氣霧化制粉法制備cu-cr合金的固溶度與點陣參數(shù)

氣霧化制粉法制備cu-cr合金的固溶度與點陣參數(shù)

由于良好的電、導(dǎo)、耐腐蝕性和焊接性，銅和銅合金具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)、蝕、焊接等優(yōu)良特性，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。例如，電路沿線結(jié)構(gòu)材料、強磁源導(dǎo)線材料、電動汽車的熱交換材料和耐腐蝕件。隨著科技的發(fā)展,對材料的性能提出了更高的要求,由于Cu-Cr合金具有較高的強度和良好的導(dǎo)電性,近年來受到國內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注。固溶+時效+冷變形是高強高導(dǎo)Cu-Cr合金經(jīng)常采用的加工工藝,固溶強化、時效強化、冷作硬化是合金強化的有效機制。在材料的制備、加工、熱處理的流程中,真實固溶含量是一個貫穿整個工藝流程的重要參數(shù),對材料熱處理過程中的溶質(zhì)元素遷移,研究材料的強化機理都有重要的意義,所以精確測量真實的固溶度就顯得尤為重要。1樣品的制備和晶體結(jié)構(gòu)的測定采用化學(xué)分析方法測量Cu-Cr合金中溶質(zhì)元素Cr的物質(zhì)的量百分?jǐn)?shù),XRD法測量Cu-Cr合金固溶體的晶格常數(shù),對溶質(zhì)的百分含量和晶格參數(shù)進行分析和線性擬合,再與Vegard定律進行對比,探索測量Cu-Cr合金固溶體中溶質(zhì)元素Cr真實固溶度的方法。合金粉體的制備采用氣霧化制粉法在自制高壓氣體離心旋轉(zhuǎn)霧化設(shè)備中進行,將純度為99.96%的電解精煉Cu和純度為99.8%的小塊狀Cr按照比例要求(扣除估計損耗)投入中高頻冶煉爐,在高純氬氣的保護下于1350℃下進行一定時間的熔煉,使Cr完全且均勻地溶解在Cu液中。所得液體用高純氬氣進行噴粉、冷卻、篩分,留粒度為–74~+43μm的粉體以備后用,冷卻速度估計為105~106K/s。樣品的XRD數(shù)據(jù)收集是在D/8ADVANCE衍射儀上完成,采用銅靶Kα光源輻射,波長為0.154056nm,管電壓35kV,管電流20mA,選用步進掃描方式,步長為0.02o,掃描速度為0.1o/S。精確的晶格常數(shù)采用納爾遜外推函數(shù)(sin-1θ+θ-1)cos2θ/2進行計算。樣品中Cr元素的固溶含量用化學(xué)分析法測定,分析方法按照國標(biāo)GB/T5121.16-1996《銅及銅合金化學(xué)分析方法:鉻量的測定》執(zhí)行。2結(jié)果和討論2.1xd不是直接識別標(biāo)準(zhǔn),而是測定實驗過程中鉻的含量圖1為不同粒度的Cu-Cr合金粉體的XRD圖譜。圖中只顯示了面心立方銅的XRD花樣,體心立方鉻的衍射花樣不可觀察,符合XRD理論,因為試樣中鉻的含量不足以產(chǎn)生可見的衍射花樣。衍射峰的位置隨鉻元素含量的增加有向高角度移動的趨勢,依據(jù)布拉格衍射理論和晶體學(xué)理論,可以推得晶格參數(shù)在變小、在收縮。衍射峰的強度隨鉻元素含量的增加而變大,說明晶格的嚴(yán)格周期性隨固溶含量的增加受到了更大的破壞,相干散射的份額在變小。2.2金屬粉體固溶度的計算用Jade5.0對衍射數(shù)據(jù)進行處理,拋物線法確定峰位,采用納爾遜函數(shù)(sin-1θ+θ-1)cos2θ/2進行外推,計算晶格常數(shù)的精確數(shù)值。結(jié)果列于表1。如圖2所示,與Cu(實驗測定的為0.361480nm)相比,Cu-Cr合金粉體的點陣參數(shù)發(fā)生明顯變化,隨Cu-Cr合金固溶度的增加,點陣參數(shù)在膨脹,由Cu的0.361480nm增加為Cu-1.55Cr的0.361694nm。Cu、Cr的原子半徑分別為0.128、0.125nm,Cr的原子半徑比Cu的原子半徑小,其相對原子半徑比約為2.344%,原子半徑比約為0.9766,滿足置換式固溶體的條件。因此,合金粉體的點陣變化是Cr替代Cu形成置換式固溶體引起的,點陣參數(shù)沒有收縮原因是點陣類型不同引起的。對于多數(shù)固溶體,包含Cu、Cu-0.22Cr、Cu-0.35Cr、Cu-0.86Cr、Cu-1.55Cr,其點陣參數(shù)隨溶質(zhì)原子的濃度呈近似線性關(guān)系,用最小二乘法進行擬合得:式中:aalloy是合金點陣參數(shù);X是溶質(zhì)在溶劑中固溶度(%);r是相關(guān)系數(shù)。相關(guān)系數(shù)r=–0.9929≥0.99,指出晶格參數(shù)和固溶度之間具有非常良好的相關(guān)性,線性擬合比較科學(xué),同時從形式上與Vegard定律吻合較好。對于Cu-2.03Cr的晶格參數(shù)與式(1)相差較大,可能是在文實驗條件下,Cu-2.03Cr中溶質(zhì)元素Cr已經(jīng)不能全部固溶在基體中,部分Cr已經(jīng)偏聚或者析出,使其真實固溶量減小到了不足1.55at%,因此,晶格參數(shù)隨溶質(zhì)元素含量的增加沒有繼續(xù)增大,反而出現(xiàn)了比Cu-1.55Cr縮小的現(xiàn)象。這一結(jié)果說明在工作中采用的實驗條件下Cr在Cu中的真實固溶度極限約為1.55at%,相比平衡態(tài)下的固溶度0.65at%,Cr在Cu中的固溶度得到了擴展,至1.55at%左右。擴展的程度1.55at%比M.J.Tenwick的研究成果3.3at%尚有差距,可能是實驗中冷卻速度較低導(dǎo)致的。對式(1)變形:式中,aalloy是合金點陣參數(shù);X是溶質(zhì)在溶劑中固溶度(%);X≤1.55at%是固溶度擴展極限。用式(3)對Cu-2.03Cr中的真實固溶度進行計算為0.99at%,與化學(xué)分析所得結(jié)果2.03at%相差較大,相比Cu-1.55Cr合金固溶度也有所減小?？赡艿脑蚴怯捎贑u-2.03Cr溶質(zhì)元素的含量超過了最大固溶極限1.55at%,致多余部分溶質(zhì)的沉淀帶動了更多溶質(zhì)的析出。3固溶度的擬合分析1)用最小二乘法對不同固溶含量的Cu-Cr合金的點陣參數(shù)進行線性擬合,發(fā)現(xiàn)固溶含量和點陣參數(shù)間線性相關(guān)性良好,較好吻合Vegard定律。2)根據(jù)點陣參數(shù)的擬合結(jié)果,采用氣霧化方法制備的-74~+43μm的