物理性质和沉淀Cu-Hf合金的微观结构在不同的处理阶段

文摘

微观结构演化和Cu-Hf合金的硬度和物理性质研究了不同加工阶段使用硬度、导电性和拉伸测量,金相显微镜,扫描电子显微镜和透射电子显微镜。研究结果表明,这些合金的导电率高于80% IACS老化后450°C,和铜的硬度和电导率- 0.9高频合金180 IACS HV0.5和80%,分别。铜的软化温度- 0.15高频合金525°C,和铜- 0.4高频的软化温度和铜- 0.9高频合金550°C。沉淀Hf-containing阶段表现出短棒状结构,大小与老化时间的增加速度缓慢,导致的大小~ 20 nm老化后300分钟450°C。

1。介绍

铜具有良好的电气和热导率,但是可怜的强度和耐热性在广泛领域的限制其应用。因此,铜合金是由金属或非金属元素添加到铜达到理想的强度和耐热性1]。在铜合金中,许多二元合金,如Cu-Ag [2,3],Cu-Zr [4,5],Cu-Sn [6,7],Cu-Mg [8,9],Cu-Cr [10- - - - - -12)已经被广泛研究和使用各种电器和电子应用程序,包括电能传输。然而,添加合金元素表明导电性的影响,尽管其中一些可以改善机械强度,再结晶温度和耐磨性。

铪(高频)表现出有趣的特性,如塑料行为,易于加工,优良的温度,和耐腐蚀性能,使它成为一个理想的材料在原子反应堆和镍基超合金(13- - - - - -15]。从结构和性能的角度来看,高频类似Zr和它可以增加铜的再结晶温度和耐热性。此外,高导电性是维护和提高机械强度由于高频之外(16]。此外,沉淀强化效应在Hf-Cu合金也被观察到。此外,中高频的溶解度高于铜锆(从Cu-Hf合金的二元相图(图1),我们就可以知道Hf的最大溶解度在铜是0.4。% (17),而锆在共晶温度只有0.12。%),这表明进一步的性能改进(18]。Shangina等人研究了属性、微观结构和热电阻老化后的铜- 0.9高频合金在高压扭转等通道角挤压。他们也比较后的位错密度不同的过程(19,20.]。

在这部作品中,高频除了对铜的机械和物理性能和Cu-Hf合金显微组织演化的,在热轧,固溶体,冷轧和衰老过程,研究了。此外,我们还研究了沉淀的形态和大小的衰老过程。

2。实验

实验是由使用无氧铜杆和Cu-8 wt。%高频中间合金为原料。合金制备在真空感应炉下氩流量作为保护气;然后,丢在一个圆柱锭直径30毫米下真空。

根据高频的最大固体溶解度在铜在图1,我们设计了三套Cu-Hf合金具有不同高频内容,和合金的组成是由电感耦合等离子体光学发射光谱法(ICP),如表所示1。样本分为锭Φ30毫米×20毫米的尺寸和热轧。轧制温度为900°C,变形是76.5%。随后,热轧样本固溶体在箱式电阻炉,Cu-Hf合金固溶体在950°C过程进行了1小时。固溶处理后的样本在水中淬火。固溶处理后,上、下铣削表面~ 4毫米厚,然后冷轧成一张~ 2毫米厚度变形的50%。最后,进行时效处理和Cu-Hf合金在400岁10°C和450°C, 30岁,60岁,120,180,240,300分钟。

的导电性、维氏硬度和抗拉强度的合金被使用一个测量涡流电导率仪(σ2008 B / C),一个维氏硬度计(fm - 700型,future tech Corp .)、日本东京)(0.5高压测试4.903 N),和万能试验机(UTM5105X、深圳Sunthink),分别。观察合金的微观结构的光学显微镜(OM, Axioskop 2、蔡司、德国)和扫描电子显微镜(SEM, MLA 650 f,范,美国)。析出相的形貌和晶体结构进一步分析了透射电子显微镜(TEM,范Tecnai G2 20日,美国),选定区电子衍射(SAED)模式。TEM样本由切片合金块薄板60μm和冲孔形状的圆形箔,3毫米直径。圆箔以电解抛光在40 V双喷射电解槽,和样品温度维持在−40°C。电解抛光的解决方案是硝酸和甲醇的混合物(1:4)。

硬度值的变化对温度退火Cu-Hf评估了合金在不同的温度下1小时。此外,每个合金的软化温度。

3所示。结果

3.1。显微硬度和物理特性

图2介绍了硬度和电导率的铸态,热轧,solid-solution-treated和冷轧铜- 0.15高频、铜- 0.4高频、和铜- 0.9高频合金在时效处理。铸态合金的状态下,合金的硬度增加,高频的增加内容。例如,铜- 0.9 - HV0.5高频表现出的硬度值118.2,2倍的铜- 0.15 -高频合金。然而,电导率显示相反的趋势,减少的高频。与纯铜相比,铜的导电性- 0.9 -高频只有50.6% IACS。在热轧合金,硬度得到了改进和变化是相当大的。然而,导电率表现出一个小变化对高频加法。固溶处理后,合金的硬度大大降低由于再结晶,晶粒生长和溶解的溶质铜矩阵。同样,导电性与高频内容显示成反比关系。例如,铜的导电性- 0.4 -高频IACS和铜的导电率44.9% - 0.9 -高频IACS下降至36.3%。 In cold-rolled Cu-Hf alloys, the hardness of the alloy increased to a higher level and Cu-0.15Hf, Cu-0.4Hf, and Cu-0.9Hf alloys exhibited hardness values of 131.5 HV0.5, 143.8 HV0.5, and 150.3 HV0.5, respectively. However, the conductivity has shown a small change in cold-rolled alloys as well.

图3介绍了硬度和电导率的铜- 0.15高频、铜- 0.4高频、和铜- 0.9高频合金经过时效处理,已进行了不同温度和时间。比较老化后性能的合金在400°C和450°C,它可以得出最优老化三种合金的温度应该是450°C。老龄化高峰的铜- 0.15高频、铜- 0.4高频、和铜- 0.9高频合金可以获得30分钟,30分钟和60分钟,分别。此外,HV0.5的硬度值140.4,161.0 HV0.5,和187.4 HV0.5大船公司和电导率值的80.0%,65.0% IACS,和75.5% IACS已经实现了铜- 0.15高频、铜- 0.4高频、分别和铜- 0.9高频合金。

图4显示了铜- 0.15高频的抗拉强度,铜- 0.4高频、和铜- 0.9高频合金老化后500°C。它可以观察到,Cu-Hf合金的强度随时间迅速增加的初始阶段,然后逐渐减少,表现出与硬度的变化规律相一致。然而,抗拉强度之间的转换和合金的硬度不对应,自抗拉强度测量值小于抗拉强度硬度的转换。

图5显示了铜的硬度变化- 0.15 -高频,铜- 0.4高频、和铜- 0.9 -高频退火后合金在不同的温度下。由于再结晶和晶粒生长,合金的硬度下降。根据GB / T 33370 - 2016方法,软化温度可以定义基于硬度值和80%的原始硬度对应于合金的软化温度。它可以得出的结论是,铜- 0.15高频的软化温度,铜- 0.4高频、和铜- 0.9高频合金525°C, 550°C,分别和550°C。

3.2。形态的微观结构

3.2.1之上。铸的Cu-Hf合金

图6显示了光学显微图的铸态铜- 0.15高频、铜- 0.4高频、和铜- 0.9高频合金。可以清楚地看到,所有三个合金表现出典型铸的结构,和铜- 0.15 -高频和铜- 0.4高频合金粗颗粒(> 500μ比铜- 0.9米)——高频(< 200μ米)。这意味着高频除了有一些对铸态微观组织晶粒细化的影响后,铜的阈值水平。

图7介绍了扫描电镜图像的铸态铜- 0.9 -高频合金。但值得注意的是,在铜元素的最大溶解度高频0.4。%;然而,实际的溶解度低于0.4。%在较低的温度。因此,在钢锭冷却,高频desolvated包含高频和初级阶段已经形成。它还可以看到在图7(一)大部分的白色沉淀一直沿晶界分布。此外,沉淀分布密度和均匀。但是,一小部分的主要阶段是分布在谷物和一个圆形的形态。图7 (b)是一个高倍率扫描电镜图像相同的合金和展品片状共晶结构,这是符合Cu-Hf二元相图。图8和表2显示元素的分配图铸的铜- 0.9 -高频合金和合金成分的分配点分析,分别。我们没有观察到的高频聚合元素分布地图,但成分分布显示高频元素存在于白色的共晶结构而不是铜的矩阵。

3.2.2。热轧合金

图9的光学显微照片显示了热轧铜- 0.15高频、铜- 0.4高频、和铜- 0.9高频合金。与铸态合金相比,晶粒尺寸的铜- 0.15 -高频合金的晶粒尺寸降低铜- 0.4 - 0.9高频和铜-高频合金保持不变。图9 (b)表明,谷物在轧制方向被拉长和展览一个温暖的变形结构,表明完成温度还不高于动态再结晶温度,尤其是对铜- 0.9高频。

3.2.3。Solid-Solution-Treated Cu-Hf合金

图10的光学显微图显示solid-solution-treated铜- 0.15高频、铜- 0.4高频、和铜- 0.9高频合金。三种合金完全再结晶和谷物已经在一定程度上。此外,我们发现退火双胞胎后固溶处理和铜- 0.9——高频表现出较小的双晶体比其他两个合金。图11介绍了扫描电镜图像的铜- 0.9 -高频合金固溶处理后。从图可以看出(11日)的共晶结构不再是连续的白床单,边缘是平和的。图11 (b)表明,薄片状特征逐渐消失,微观结构变得更小,圆形,这表明在950°C溶解固溶体治疗初级阶段进入铜矩阵。

3.2.4。冷轧Cu-Hf合金

图12的光学显微图显示铜- 0.15高频、铜- 0.4高频、和铜- 0.9高频合金冷轧之后。三种合金显示一个细长的结构相比,solid-solution-treated合金。此外,某个方向已经观察到,由于冷变形晶界变得模糊。冷变形产生大量的混乱,提高合金的力学性能。此外,变形能被存储在合金强化阶段可以快速沉淀在衰老。

3.2.5。老龄化Cu-Hf合金

为了理解的影响高频的耐热铜,我们选择了铜- 0.9 -高频合金进一步老化实验和三个州,即。,10分钟,60分钟、300分钟,。数据13和14目前铜的光学显微镜和SEM图像- 0.9 -高频合金在450°C老化后10分钟,60分钟和300分钟。光学显微图清楚地表明冷轧诱导变形后微观结构老化10分钟和60分钟。然而,300分钟后,再结晶已经完成,双胞胎出现。SEM图像图14展览的带状结构,这是由于冷轧分布在一个特定的方向。这些初级阶段沿轧制方向的分布表明,衰老过程不会导致过度的再分配。

为了评估沉淀相的类型和量化它对老化时间,我们发现铜的形态- 0.9 -高频合金在450°C老化后用透射电子显微镜(TEM)。我们已经研究了老化样品和相应的峰值SAED模式,具有亮视野和高分辨率的图像。TEM观察清楚地展示了降水趋势对老化时间。图15显示了亮场图像和相应SAED模式老化后的铜- 0.9高频合金在450°C。数据(15日)- - - - - -15 (c)表明,沉淀颗粒有棒状结构,均匀分布在矩阵。棒显示的大小直接与老化时间的关系,和大小的3 - 5纳米,10 nm,和20 nm老化后已经达到10,60岁和300分钟。在图(15日),我们也观察到粗初级沉淀,超过100海里。图15 (d)礼物SAED模式的区域,标记为a。它可以清楚地观察到有其他薄弱地区[011]铜现货。快速傅里叶变换(FFT)的高分辨率图像具有亮析出相导致额外的衍射斑点,在同一位置的数据15 (d)和15 (e)。斑点的黄色箭头在图15 (e)。

图16显示了高分辨率透射电镜图像和FFT的铜- 0.9 -高频合金老化后不同时间。数据(16日),16 (c),16 (e)清楚地表明,沉淀颗粒的大小与老化时间逐渐增加。数据16 (b),16 (d),16 (f)目前相应的FFT模式和表明FCC铜的存在老化后10分钟。铜的FCC结构也存在后进一步老化;然而,其他地方逐渐出现在FFT模式,析出相对应。

4所示。讨论

这项研究表明,高频增加铜的物理和力学性能的影响。人们已经发现,高频元素的添加改善铸态Cu-Hf合金的硬度,硬度之间存在直接的关系和高频内容。例如,铜- 0.9高频合金的硬度达到120 HV0.5,两倍的铜- 0.15 -高频合金。同时,高频除了Cu-Hf合金的导电率的影响。此外,热轧移除一些合金的缺陷和密度,从而提高了合金的力学性能和减少通过轧制后的数量。固溶处理后,迅速冷轧合金的硬度增加到一个更高的水平,但对导电性的影响仍微不足道。此外,它还提供了变形储能衰老过程,导致第二阶段的降水和影响合金的再结晶温度。另一方面,时效处理desolvates溶质从矩阵和析出相,结果,提高合金的硬度和电导率。值得注意的是,铜的硬度- 0.9 -高频达到180 HV0.5,和电导率达到80% IACS时效处理后的值。结果表明,高频元素铜导电率的影响变得越来越小,由于合理的变形和热处理工艺,并可以实现理想的综合属性。 The addition of Hf can greatly increase the softening temperature of Cu. When the Hf content is more than 0.4 wt. %, the softening temperature reached 550°C.

此外,高频除了显示某个晶粒细化对微观结构的影响阈值后的铸态铜。虽然变形和热处理合金的微观结构有重要影响,高频的作用不容忽视。晶粒尺寸,虽然再结晶和晶粒生长发生在固溶处理,铜的粒径- 0.9 -高频合金低于合金高频含量较低。同样,高频添加合金的再结晶影响衰老过程,有效增加了铜的再结晶温度。

研究还表明,析出相的大小随着时间的增加,但速度非常缓慢。这就是为什么铜- 0.9 -高频合金合金中保持了很高的硬度测试。除了铜FCC斑点,我们也观察到的一些弱点SAED和FFT模式在同一位置,这意味着二次析出相的存在。

正如上面提到的,高频成铜抑制再结晶,提高了耐热性和这种效应随着高频内容的增加更明显。同时,Hf-containing阶段形成,均匀分布,阻碍晶界和把混乱的运动。Hf-containing中学阶段的存在也会导致合金的硬度。变形和热处理工艺下,溶质是desolvated在老化过程和形式析出相,和对电子的散射影响变得很小,这增强了Cu-Hf合金的导电性。总之,Cu-Hf合金提供令人印象深刻的电气和机械性能,这使得他们的广泛应用。

5。结论

的影响高频的微观结构,力学性能,和电气性能的铜已经研究了光学显微镜,扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)。提高合金的热稳定性机制由于高频提出了。总之,从这项研究中可以得出以下结论:(1)从力学性能的角度,Cu-Hf合金显示最优性能老化温度为450°C。铜的软化温度- 0.15 -高频合金525°C,和铜- 0.4高频的软化温度和铜- 0.9高频合金550°C,铜的硬度- 0.15 - 0.4高频和铜-高频合金,合金后,分别达到140 HV0.5和160 HV0.5。同样,电导率值达到80%以上的大船。铜的硬度和电导率- 0.9 -高频合金,老化后,分别为180 HV0.5和80% IACS。(2)高频之外增加了铸态合金的硬度。此外,变形和热处理过程中阻碍了晶粒生长和改善合金的耐热性。这些属性显示直接与高频内容之间的关系。(3)时效处理后,析出相的Cu-Hf合金表现出一种棒状结构,粒径的~ 20 nm, 300分钟的450°C。然而,增长率已经表现出对硬度影响,也就是说,这种合金不容易过时效。

数据可用性

我们的实验数据和结论来自重复实验,并根据实验可以获得相同的结果过程的手稿。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

Mingmao李(1982 -现在)主要从事新材料的研究和开发,新工艺,新技术等有色金属铜、铝和锡。

确认

目前的工作是财务上支持中国国家重点研发项目(批准号2016 yfb0301400)。也感谢文静Wang博士渭滨谢博士,大为先生元。

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