氧化铝弥散强化铜的研究进展及其应用

【 作者:李美霞, 郭志猛,赵奇特 】

氧化铝弥散强化铜的研究进展及其应用 

李美霞, 郭志猛,赵奇特 

(北京科技大学材料学院粉末冶金研究所,北京100083) 

摘 要:介绍了弥散强化铜材料的国内外研究进展,阐述了弥散强化相与基体的结构机制,分析了弥散强化铜材料的性能特点。同时,对弥散强化铜材料在各领域中的应用进行了展望。 

关键词:氧化铝弥散铜;进展;应用 

中图分类号:TGl25.5文  献标识码:A  文章编号:1006--6543(2008)01--0036--05 

PROGRESS IN AND APPLICATIONS oF COPPER-BASE ALLOYS 

LI  Mei-xia, GUO  Zhi-meng, ZHAO Qi-te 

Beijing University of Science and Technology  Material college powder metallurgy graduate school,Beijing 100083.China) 

Abstract:The  domestic and  foreign research results of ODS copper-base alloys are introduced,the structure of dispersion strengthened paticles and body,is clarified in detail and functional characteristics are analyzed.Further applications of ODS copper-base alloys to each industry is reviewed. 

Key words:ODS copper-base alloys;development application 

早在1973年,美国就开发出了弥散强化铜,弥散强化铜的研究在一些工业发达国家已经取得重大进展,如美国的SCM公司已经研制出牌号为 C15715、C15760的A120。弥散强化铜,其软化温度为930℃,电导率为54MS/m,抗拉强度达到540MPa。并在2001年左右就已形成日产20t的生产规模[1]。最先主要应用于军工航天领域,现已广泛应用于电工、电子、汽车、家电及容器制造等领域。 

我国对弥散强化铜的研究起步较晚。20世纪80年代,我国许多高校和科研院所也相继开始了弥散强化铜材料的研究,并取得了一些进展。20世纪70年代洛阳铜加工厂开展过内氧化法生产弥散强化铜的研究并建立了一条小规模生产线。但由于种种原因,产品质量未能满足用户要求,成本也很高,故一直未正式投入批量生产。90年代以来,我国许多研究单位如中国科学院金属研究所、河北工业大学、上海交通大学、北京科技大学、北京有色金属研  究总院、昆明贵金属研究所等也对该材料进行了研究,对添加弥散相的种类和方法进行了探讨,但多处在实验室研究阶段[2]。 

1 氧化铝弥散强化铜的制备工艺 

由于Cu与Al203。的湿润性很差,Cu与Al不易形成金属间化合物,用内氧化方法来制备弥散强化铜,不仅Al203。粒子细小,弥散分布均匀,而且制成的Al203有较高的热力学稳定性。所以含Al203的铜材最适于用内氧化制备。 

氧化铝弥散强化铜的制备工艺过程为:熔炼稀  释的铜铝固溶合金,用高压氮气雾化熔体,从而制得粉末;将粉末与氧化剂(细的氧化铜粉)相混合;将混合粉加热到高温,铜氧化物分解,同时生成的氧扩散到铜铝固溶合金的颗粒中,铝比铜易生成氧化物,合金中的铝被优先氧化生成Al203;在全部铝都被氧化后,在氢或分解氨气氛将粉末加热,以还原粉末中的过量氧,最终制得弥散强化的铜粉。[3]

2弥散强化机制及弥散相和基体的性质

弥散强化是通过向铜基体中引入均匀细小的第二相质点,造成位错在运动时必须切过或绕过这些质点,从而强化材料。位错绕过的机制称为奥罗万机制,示意如下:

如果位错以切过第二相的方式运动,那么就被成为是安塞尔一勒尼尔强化机理,这时候的材料的强度以下式表示:

弥散相粒子稳定而不长大是强化的前提之一。弥散相要求具有高的化学与结构稳定性、生成热高、高的熔点,从热力学上说,要求弥散相的生成自由能  负值大,因为物质生成自由能的大小反映物质的稳定性,生成自由能负值越大,弥散相在合金中就越稳定。[4] 

采用内氧化工艺氧化铝弥散强化铜,经过拉拔成棒材,其中氧化铝含量质量分数为0.8%。用氨水和过氧化氢为腐蚀剂,在场发射电镜下观察其微观组织,如图3所示。 

对其中的白色颗粒进行的能谱分析结果如图4 所示,由于铝只有一种氧化态,故可以判断其为氧化铝。

由图3可见,内氧化得到的氧化铝弥散得非常好。由式(2)可以计算得到粒子间的间距为50nm  左右。实际图中粒子之间的距离和这个数值非常接近。大量实践证明,氧化铝的含量质量分数可在 0%-2%的范围内选用,粒子间距的范围为10nm左右。 

弥散相的含量、粒度和粒子间距相互是有联系的。当含量一定时,粒子越细,则粒子数越多,因而粒子间距也就越小。这些弥散相的几何因素是影响材料强度的重要因素。颗粒弥散强化金属基复合材料的平均粒子间距λ与粒子半径r,粒子体积分数f有如下关系:

然而实际上,增加弥散粒子的含量会使材料的延展性、韧性和加工性变坏。再者,如果粒子过大,则粒子的破坏容易成为整个材料的破坏源。所以,过分增加粒子含量不如减小粒子的直径。也就是说,使粒子细化才是追求的目标。 

弥散强化材料要求弥散相均匀分布于基体中,分布不均匀,就会导致弥散相的聚集和粒子间距的增大,结果材料的性能下降。关于弥散相的形状对性能的影响尚未进行深入的研究。有人认为:球形粒子可能比片状粒子好,因为片状粒子对于与其平行的原子面上的位错阻力小,而球形的对任何原子面上的位错具有相同的阻力。

弥散相在基体中要求几乎不溶解,与基体不发生化学反应。基体与弥散相之间的界面能要小。两者之间的界面能低意味着两者结合较好,这是粒子阻碍位错运动所需要的。相反,高界面能就等于粒子周围的孔洞多,不仅不能阻碍位错运动,而且可能产生显微裂纹。 

3 氧化铝弥散强化铜材料的性能特征

4   氧化铝弥散强化铜的应用 

弥散强化铜的物理性能与纯铜的非常相似,它不但强度高,导电率和导热率也高,而且,长时间暴  露于接近铜基体熔点的温度(800—900℃)之下,依然能保持很好的强度和传导性能。因此,极大的扩展了铜合金的使用温度范围。这种特性还使得铜合金可以用高温连接法(例如铜焊)来制造零件,其强度不会丧失,还可以用于高温作业有关的各种用途。弥散强化铜的强度可与多种钢相匹配,而传导性却与铜相似,冷加工性能也很高[3]。可以通过调整氧化铝的含量和改变弥散强化铜材料的冷加工量,来扩宽弥散强化铜的性能范围,以满足各种各样的设计要求。冷加工能增宽抗拉强度、伸长率及硬度的范围,但冷加工对传导性能的影响极小。因此,弥散强化铜的性能好、综合性能优异。弥散强化铜与无氧铜的性能比较见表1。

弥散强化铜的屈服强度和极限抗拉强度之比高,甚至退火后仍保有大部分屈服强度。屈服强度的保有率高,说明弥散强化铜具有抗高温软化性能。退火可以提高铜合金的延性,但弥散强化铜的屈服强度保有率高,在高传导性铜合金中,对于给定的延性值下,弥散强化铜的屈服强度最高。弥散强化铜的疲劳强度极好,它的疲劳比(耐久极限/抗拉强度)高。 

电气和电子工业的设计工程师重视铜含金的电导率和热导率的同时,更加关注它们的高强度和高硬度。对于一给定的断面尺寸和结构强度,采用弥散强化铜可以增大载流容量和散热能力;而且,在不减小结构强度和载流容量和散热能力的条件下,使用弥散强化铜可以减小断面尺寸,使零部件的设计小型化。 

4   氧化铝弥散强化铜的应用 

在电子、电工及真空领域中,对铜合金的综合性能要求很高,弥散强化铜以其良好的传导性和高温强度及刚性,显示了优良的综合性能,使其成为了高强度铜合金的理想选择,已广泛用作:电子真空器件的散热阳极、插接件,大功率高频、超高频真空电子  管,晶体管管壳,磁控管腔体、定片、动片,发射管,真  空开关,继电器铜片,行波管慢波线,输电线,聚热线圈,波导管,手机及移动通讯天线,笔记本电脑散热管等。[5]具体应用如下: 

4.1 引线 

弥散强化铜拉成丝后,用作白炽灯的引线,其良好的高温强度保持能力便于玻璃芯柱压制,省去了昂贵的支承钼丝,而且其优良的冷加工性能和强度,可缩小线径,用较细的引线能将灯丝的热损失减少到最低,提高了灯泡的发光效率。弥散强化铜用作二极管等电子分立元件的引线,在气密封接时具有高温强度保持能力和刚性,能多次嵌入线路板中。 

4.2模具材料及结构件 

弥散强化铜材料可用作连铸模,Hazelett铸造机的侧墙板,滚焊轮,大电流焊接电缆,微波管零件和电气接插件等。 

4.3整流子 

弥散强化铜可制造直升飞机启动机马达的整流子,用它的高强度来抵消在高旋转速度下产生的高变形应力;弥散强化铜材料也可用作汽车燃料注射系统浸入式燃料泵的整流子,材料本身具有良好的耐磨性和耐腐蚀性,使整流子能在“酸性”汽油的环境下高效工作。 

4.4继电器铜片和触头支座 

在继电器中使用弥散强化铜铜片和触头支座,能使继电器可承载的电流增大,可以使设计小型化,提高了安全性和使用寿命。 

4.5弥散强化铜电阻焊电极 

弥散强化铜可以加工成各类点焊电极、电极帽、电极块、电极臂、缝焊轮等,主要用于汽车、器具、通讯、家电及设备制造等行业中,根据美国的电阻焊机制造者协会的标准(RWMA),属于Ⅱ类和某些Ⅲ类的焊接操作使用电极。

传统铬铜、锆铜或铬锆铜电极在焊接镀层金属(如镀锌钢板、镍带等)时,电极中的铬、锆和镀层中的锌、镍等活泼元素发生合金化,是造成焊接面的迅速破坏、电极的粘连和过早磨损的主要原因;需要经常停机、修理和更换电极、使生产系统付出的代价是极其昂贵的,这不仅仅是一个电极成本的问题。 

以前,国内不能生产弥散强化铜材料,进口材料的价格确实很难让客户接受,现在国产的弥散强化铜材料,以其良好的性能价格比优势,将迎来电阻焊  电极的弥散强化铜时代。  随着焊接生产线的自动化趋势,以及良好的耐腐蚀的镀锌钢板在汽车等行业的广泛应用,弥散强化铜电极越来越显示出它的独特的焊接性能优势。 

在焊接过程中,弥散强化铜电极的寿命是普通Ⅱ类铬-铜电极的4—10倍,电极头部形成蘑菇状的速率较慢,避免电极粘接工件,使修理和更换电极的停机时间缩短,焊接时也不用经常调大电流,节约了大量能源,提高了生产率。弥散强化铜电极的推广应用,是焊接生产线上的一次改革,它成功的为镀锌钢板的焊接提供了终端的解决方案。[6]汽车制造行业中  弥散强化铜电极与铜-铬电极的寿命比较见表2。 

在电子、电器、电真空、电池等行业的组装点焊中,针对铜、银、铝、镍等有色金属的焊接,弥散强化铜电极显示出超凡的焊接性能;焊接时,电机不易变形,不粘结,焊接质量好,焊点无痕迹。特别是显像管外壳、电池极片极耳等部件的焊接,对于电极的要求高,普通的铬锆铜电极基本无法进行,弥散强化铜  电极是该类焊接作业普遍选择的材料。[7] 

5结束语 

通过几代人的共同努力,国产氧化铝弥散强化铜已经有了充分发展,产品质量性能已达到了较高的水平,但工艺复杂。今后的研究重点是如何简化工艺以降低成本和进一步提高材料性能,同时要加强对一些新的制备方法,如复合电沉积法、真空混合铸造法、XD法的研究。还要积极开拓Al203/Cu复合材料新的应用领域,提高相关工业产业的生产效率。 

参考文献 

[1]王孟君,娄燕,张辉,彭大署.弥散强化铜电阻焊电极材料的研制[J].矿冶工程,2000,20(2):54—56. 

[2] 张家敏,亢若谷等.产业化制备弥散强化铜材料的性能及工艺研究[J].云南冶金,2004,33(6):25-30

[3]高闰丰,梅炳初等.弥散强化铜基复合材料的研究现状与展望[J].稀有金属快报,2005,24(8):1-6

[4]黄培云.粉末冶金原理.北京:冶金工业出版社[M].1982,401-412

[5]刘平,赵冬梅,田保红.高性能铜合金及其加工技术[M].北京:冶金工业出版社,2005,5:2-5

[6]王敏.电阻焊在汽车工业中的应用.电焊机[M].2003,1(33):1-6

[7]李文忠,矫洪智,李荣军.当今先进的汽车车身焊接技术[J].现代零部件.2006,(5):72-74

 

【 发布日期:2014-08-20 10:10 】本信息仅供参考,请谨慎采用,风险自负!