工程科学学报，第37卷，第5期：621625,2015年5月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.5:621-625,May 2015 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2015.05.013:http://journals.ustb.edu.cn 烧结温度对高速压制制备弥散强化铜材料导电率的 影响 李贺2》，尹海清)区，易善杰》，DilFaraz Khan',曹慧软”，张桐”， 曲选辉) 1)北京科技大学新材料技术研究院粉末治金研究所，北京1000832)长城汽车股份有限公司，保定071000 3)江苏常宝钢管股份有限公司，常州2130004)本努科技大学物理系，本努28100，巴基斯坦 ☒通信作者，E-mail:hqyin@usth.cdu.cn 摘要弥散强化铜材料具有高强度和高导电性的特性，孔洞是影响导电率的重要因素。本文采用高速压制成形技术，对 Al,0,质量分数为0.9%的弥散强化铜粉压制成形，研究了压制速度对生坯的影响.当压制速度为9.4ms时得到密度为 8.46g°℃m的生坯.研究了烧结温度对烧结所得A山，03弥散强化铜试样导电率的影响.当生坯密度相同时，烧结温度越高， 所得试样的导电率也越高.断口与金相分析表明：烧结温度为950℃时，烧结不充分，颗粒边界以及孔洞多而明显，孔洞形状 不规则：烧结温度为1080℃时，颗粒边界消失，孔洞圆化，韧窝出现，烧结坯的电导率为71.3%ICS. 关键词金属基复合材料：氧化物弥散强化：铜：氧化铝：高速压制：烧结温度：导电率 分类号TB333 Influence of sintering temperature on the electrical conductivity of Al,O,/Cu composites compacted by high velocity compaction LI He,YIN Hai-qing,YI Shanjie,DilFaraz Khan,CAO Hui-qin,ZHANG Tong,QU Xuan-hui 1)Laboratory of Powder Metallurgy,Institute of Advanced Materials,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Great Wall Motor Company Limited.Baoding071000.China 3)ChangBao Steel Pipe Company Limited,Changzhou 213000,China 4)Department of Physics,University of Science and Technology Bannu,Bannu 28100,Pakistan Corresponding author,E-mail:hqyin@ustb.edu.cn ABSTRACT Oxide dispersion strengthening (ODS)copper has the characteristics of both high strength and high conductivity.The porosity is an important factor influencing the electrical conductivity.0.9AlO/Cu powder was compacted by a high velocity compac- tion (HVC)technique.The influence of impact velocity on the green density of Al2O dispersion strengthening copper was studied, and the green density of 8.46gcmwas got at the impact velocity of 9.4ms.The dependence of the electrical conductivity on sin- tering temperature was investigated.The results from sintering steps showed that the higher the sintering temperature was,the higher the electrical conductivity was at the same green density level.Fracture surface and SEM observations indicated that the samples were inadequately sintered at the sintering temperature of950C,with particle boundaries and some pores being visible obviously.When the sintering temperature rose up to 1080C,the pores tended to spheroidize,the particle boundaries disappeared,and the dimples ap- peared on the fracture surface,showing a typical plastic fracture characteristic.The electrical conductivity of the sintered compacts was measured to be 71.3%IACS KEY WORDS metallic matrix composites:oxide dispersion strengthening:copper:alumina:high velocity compaction;sintering temperature:electrical conductivity 收稿日期：2013-12-29 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51172018)
工程科学学报，第 37 卷，第 5 期: 621--625，2015 年 5 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 5: 621--625，May 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 05． 013; http: / /journals． ustb． edu． cn 烧结温度对高速压制制备弥散强化铜材料导电率的 影响 李 贺1，2) ，尹 海 清1) ，易 善 杰3) ，DilFaraz Khan1，4) ，曹 慧 钦1) ，张 桐1) ， 曲选辉1) 1) 北京科技大学新材料技术研究院粉末冶金研究所，北京 100083 2) 长城汽车股份有限公司，保定 071000 3) 江苏常宝钢管股份有限公司，常州 213000 4) 本努科技大学物理系，本努 28100，巴基斯坦 通信作者，E-mail: hqyin@ ustb． edu． cn 摘 要 弥散强化铜材料具有高强度和高导电性的特性，孔洞是影响导电率的重要因素． 本文采用高速压制成形技术，对 Al2O3 质量分数为 0. 9% 的弥散强化铜粉压制成形，研究了压制速度对生坯的影响． 当压制速度为 9. 4 m·s － 1时得到密度为 8. 46 g·cm － 3的生坯． 研究了烧结温度对烧结所得 Al2O3 弥散强化铜试样导电率的影响． 当生坯密度相同时，烧结温度越高， 所得试样的导电率也越高． 断口与金相分析表明: 烧结温度为 950 ℃时，烧结不充分，颗粒边界以及孔洞多而明显，孔洞形状 不规则; 烧结温度为 1080 ℃时，颗粒边界消失，孔洞圆化，韧窝出现，烧结坯的电导率为 71. 3% IACS． 关键词 金属基复合材料; 氧化物弥散强化; 铜; 氧化铝; 高速压制; 烧结温度; 导电率 分类号 TB333 Influence of sintering temperature on the electrical conductivity of Al2O3 /Cu composites compacted by high velocity compaction LI He1，2) ，YIN Hai-qing1) ，YI Shan-jie3) ，DilFaraz Khan1，4) ，CAO Hui-qin1) ，ZHANG Tong1) ，QU Xuan-hui1) 1) Laboratory of Powder Metallurgy，Institute of Advanced Materials，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Great Wall Motor Company Limited，Baoding 071000，China 3) ChangBao Steel Pipe Company Limited，Changzhou 213000，China 4) Department of Physics，University of Science and Technology Bannu，Bannu 28100，Pakistan Corresponding author，E-mail: hqyin@ ustb． edu． cn 收稿日期: 2013--12--29 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51172018) ABSTＲACT Oxide dispersion strengthening ( ODS) copper has the characteristics of both high strength and high conductivity． The porosity is an important factor influencing the electrical conductivity． 0. 9Al2O3 /Cu powder was compacted by a high velocity compaction ( HVC) technique． The influence of impact velocity on the green density of Al2O3 dispersion strengthening copper was studied， and the green density of 8. 46 g·cm － 3was got at the impact velocity of 9. 4 m·s － 1 ． The dependence of the electrical conductivity on sintering temperature was investigated． The results from sintering steps showed that the higher the sintering temperature was，the higher the electrical conductivity was at the same green density level． Fracture surface and SEM observations indicated that the samples were inadequately sintered at the sintering temperature of 950 ℃，with particle boundaries and some pores being visible obviously． When the sintering temperature rose up to 1080 ℃，the pores tended to spheroidize，the particle boundaries disappeared，and the dimples appeared on the fracture surface，showing a typical plastic fracture characteristic． The electrical conductivity of the sintered compacts was measured to be 71. 3% IACS． KEY WOＲDS metallic matrix composites; oxide dispersion strengthening; copper; alumina; high velocity compaction; sintering temperature; electrical conductivity
·622. 工程科学学报，第37卷，第5期 弥散强化铜是指以陶瓷颗粒为弥散增强相、铜及 弥散强化铜合金的成形方法有许多种，一般需要 铜合金为基体的复合材料.细小而坚硬的陶瓷粒子弥 热挤压和冷拉拔或冷轧等变形处理的.但是，这些成 散分布在铜基体上，阻碍了位错运动，大大提高了基体 形方法费用高，得到的坯料需要再加工才能获得所需 的室温、高温强度和稳定性刀.由于其具有高强度、 零件形状，延长了零件的生产周期，降低了生产效率， 高导电性能、抗磨损性能和抗高温软化性能，被广泛应 而高速压制作为一种近终成形技术就有了独特的优 用于触头材料、导电弹性材料、电极材料等5， 势.弥散强化铜多用于导电及电极材料，因此导电率 成为铜基复合材料研究的热点. 就成为了评判弥散强化铜材料性能优劣的一个重要指 粉末高速压制技术(high velocity compaction, 标.本文采用高速压制方法得到A,0,弥散强化铜生 HVC)是瑞典的Hoganas AB公司在2001年基于 坯，选取密度较高的生坯在不同温度下烧结得到烧结 Hydro-pulsor公司生产的高速压制成形机而推介的一 件，通过研究不同烧结温度下的烧结件断口形貌及金 项新技术.高速压制成形原理是通过应力波在粉体中 相照片，得到烧结温度对AL,03弥散强化铜导电率的 传播使粉末致密，从而提高产品密度，使得产品性能得 影响规律 以提升口.高速压制的压制速度比传统的压制方法 快500~1000倍网，压机锤头速度可达2~30ms, 1实验 液压驱动的锤头质量达5~1200kg,压制压力在600~ 1.1实验原料 2000MPa,粉末在0.02s之内通过高能量冲击进行压 使用帕迪克(PDK)粉末治金制品有限公司用原 制.由于成形原理的特殊性，高速压制技术具有密度 位还原法生产的弥散强化铜粉，粒度<45.7um,粉 高且分布均匀、径向弹性后效小容易脱模、生产率高、 末特性和显微形貌分别如表1和图1所示.d。、do 成本低等诸多优势，因此高速压制技术被认为是粉末 和d分别代表半径在10um以下、10~50um之间 治金行业寻求低成本高密度材料加工技术的又一次新 和50~90μm的颗粒的粒径.压制时无润滑剂或粘 突破o-1国 结剂添加 表1弥散强化铜粉特性 Table 1 Characteristics of dispersion strengthening copper powders Cu质量分数/ A山203质量 松装密度/ 振实密度/ 理论密度/ 颗粒尺寸/μm % 分数/% (g*cm-3) (g*cm-3) (g*em-3) dio dso 99.1 0.9 2.83 3.58 8.74 15.49828.077 45.627 压坯在H2保护气氛下通过GSL-1600型管式烧 结炉在不同温度下烧结，烧结时间为2h,得到烧结件. 采用阿基米德法测得试样密度，粉末的形貌和断口形 貌通过JSM6510A型扫描电镜上进行分析，抗拉强度 在Instrong5569型万能力学试验机上测试.金相组织 观察在MV6000金相显微镜上进行.电导率在AT510 电阻测试仪上采用四端法依照GB/T351一1995标准 得到. 1.000 2实验结果与讨论 图1弥散强化铜粉形貌 Fig.1 SEM morphology of dispersion-strengthening electrolytic cop- 2.1高速压制成形及烧结 per powders 图2所示为冲击速度与压坯密度之间的关系.由 1.2实验设备及方案 图2所知，随着冲击速度增加，生坯密度逐渐提高.冲 实验在南京希顿东部精密机械有限公司生产的 击速度越大，压制能量也就越大，在粉末体成形过程 HYP35-2型高速压制成形压机进行，最大压制行程80 中，随着成形压力的增加，孔隙减少，压坯逐渐致密化 mm,最大压制能量2120J.高速压制时冲击能量为锤 当压制速度从7.1m·s增加到9.4m·s时，生坯密 头力所做的功与锤头重力势能之和，高速压制时冲程 度从8.002gcm3增加到8.460gcm3,且压制速度为 越大，能量越大，冲击速度也就越大.模具采用内径 9.4m·s的生坯相对密度为96.8%.选取冲击速度为 b25mm的圆柱形模具，压制时装粉高度为20mm. 9.4m·s得到的生坯在不同的温度下烧结，研究烧结
工程科学学报，第 37 卷，第 5 期 弥散强化铜是指以陶瓷颗粒为弥散增强相、铜及 铜合金为基体的复合材料． 细小而坚硬的陶瓷粒子弥 散分布在铜基体上，阻碍了位错运动，大大提高了基体 的室温、高温强度和稳定性［1 － 2］． 由于其具有高强度、 高导电性能、抗磨损性能和抗高温软化性能，被广泛应 用于触头材料［3］、导电弹性材料［4］、电极材料等［5 － 6］， 成为铜基复合材料研究的热点． 粉末 高 速 压 制 技 术 ( high velocity compaction， HVC) 是 瑞 典 的 Hoganas AB 公 司 在 2001 年 基 于 Hydro--pulsor 公司生产的高速压制成形机而推介的一 项新技术． 高速压制成形原理是通过应力波在粉体中 传播使粉末致密，从而提高产品密度，使得产品性能得 以提升［7 － 8］． 高速压制的压制速度比传统的压制方法 快 500 ～ 1000 倍［9］，压机锤头速度可达 2 ～ 30 m·s － 1， 液压驱动的锤头质量达 5 ～ 1200 kg，压制压力在 600 ～ 2000 MPa，粉末在 0. 02 s 之内通过高能量冲击进行压 制． 由于成形原理的特殊性，高速压制技术具有密度 高且分布均匀、径向弹性后效小容易脱模、生产率高、 成本低等诸多优势，因此高速压制技术被认为是粉末 冶金行业寻求低成本高密度材料加工技术的又一次新 突破［10 － 13］． 弥散强化铜合金的成形方法有许多种，一般需要 热挤压和冷拉拔或冷轧等变形处理［14］． 但是，这些成 形方法费用高，得到的坯料需要再加工才能获得所需 零件形状，延长了零件的生产周期，降低了生产效率， 而高速压制作为一种近终成形技术就有了独特的优 势． 弥散强化铜多用于导电及电极材料，因此导电率 就成为了评判弥散强化铜材料性能优劣的一个重要指 标． 本文采用高速压制方法得到 Al2O3 弥散强化铜生 坯，选取密度较高的生坯在不同温度下烧结得到烧结 件，通过研究不同烧结温度下的烧结件断口形貌及金 相照片，得到烧结温度对 Al2O3 弥散强化铜导电率的 影响规律． 1 实验 1. 1 实验原料 使用帕迪克( PDK) 粉末冶金制品有限公司用原 位还原法生产的弥散强化铜粉，粒度 ＜ 45. 7 μm，粉 末特性和显微形貌分别如表 1 和图 1 所示． d10、d50 和 d90分别代表半径在 10 μm 以下、10 ～ 50 μm 之间 和 50 ～ 90 μm 的颗粒的粒径． 压制时无润滑剂或粘 结剂添加． 表 1 弥散强化铜粉特性 Table 1 Characteristics of dispersion strengthening copper powders Cu 质量分数/ % Al2O3 质量 分数/% 松装密度/ ( g·cm － 3 ) 振实密度/ ( g·cm － 3 ) 理论密度/ ( g·cm － 3 ) 颗粒尺寸/μm d10 d50 d90 99. 1 0. 9 2. 83 3. 58 8. 74 15. 498 28. 077 45. 627 图 1 弥散强化铜粉形貌 Fig． 1 SEM morphology of dispersion-strengthening electrolytic copper powders 1. 2 实验设备及方案 实验在南京希顿东部精密机械有限公司生产的 HYP35--2 型高速压制成形压机进行，最大压制行程 80 mm，最大压制能量 2120 J． 高速压制时冲击能量为锤 头力所做的功与锤头重力势能之和，高速压制时冲程 越大，能量越大，冲击速度也就越大． 模具采用内径 25 mm 的圆柱形模具，压制时装粉高度为 20 mm． 压坯在 H2 保护气氛下通过 GSL--1600 型管式烧 结炉在不同温度下烧结，烧结时间为 2 h，得到烧结件． 采用阿基米德法测得试样密度，粉末的形貌和断口形 貌通过 JSM6510A 型扫描电镜上进行分析，抗拉强度 在 Instrong5569 型万能力学试验机上测试． 金相组织 观察在 MV6000 金相显微镜上进行． 电导率在 AT510 电阻测试仪上采用四端法依照 GB / T351—1995 标准 得到． 2 实验结果与讨论 2. 1 高速压制成形及烧结 图 2 所示为冲击速度与压坯密度之间的关系． 由 图 2 所知，随着冲击速度增加，生坯密度逐渐提高． 冲 击速度越大，压制能量也就越大，在粉末体成形过程 中，随着成形压力的增加，孔隙减少，压坯逐渐致密化． 当压制速度从 7. 1 m·s － 1 增加到 9. 4 m·s － 1 时，生坯密 度从 8. 002 g·cm － 3增加到 8. 460 g·cm － 3，且压制速度为 9. 4 m·s － 1的生坯相对密度为96. 8% ． 选取冲击速度为 9. 4 m·s － 1得到的生坯在不同的温度下烧结，研究烧结 · 226 ·
李贺等：烧结温度对高速压制制备弥散强化铜材料导电率的影响 ·623 温度对弥散强化铜导电率的影响 中，A=exp(S,/K),L为形成一个空位所需的内能，S 8.6 为空位改变它周围原子的振动引起的振动熵，K为玻 8.5 尔兹曼常数 8.4 8.56 8.3 8.54 8.2 8.52 81 8.50 19 8.48 5 7.0 7.58.08.59.09.510.0 冲击速度(m·s)） 8.46 图2冲击速度对生坯密度的影响 94096098010001020104010601080 Fig.2 Green density as a function of impact velocity 烧结温度PC 图3烧结温度对烧结密度的影响 一般来说，压坯密度越高，烧结后所得密度也越 Fig.3 Effect of sintering temperature on the sintered density 高，压坯密度高是烧结后密度高的一个前提.图3所 示为烧结温度对烧结密度的影响关系.由图3可知， 2.2烧结温度对导电率的影响 当烧结温度从950℃升至1080℃时，烧结密度从8.47 导电体是容易导电的物体，即是能够让电流通过 gcm3提高到8.55gcm3,当烧结温度为1080℃时获 材料：不容易导电的物体叫绝缘体.铜是良好的导体， 得的相对密度为97.8%，烧结密度与烧结温度为正相 山，0，是绝缘体.金属导体里面有自由移动的电子，导 关关系.高密度的压坯孔隙较少，颗粒之间结合紧密， 电的原因是自由电子的移动，因此凡是阻碍自由电子 对烧结过程中的物质迁移阻碍较小.由菲克扩散第一 移动的因素都成为导致导电率降低的原因.影响弥散 定律可知，扩散速度取决于两个因素，一个是扩散系数 强化铜合金导电率的原因有：(1)铜在合金中的体积 D,另一个是浓度梯度dC/dx.扩散系数计算公式为 分数.体积分数越大，导电率越大.(2)所得烧结后弥 D=D。exp(-Q/RT), 散强化铜合金孔隙率.孔隙率越高导电率越低.(3) 式中，Q为扩散激活能，R为摩尔气体常数，T为热力 烧结所得弥散强化铜合金的孔隙形状.孔隙形状为圆 学温度.即温度越高，扩散系数越大，扩散作用越 形时，相同体积的孔隙所占面积较少，有利于电子的传 明显阿 导，不规则形状的孔隙会导致孔隙面积增大，减弱了电 烧结时，随着烧结温度的逐渐升高，在变形的颗 子在某些方向移动的能力.(4)颗粒之间的结合方式 粒内发生回复，改组为新晶粒，烧结进行过程中体积 相较于颗粒边界，自由电子更容易通过晶粒边界.(5) 扩散和晶界扩散起主导作用，体积迁移过程将会在 晶粒尺寸.晶粒越大自由电子移动时通过晶界越少， 颗粒之间的空间（例如烧结颈发生长大的地方）逐渐 自由电子受阻碍也就越少. 进行，粉末颗粒之间开始产生金属联接，即烧结颈， 图4所示为烧结温度与烧结件的导电率之间的关 颗粒之间以范德瓦耳斯力为主的弱连接转变为相对 系.由图4所知，随着烧结温度的增加，烧结件的导电 较强的晶体接触，强度开始增加.在高温保温阶段 时，在表面张力的作用下，颗粒之间的位置重新调整 72 与排列.烧结的主要过程（如扩散和流动）充分进行 并接近完成，粉末颗粒之间的结合方式也会发生变 69 化，颗粒之间接触增大而成界面，颗粒边界逐渐消 SOVI 66 失，气孔球化和收缩，形成大量闭孔.由晶体中空位 63 平衡浓度公式 C=Ae-W/Kr 60 可知，温度升高，空位浓度增大，从而加速了烧结过程 57 中的物质传递和致密化速率·a.也就是说，烧结温度 越高，物质传递的速率越高，烧结致密化过程所需时间 94096098010001020104010601080 烧结温度严C 就越短，相同条件下烧结的试样密度就越高，烧结后颗 图4烧结温度对导电率的影响 粒边界就越少，烧结孔隙球化的越充分，晶粒越大.式 Fig.4 Effect of sintering temperature on the electrical conductivity
李 贺等: 烧结温度对高速压制制备弥散强化铜材料导电率的影响 温度对弥散强化铜导电率的影响． 图 2 冲击速度对生坯密度的影响 Fig． 2 Green density as a function of impact velocity 一般来说，压坯密度越高，烧结后所得密度也越 高，压坯密度高是烧结后密度高的一个前提． 图 3 所 示为烧结温度对烧结密度的影响关系． 由图 3 可知， 当烧结温度从 950 ℃升至 1080 ℃时，烧结密度从 8. 47 g·cm － 3提高到8. 55 g·cm － 3，当烧结温度为1080 ℃时获 得的相对密度为 97. 8% ，烧结密度与烧结温度为正相 关关系． 高密度的压坯孔隙较少，颗粒之间结合紧密， 对烧结过程中的物质迁移阻碍较小． 由菲克扩散第一 定律可知，扩散速度取决于两个因素，一个是扩散系数 D，另一个是浓度梯度 dC/ dx． 扩散系数计算公式为 D = D0 exp( － Q /ＲT) ， 式中，Q 为扩散激活能，Ｒ 为摩尔气体常数，T 为热力 学温度． 即 温 度 越 高，扩 散 系 数 越 大，扩 散 作 用 越 明显［15］． 烧结时，随着烧结温度的逐渐升高，在变形的颗 粒内发生回复，改组为新晶粒，烧结进行过程中体积 扩散和晶界扩散起主导作用，体积迁移过程将会在 颗粒之间的空间( 例如烧结颈发生长大的地方) 逐渐 进行，粉末颗粒之间开始产生金属联接，即烧结颈， 颗粒之间以范德瓦耳斯力为主的弱连接转变为相对 较强的晶体接触，强 度 开 始 增 加． 在 高 温 保 温 阶 段 时，在表面张力的作用下，颗粒之间的位置重新调整 与排列． 烧结的主要过程( 如扩散和流动) 充分进行 并接近完成，粉末颗粒之间的结合方式也会发生变 化，颗粒之 间 接 触 增 大 而 成 界 面，颗 粒 边 界 逐 渐 消 失，气孔球化和收缩，形成大量闭孔． 由晶体中空位 平衡浓度公式 C = Ae － μ /KT 可知，温度升高，空位浓度增大，从而加速了烧结过程 中的物质传递和致密化速率［16］． 也就是说，烧结温度 越高，物质传递的速率越高，烧结致密化过程所需时间 就越短，相同条件下烧结的试样密度就越高，烧结后颗 粒边界就越少，烧结孔隙球化的越充分，晶粒越大． 式 中，A = exp( Sf /K) ，μ 为形成一个空位所需的内能，Sf 为空位改变它周围原子的振动引起的振动熵，K 为玻 尔兹曼常数． 图 3 烧结温度对烧结密度的影响 Fig． 3 Effect of sintering temperature on the sintered density 2. 2 烧结温度对导电率的影响 导电体是容易导电的物体，即是能够让电流通过 材料; 不容易导电的物体叫绝缘体． 铜是良好的导体， Al2O3 是绝缘体． 金属导体里面有自由移动的电子，导 电的原因是自由电子的移动，因此凡是阻碍自由电子 移动的因素都成为导致导电率降低的原因． 影响弥散 强化铜合金导电率的原因有: ( 1) 铜在合金中的体积 分数． 体积分数越大，导电率越大． ( 2) 所得烧结后弥 散强化铜合金孔隙率． 孔隙率越高导电率越低． ( 3) 烧结所得弥散强化铜合金的孔隙形状． 孔隙形状为圆 形时，相同体积的孔隙所占面积较少，有利于电子的传 导，不规则形状的孔隙会导致孔隙面积增大，减弱了电 子在某些方向移动的能力． ( 4) 颗粒之间的结合方式． 相较于颗粒边界，自由电子更容易通过晶粒边界． ( 5) 晶粒尺寸． 晶粒越大自由电子移动时通过晶界越少， 自由电子受阻碍也就越少． 图 4 烧结温度对导电率的影响 Fig． 4 Effect of sintering temperature on the electrical conductivity 图 4 所示为烧结温度与烧结件的导电率之间的关 系． 由图 4 所知，随着烧结温度的增加，烧结件的导电 · 326 ·
·624· 工程科学学报，第37卷，第5期 率逐渐增加.当烧结温度从950℃增加到1080℃时， 结温度为950℃时烧结件的断口形貌.烧结件做拉伸 导电率从57.3%IACS增加到71.3%IACS.烧结温度 时延伸率小于5%，基本没有塑性变形，断口表面齐 从950℃增加到1030℃时导电率较低且变化比较缓 平，颗粒立体感强颗粒边界清晰可见，颗粒边界上有显 慢，这是因为弥散强化铜压坯烧结不充分，颗粒边界以 微空洞，说明950℃时烧结不充分，出现的完整颗粒形 及孔洞较多，孔洞形状不规则，颗粒与颗粒之间存在较 貌和颗粒之间清晰的间隙解释了导电率低的原因.图 多的间隙，阻碍电子的传导，导致导电率较低，烧结温 5(b)为1030℃下烧结的试样断口.相较于图5(a),颗 度升到1030℃时颗粒边界较多的现象依旧没有得到 粒的原始边界比较模糊，颗粒边界处孔洞减少，没有完 改善.烧结温度从1030℃升到1080℃时，导电率增加 整的颗粒边界出现.图5(c)为1080℃烧结的试样断 较快，在烧结温度为1080℃时达到71.3%ICS.Rajk- 口.从图中明显可见原始颗粒边界已经无法分辨，孔 ovic等用热等静压法（压力35MPa,800℃下烧结1 洞较图5(a)和图5(b)明显减少，断口表面大量的韧 h)得到的4AL,0,/Cu烧结件导电率为47%IACS,低于 窝（如图6）出现说明了在断裂过程中出现强烈的塑性 本研究得到导电率值.这是因为：(1)AL,0是电的绝 变形，基体结合强度增高.这是因为在合适的烧结温 缘体，随着A山20，体积分数的增加，使金属C山的体积 度下，颗粒与颗粒界面之间可以进行界面间的结合反 分数下降，从而致使导电率降低：(2)A1203的存在阻 应，在结合的过程中有元素的扩散，使颗粒由原来的机 碍位错运动以及致密化过程，导致位错增值以及密度 械啮合变成原子间的相互扩散而形成的粘结面，颗粒 减低，使电子波散射，电阻率增加：(3)AL,0,阻碍晶粒 之间的联接方式发生转变.从图6中可以看出，韧窝 长大造成导电率下降71 尺寸较为均匀，少量韧窝尺寸较大，且孔洞已经圆化 在拉伸过程中，颗粒边界处的强度比较低，断口比 断口分析表明，烧结温度越高，基体的结合强度越高， 较容易显示出颗粒边界处的一些特征.图5(a)为烧 导电率越高 10 um 图5不同烧结温度下的断口形貌.(a)950℃：(b)1030℃：(c)1080℃ Fig.5 Fracture surface morphology of samples sintered at different temperatures:(a)950℃；(b)1030℃：(c）l080℃ 颗粒边界进一步减少，但是仍有颗粒边界存在.金相 分析表明：随着烧结温度升高，颗粒边界及孔洞逐渐减 少.金相分析得到的结果与烧结温度对导电率的影响 规律是一致的 3结论 本实验研究了高速压制成形A山，0，弥散强化铜粉 坯体在不同温度下烧结的行为特征，以及烧结温度对 2 10m 坯体的密度、力学性能以及导电率等性能的影响，得到 图61080℃温度烧结下的试样断口韧窝 如下结论： Fig.6 Dimples on the fracture surface of samples sintered at 1080 C (1)当烧结在950~1080℃温度区间烧结时，烧 图7(a)、图7(b)和图7(c)分别是在950、1050和 结温度越高，坯体的密度与强度越高，导电率也越高： 1080℃烧结温度下得到的未侵蚀的试样金相照片.从 (2)提高烧结温度促进颗粒间的烧结颈的形成、 图7(a)可以看出颗粒边界大量存在，边界处孔洞很 颗粒表面向晶界的转变、孔洞圆化等过程，进一步证明 多，孔洞主要出现在较大应力集中的增强相处及颗粒 烧结温度对扩散机制为主要烧结机制控制下的烧结过 界面结合较弱的地方.图7(b)可以看出相较于图7 程的影响规律； ()颗粒边界明显减少，孔洞也有所减小.图7(c)中 (3)当高速压制的冲击速度为9.4m·s时得到
工程科学学报，第 37 卷，第 5 期 率逐渐增加． 当烧结温度从 950 ℃ 增加到 1080 ℃ 时， 导电率从 57. 3% IACS 增加到 71. 3% IACS． 烧结温度 从 950 ℃增加到 1030 ℃ 时导电率较低且变化比较缓 慢，这是因为弥散强化铜压坯烧结不充分，颗粒边界以 及孔洞较多，孔洞形状不规则，颗粒与颗粒之间存在较 多的间隙，阻碍电子的传导，导致导电率较低，烧结温 度升到 1030 ℃时颗粒边界较多的现象依旧没有得到 改善． 烧结温度从 1030 ℃升到 1080 ℃时，导电率增加 较快，在烧结温度为 1080 ℃时达到 71. 3% IACS． Ｒajkovic 等［6］用热等静压法( 压力 35 MPa，800 ℃ 下烧结 1 h) 得到的 4Al2O3 /Cu 烧结件导电率为 47% IACS，低于 本研究得到导电率值． 这是因为: ( 1) Al2O3 是电的绝 缘体，随着 Al2O3 体积分数的增加，使金属 Cu 的体积 分数下降，从而致使导电率降低; ( 2) Al2O3 的存在阻 碍位错运动以及致密化过程，导致位错增值以及密度 减低，使电子波散射，电阻率增加; ( 3) Al2O3 阻碍晶粒 长大造成导电率下降［17 － 18］． 在拉伸过程中，颗粒边界处的强度比较低，断口比 较容易显示出颗粒边界处的一些特征． 图 5( a) 为烧 结温度为 950 ℃时烧结件的断口形貌． 烧结件做拉伸 时延伸率小于 5% ，基本没有塑性变形，断口表面齐 平，颗粒立体感强颗粒边界清晰可见，颗粒边界上有显 微空洞，说明 950 ℃时烧结不充分，出现的完整颗粒形 貌和颗粒之间清晰的间隙解释了导电率低的原因． 图 5( b) 为1030 ℃下烧结的试样断口． 相较于图5( a) ，颗 粒的原始边界比较模糊，颗粒边界处孔洞减少，没有完 整的颗粒边界出现． 图 5( c) 为 1080 ℃ 烧结的试样断 口． 从图中明显可见原始颗粒边界已经无法分辨，孔 洞较图 5( a) 和图 5( b) 明显减少，断口表面大量的韧 窝( 如图 6) 出现说明了在断裂过程中出现强烈的塑性 变形，基体结合强度增高． 这是因为在合适的烧结温 度下，颗粒与颗粒界面之间可以进行界面间的结合反 应，在结合的过程中有元素的扩散，使颗粒由原来的机 械啮合变成原子间的相互扩散而形成的粘结面，颗粒 之间的联接方式发生转变． 从图 6 中可以看出，韧窝 尺寸较为均匀，少量韧窝尺寸较大，且孔洞已经圆化． 断口分析表明，烧结温度越高，基体的结合强度越高， 导电率越高． 图 5 不同烧结温度下的断口形貌． ( a) 950 ℃ ; ( b) 1030 ℃ ; ( c) 1080 ℃ Fig． 5 Fracture surface morphology of samples sintered at different temperatures: ( a) 950 ℃ ; ( b) 1030 ℃ ; ( c) 1080 ℃ 图 6 1080 ℃温度烧结下的试样断口韧窝 Fig． 6 Dimples on the fracture surface of samples sintered at 1080 ℃ 图 7( a) 、图 7( b) 和图 7( c) 分别是在 950、1050 和 1080 ℃烧结温度下得到的未侵蚀的试样金相照片． 从 图 7( a) 可以看出颗粒边界大量存在，边界处孔洞很 多，孔洞主要出现在较大应力集中的增强相处及颗粒 界面结合较弱的地方． 图 7 ( b) 可以看出相较于图 7 ( a) 颗粒边界明显减少，孔洞也有所减小． 图 7( c) 中 颗粒边界进一步减少，但是仍有颗粒边界存在． 金相 分析表明: 随着烧结温度升高，颗粒边界及孔洞逐渐减 少． 金相分析得到的结果与烧结温度对导电率的影响 规律是一致的． 3 结论 本实验研究了高速压制成形 Al2O3 弥散强化铜粉 坯体在不同温度下烧结的行为特征，以及烧结温度对 坯体的密度、力学性能以及导电率等性能的影响，得到 如下结论: ( 1) 当烧结在 950 ～ 1080 ℃ 温度区间烧结时，烧 结温度越高，坯体的密度与强度越高，导电率也越高; ( 2) 提高烧结温度促进颗粒间的烧结颈的形成、 颗粒表面向晶界的转变、孔洞圆化等过程，进一步证明 烧结温度对扩散机制为主要烧结机制控制下的烧结过 程的影响规律; ( 3) 当高速压制的冲击速度为 9. 4 m·s － 1时得到 · 426 ·
李贺等：烧结温度对高速压制制备弥散强化铜材料导电率的影响 ·625 50 um 50μm 50m 图7不同烧结温度下的试样金相照片.(a)950℃：(b)1050℃：(c)1080℃ Fig.7 Scanning electron micrographs of samples sintered at different temperatures:(a)950℃：(b)l0s0℃：(c)l080℃ 的生坯在1080℃烧结后，坯体的密度为8.55g·cm, compaction technology in powder metallurgy.Mater Rer,2007, 导电率为71.3%IACS. 21(7):79 (周晟宇，尹海清，曲选辉.粉末治金高速压制技术的研究进 参考文献 展.材料导报，2007,21(7)：79) [11]QU X H,Yin H Q.Development of powder high velocity com- [1]Liu B X,Han B J,Chen Y S.Sol-gel used in Al2O3 /Cu metal paction technology,Mater China,2010,29(2):45 matri.Foundry,2006,55(3):252 (曲选辉，尹海清.粉末高速压制技术的发展现状.中国材 (刘柏雄，韩宝军，陈一胜.溶胶凝胶法制备A山20，弥散强化 料进展，2010,29(2)：45) 铜基复合材料的研究.铸造，2006,55(3)：252) 02] Dore F,Lazzarotto L,Bourdin S.High velocity compaction: 2] Cao X J,Li NN.The effects of internal oxidation treatment on overview of materials,application and potential.Mater Sci Fo- properties of Al2O3 particles in dispersion-strengthened oxygen- um,2007,534536(1):293 free copper powder and the microhardness of the powder.Mater 13] Ma C Y.Xiao ZY,Li C J,et al.Recent progress on high veloc- Sci Eng Powder Metall,2002,7(2)144 ity compaction technology in powder metallurgy.Pouder Metall (曹先杰，李娜娜.内氧化工艺对弥散强化铜中A山203质点特 md,2012,22(2):55 性和粉末显微硬度的影响.粉末治金材料科学与工程，2002， (马春宇，肖志瑜，李超杰，等.粉末治金高速压制成形技术 7(2):144) 最新研究进展.粉末治金工业，2012,22(2)：55) [3]Wang X W,Yuan S,Song W F.Development of Al2O /Cu com- [14]Zhang X N,Zhang D W,Zhao D M,et al.Study on microstrue- posite.Spec Cast Nonferrous Alloys,1998(5):50 ture of hot-extruded dispersion-strengthed Al,O/Cu composite. (王武孝，袁森，宋文峰.A山20，/Cu复合材料的研究进展.特 Hot Work Technol,2007,36(2)7 种铸造及有色金属，1998(5)：50) (张晓楠，张旦闻，赵冬梅，等.热压态A山O弥散强化铜的 4]Wen H Q,Mao X M,Xu K D.Progress of researches on copper 组织研究.热加工工艺，2007,36(2)：7) cable materials.Mater Rer,1998,12 (1):25 05] Cui Z Q.Metallurgy and Heat Treatment.Beijing:China Ma- (温宏权，毛协民，徐匡迪.铜电车线材料的研究进展。材料 chine Press,2001:231 导报，1998,12(1)：25) (崔忠圻.金属学与热处理.北京：机械工业出版社，2001： 5]Rajkovic V,Bozic D,Jovanivie M T.Properties of copper matrix 231) reinforced with various size and amount of Al,O particles.J Ma- [16]Zhao M,Guo Y K,Yu Z M,et al.Influence of sintering temper- ter Process Technol,2008,200(13):106 atureondensification and flexural strength of stainless steel [6]Rajkovic V,Bozic D.Jovanivic MT.Effects of copper and Al2O (316L).JHarbin Unin Sci Technol,2000,5(3)105 particles on characteristics of Cu-Al2O,composites.Mater Des, (赵密，郭英奎，俞泽民，等.烧结温度对不锈钢(316L)致 2010,31(4):1962 密性及及强度的影响.哈尔滨理工大学学报，2000,5(3)： ]Skoglund P.High density PM parts by high velocity compaction. 105) Pouder Metall,2001,44(3):199 [17]Zhang L.N.Effects of Al,O:content on the properties of [8]Sethi G,Hauck E.German R M.High velocity compaction com- dispersion strengthened copper-base composite.South Met,2006 pared with conventional compaction.Mater Sci Technol,2006.22 (6):49 (8):955 (张丽娜.A山20，含量对A山203弥散强化铜基复合材料性能 Wang J Z,Qu X H,Yin H Q,et al.Research progress of high 的影响.南方金属，2006(6)：49) velocity compaction technology for high densification of powder [18]Li M X,Luo J,Guo Z M,et al.Manufacture in industrialization metallurgy.Mater Mech Eng,2008,32(9):5) and study on nanoAl2O;dispersion strengthened copper compos- (王建忠，曲选辉，尹海清，等.粉末治金高致密化高速压制技 ite.Mater Rev,2010,24(1):50 术的研究进展.机械工程材料，2008,32(9)：5) (李美霞，罗骥，郭志猛，等.纳米A03弥散强化铜复合材 [10]Zhou S Y,Yin H Q,Qu X H.Research status of high velocity 料的产业化制备及研究.材料导报，2010,24(1)：50)
李 贺等: 烧结温度对高速压制制备弥散强化铜材料导电率的影响 图 7 不同烧结温度下的试样金相照片． ( a) 950 ℃ ; ( b) 1050 ℃ ; ( c) 1080 ℃ Fig． 7 Scanning electron micrographs of samples sintered at different temperatures: ( a) 950 ℃ ; ( b) 1050 ℃ ; ( c) 1080 ℃ 的生坯在 1080 ℃烧结后，坯体的密度为 8. 55 g·cm － 3， 导电率为 71. 3% IACS． 参 考 文 献 ［1］ Liu B X，Han B J，Chen Y S． Sol-gel used in Al2O3 /Cu metal matrix． Foundry，2006，55( 3) : 252 ( 刘柏雄，韩宝军，陈一胜． 溶胶--凝胶法制备 Al2O3 弥散强化 铜基复合材料的研究． 铸造，2006，55( 3) : 252) ［2］ Cao X J，Li N N． The effects of internal oxidation treatment on properties of Al2O3 particles in dispersion-strengthened oxygenfree copper powder and the microhardness of the powder． Mater Sci Eng Powder Metall，2002，7( 2) : 144 ( 曹先杰，李娜娜． 内氧化工艺对弥散强化铜中 Al2O3 质点特 性和粉末显微硬度的影响． 粉末冶金材料科学与工程，2002， 7( 2) : 144) ［3］ Wang X W，Yuan S，Song W F． Development of Al2O3 /Cu composite． Spec Cast Nonferrous Alloys，1998( 5) : 50 ( 王武孝，袁森，宋文峰． Al2O3 /Cu 复合材料的研究进展． 特 种铸造及有色金属，1998( 5) : 50) ［4］ Wen H Q，Mao X M，Xu K D． Progress of researches on copper cable materials． Mater Ｒev，1998，12( 1) : 25 ( 温宏权，毛协民，徐匡迪． 铜电车线材料的研究进展． 材料 导报，1998，12( 1) : 25) ［5］ Ｒajkovic V，Bozic D，Jovanivic M T． Properties of copper matrix reinforced with various size and amount of Al2O3 particles． J Mater Process Technol，2008，200( 1-3) : 106 ［6］ Ｒajkovic V，Bozic D，Jovanivic M T． Effects of copper and Al2O3 particles on characteristics of Cu--Al2O3 composites． Mater Des， 2010，31( 4) : 1962 ［7］ Skoglund P． High density P M parts by high velocity compaction． Powder Metall，2001，44( 3) : 199 ［8］ Sethi G，Hauck E，German Ｒ M． High velocity compaction compared with conventional compaction． Mater Sci Technol，2006，22 ( 8) : 955 ［9］ Wang J Z，Qu X H，Yin H Q，et al． Ｒesearch progress of high velocity compaction technology for high densification of powder metallurgy． Mater Mech Eng，2008，32( 9) : 5) ( 王建忠，曲选辉，尹海清，等． 粉末冶金高致密化高速压制技 术的研究进展． 机械工程材料，2008，32( 9) : 5) ［10］ Zhou S Y，Yin H Q，Qu X H． Ｒesearch status of high velocity compaction technology in powder metallurgy． Mater Ｒev，2007， 21( 7) : 79 ( 周晟宇，尹海清，曲选辉． 粉末冶金高速压制技术的研究进 展． 材料导报，2007，21( 7) : 79) ［11］ QU X H，Yin H Q． Development of powder high velocity compaction technology，Mater China，2010，29( 2) : 45 ( 曲选辉，尹海清． 粉末高速压制技术的发展现状． 中国材 料进展，2010，29( 2) : 45) ［12］ Dore F，Lazzarotto L，Bourdin S． High velocity compaction: overview of materials，application and potential． Mater Sci Forum，2007，534-536( 1) : 293 ［13］ Ma C Y，Xiao Z Y，Li C J，et al． Ｒecent progress on high velocity compaction technology in powder metallurgy． Powder Metall Ind，2012，22( 2) : 55 ( 马春宇，肖志瑜，李超杰，等． 粉末冶金高速压制成形技术 最新研究进展． 粉末冶金工业，2012，22( 2) : 55) ［14］ Zhang X N，Zhang D W，Zhao D M，et al． Study on microstructure of hot-extruded dispersion-strengthed Al2O3 /Cu composite． Hot Work Technol，2007，36( 2) : 7 ( 张晓楠，张旦闻，赵冬梅，等． 热压态 Al2O3 弥散强化铜的 组织研究． 热加工工艺，2007，36( 2) : 7) ［15］ Cui Z Q． Metallurgy and Heat Treatment． Beijing: China Machine Press，2001: 231 ( 崔忠圻． 金属学与热处理． 北京: 机械工业出版社，2001: 231) ［16］ Zhao M，Guo Y K，Yu Z M，et al． Influence of sintering temperatureondensification and flexural strength of stainless steel ( 316L) ． JHarbin Univ Sci Technol，2000，5( 3) : 105 ( 赵密，郭英奎，俞泽民，等． 烧结温度对不锈钢( 316L) 致 密性及及强度的影响． 哈尔滨理工大学学报，2000，5( 3) : 105) ［17］ Zhang L N． Effects of Al2O3 content on the properties of Al2O3 dispersion strengthened copper-base composite． South Met，2006 ( 6) : 49 ( 张丽娜． Al2O3 含量对 Al2O3 弥散强化铜基复合材料性能 的影响． 南方金属，2006( 6) : 49) ［18］ Li M X，Luo J，Guo Z M，et al． Manufacture in industrialization and study on nano-Al2O3 dispersion strengthened copper composite． Mater Ｒev，2010，24( 1) : 50 ( 李美霞，罗骥，郭志猛，等． 纳米 Al2O3 弥散强化铜复合材 料的产业化制备及研究． 材料导报，2010，24( 1) : 50) · 526 ·