同烧结温度下的 Cu-10Cr 复合材料的综合性能。

从表 1 中可以看出,3 个温度下制备所得复合材料的相对密度都在 92. 8% 以上,这说明结构较致密。在 SPS 烧结过程中,粉末颗粒间产生的放电等离子体对粉末颗粒具有净化和活化作用,提高了烧结活性、降低了原子的扩散激活能。同时放电冲击导致局部应力和能量密集,可以增强粉末体扩散和晶界扩散,加速了粉末颗粒液相的形成,随着温度的升高,烧结过程中提前出现的液相数量增多,材料的孔隙率随之降低,因而材料的密度随烧结温度升高而增加。同样,高致密复合材料具有较低的气孔率,随烧结温度的升高其硬度和电导率也相应增大。另外,由于Cr 颗粒的导电性远不如 Cu 基体导电性好,因而所得复合材料的电导率较低。由表 1 可知,在本试验条件下,950 ℃ 时制备所得 Cu-10Cr 复合材料的综合性能较好。

2. 2 真应力-真应变曲线

2 为烧结温度 950 ℃ 时制备所得 Cu-10Cr 复合材料,在 850 ℃和 900 ℃变形温度下的不同应变速率的真应力-真应变试验曲线。

从图 2 可以看出,变形温度和应变速率对 Cu-10 Cr 复合材料的流变应力均有影响。 在一定的变形温度下,流变应力随应变速率的升高而升高,由真应力-真应变曲线可以说明该复合材料具有明显的稳态流变特征。图 2 中的曲线的变化机制有两类: 一类加工硬化和动态回复机制,在变形初期随变形量的增加,应力急剧上升达到峰值,然后应力在加工硬化和动态回复相互作用下保持一个稳定值,这是由于变形初期位错密度迅速增加,位错间交互作用增强从而造成应变阻力增加表现出的加工硬化效应,然后随应变量增加,应力趋于不变是

由于位错增殖与位错消失达到平衡,不再发生加工硬化的稳态流变动态回复阶段。另一类是加工硬化、动态回复和动态再结晶机制,曲线特征是应力先随应变量的增加而先快速后缓慢增加,随变形量的继续增加应力缓慢下降,降到一定范围后趋于稳定。应力下降是由于位错应力场引起的畸变能达到一定程度时,变成再结晶驱动力,发生动态再结晶软化的结果。

从图 2 还可以看出,在应变速率一定的条件下,流变应力随温度的升高而降低。这是因为随温度的升高,材料的动态回复再结晶的形核和长大速率都增加,从而软化作用增强; 而且温度越高、原子动能越大,原子间作用力减弱,从而复合材料剪切应力降低。所以该复合材料为温度敏感材料

 

2. 3 热变形激活能与本构方程

热变形过程中,本构方程由材料的真应力-真应变曲线确定,可以描述复合材料的应变速率、

变形温度和流变应力三者间的关系,为材料热加工工艺提供理论参考。Sellars Bruni 根据 Arrenius 关系,提出了 包 含 真 应 力 双 曲 正 弦 形 式 来 描 述 热 激 活行为

3 结论

1) 采用 SPS 法制备得到 Cu-10Cr 复合材料。在本试验条件下,烧结温度在 950 ℃ 时综合性能最佳,其相对密度、电导率和显微硬度分别为 93. 9% 53. 7% IACS 64. 9 HV;

2) Cu-10Cr 复合材料高温压缩变形时的流变应力取决于应变速率和变形温度,流变应力随变形温度升高和应变速率下降而降低,表现出典型的动态再结晶特征;

3) 从流变应力、应变速率和变形温度的相关性,计算可得出 Cu-10Cr 复合材料高温热压缩变形时的热变形激活能 Q = 250. 356 k J/mol

 

本文来自山东拓邦冶金设备有限公司,详情请登陆http://www.sdtbyj.com

 

[返回]

在线客服

在线咨询