气雾化制粉法制备cu-cr合金的固溶度与点阵参数

气雾化制粉法制备cu-cr合金的固溶度与点阵参数

由于良好的电、导、耐腐蚀性和焊接性，铜和铜合金具有良好的导电性、导、蚀、焊接等优良特性，广泛应用于各行各业。例如，电路沿线结构材料、强磁源导线材料、电动汽车的热交换材料和耐腐蚀件。随着科技的发展,对材料的性能提出了更高的要求,由于Cu-Cr合金具有较高的强度和良好的导电性,近年来受到国内外学者的普遍关注。固溶+时效+冷变形是高强高导Cu-Cr合金经常采用的加工工艺,固溶强化、时效强化、冷作硬化是合金强化的有效机制。在材料的制备、加工、热处理的流程中,真实固溶含量是一个贯穿整个工艺流程的重要参数,对材料热处理过程中的溶质元素迁移,研究材料的强化机理都有重要的意义,所以精确测量真实的固溶度就显得尤为重要。1样品的制备和晶体结构的测定采用化学分析方法测量Cu-Cr合金中溶质元素Cr的物质的量百分数,XRD法测量Cu-Cr合金固溶体的晶格常数,对溶质的百分含量和晶格参数进行分析和线性拟合,再与Vegard定律进行对比,探索测量Cu-Cr合金固溶体中溶质元素Cr真实固溶度的方法。合金粉体的制备采用气雾化制粉法在自制高压气体离心旋转雾化设备中进行,将纯度为99.96%的电解精炼Cu和纯度为99.8%的小块状Cr按照比例要求(扣除估计损耗)投入中高频冶炼炉,在高纯氩气的保护下于1350℃下进行一定时间的熔炼,使Cr完全且均匀地溶解在Cu液中。所得液体用高纯氩气进行喷粉、冷却、筛分,留粒度为–74~+43µm的粉体以备后用,冷却速度估计为105~106K/s。样品的XRD数据收集是在D/8ADVANCE衍射仪上完成,采用铜靶Kα光源辐射,波长为0.154056nm,管电压35kV,管电流20mA,选用步进扫描方式,步长为0.02º,扫描速度为0.1º/S。精确的晶格常数采用纳尔逊外推函数(sin-1θ+θ-1)cos2θ/2进行计算。样品中Cr元素的固溶含量用化学分析法测定,分析方法按照国标GB/T5121.16-1996《铜及铜合金化学分析方法:铬量的测定》执行。2结果和讨论2.1xd不是直接识别标准,而是测定实验过程中铬的含量图1为不同粒度的Cu-Cr合金粉体的XRD图谱。图中只显示了面心立方铜的XRD花样,体心立方铬的衍射花样不可观察,符合XRD理论,因为试样中铬的含量不足以产生可见的衍射花样。衍射峰的位置随铬元素含量的增加有向高角度移动的趋势,依据布拉格衍射理论和晶体学理论,可以推得晶格参数在变小、在收缩。衍射峰的强度随铬元素含量的增加而变大,说明晶格的严格周期性随固溶含量的增加受到了更大的破坏,相干散射的份额在变小。2.2金属粉体固溶度的计算用Jade5.0对衍射数据进行处理,抛物线法确定峰位,采用纳尔逊函数(sin-1θ+θ-1)cos2θ/2进行外推,计算晶格常数的精确数值。结果列于表1。如图2所示,与Cu(实验测定的为0.361480nm)相比,Cu-Cr合金粉体的点阵参数发生明显变化,随Cu-Cr合金固溶度的增加,点阵参数在膨胀,由Cu的0.361480nm增加为Cu-1.55Cr的0.361694nm。Cu、Cr的原子半径分别为0.128、0.125nm,Cr的原子半径比Cu的原子半径小,其相对原子半径比约为2.344%,原子半径比约为0.9766,满足置换式固溶体的条件。因此,合金粉体的点阵变化是Cr替代Cu形成置换式固溶体引起的,点阵参数没有收缩原因是点阵类型不同引起的。对于多数固溶体,包含Cu、Cu-0.22Cr、Cu-0.35Cr、Cu-0.86Cr、Cu-1.55Cr,其点阵参数随溶质原子的浓度呈近似线性关系,用最小二乘法进行拟合得:式中:aalloy是合金点阵参数;X是溶质在溶剂中固溶度(%);r是相关系数。相关系数r=–0.9929≥0.99,指出晶格参数和固溶度之间具有非常良好的相关性,线性拟合比较科学,同时从形式上与Vegard定律吻合较好。对于Cu-2.03Cr的晶格参数与式(1)相差较大,可能是在文实验条件下,Cu-2.03Cr中溶质元素Cr已经不能全部固溶在基体中,部分Cr已经偏聚或者析出,使其真实固溶量减小到了不足1.55at%,因此,晶格参数随溶质元素含量的增加没有继续增大,反而出现了比Cu-1.55Cr缩小的现象。这一结果说明在工作中采用的实验条件下Cr在Cu中的真实固溶度极限约为1.55at%,相比平衡态下的固溶度0.65at%,Cr在Cu中的固溶度得到了扩展,至1.55at%左右。扩展的程度1.55at%比M.J.Tenwick的研究成果3.3at%尚有差距,可能是实验中冷却速度较低导致的。对式(1)变形:式中,aalloy是合金点阵参数;X是溶质在溶剂中固溶度(%);X≤1.55at%是固溶度扩展极限。用式(3)对Cu-2.03Cr中的真实固溶度进行计算为0.99at%,与化学分析所得结果2.03at%相差较大,相比Cu-1.55Cr合金固溶度也有所减小。可能的原因是由于Cu-2.03Cr溶质元素的含量超过了最大固溶极限1.55at%,致多余部分溶质的沉淀带动了更多溶质的析出。3固溶度的拟合分析1)用最小二乘法对不同固溶含量的Cu-Cr合金的点阵参数进行线性拟合,发现固溶含量和点阵参数间线性相关性良好,较好吻合Vegard定律。2)根据点阵参数的拟合结果,采用气雾化方法制备的-74~+43µm的