純層的相分布及對相結構的影響

純層的相分布及對相結構的影響

1cu-滲al復合材料cu-al2o3材料不僅可以用作功能性材料，也可以用作結構材料。國外已采用Cu-Al2O3復合材料代替Ag基合金作電器觸頭材料,具有良好的導電性和耐磨性。制備Cu-Al2O3復合材料可以采用純Cu滲Al后經內氧化的方法,在Cu基體上分布著彌散細小的Al2O3質點(50～100·)。這種材料在國外已得到應用,而我國對這種材料的研究近年來才開始,周輝全等報道了純Cu滲Al工藝及滲劑配比對滲層深度和表面光亮度的影響。然而,目前有關滲劑配比對滲層Al濃度分布及對α相結構的影響尚無報道。本文報導了純Cu在不同配方滲劑中經900℃4h滲Al時滲層Al濃度分布及對α固溶體結構影響的研究,為Cu-Al2O3復合材料的制備提供了前期基礎工作。2al工藝和實驗方法2.1純al粉量對試樣表面的整理實驗用純Cu(99.9%)試樣尺寸20×10×4mm。3種滲劑配比如表1所示,滲劑中純Al粉量分別為2%、4%和6%,NH4Cl含量不變。3種滲劑分別裝入3個罐內,將純Cu試樣表面洗凈后放入罐內的滲劑中部,用粘土密封。3個滲Al罐同時置于電爐內升溫并烘干滲劑,再升溫至900℃,保溫4h,然后出爐空冷,空冷至300℃以下開封取樣分析。2.2滲層結構分析用MM6金相顯微鏡分析滲層組織。用JXA-733電子探針線掃描、面掃描和定量分析滲層表面至心部的Al濃度分布及高Al新相。用D/max-ⅢAX射線衍射儀分析相結構,并計算α相點陣常數變化。其中C試樣磨出斜面后進行X射線衍射,目的是在同一衍射譜上分析滲層不同深度α固溶體相結構的變化。C試樣磨加工前后的尺寸如圖1所示。3結果3.1光鏡觀察和晶體觀察圖2為純Cu滲Al層的組織的金相照片。以13%HNO3加3%HF水溶液浸蝕時,在光鏡下觀察滲層為青灰色,基體為紅色。滲層組織均勻,無明顯晶界,而Cu基體的晶粒的不同晶向在光鏡下呈現出明暗差別。滲層與基體交界沿晶界走向。3.2滲層al含量及線面特征圖3是3種試樣滲層的AlKα線線掃描分析結果,圖4是3種試樣自表面至心部Al定量分析結果。圖3和圖4中a、b、c分別對應表1中a、b、c3種試樣。由圖3可見,a、b試樣Al濃度分布自表面至心部是趨近平滑的下降曲線;而C試樣在表層約100μm是Al濃度等高區(qū),約100μm之后Al濃度才逐漸下降。圖4定量分析證明了上述結果,并可看出,a、b試樣的表面Al含量(1.8%和3.75%)與滲劑中純Al粉含量(2%和4%)相近;C試樣則不同,其表面Al含量(11.5%)高于滲劑中純Al粉含量(6%),表層100μm深度上是Al濃度平臺區(qū),Al含量為10.5～11.5%,略高于α固溶體的極限固溶量(9.4%)。對3種試樣滲層進行AlKα線面掃描分析表明,a、b試樣Al分布自表面至心部均勻減少分布,C試樣與a、b試樣不同,在Al濃度平臺區(qū)有少量點狀高Al新相產生。對高Al新相定點定量分析示于表2。可見,高Al新相屬兩種成分,按成分分別為β(Cu3Al)相和θ(CuAl2)相。3.3c試樣晶體點陣常數l圖5是a、b、c3種試樣滲層的X射線衍射譜。由圖5可見,3種試樣滲層的衍射譜都是單一的α固溶體,c試樣滲層中少量的β和θ相衍射譜沒有出現。比較圖5中a、b、c譜可見,衍射峰峰位依次左移,說明α固溶體隨Al含量增高d值增大,衍射峰加寬。由于c試樣衍射譜反映了整個滲層的結構變化,譜中的(220)、(311)和(222)峰都分裂成雙峰。根據立方系晶體點陣常數公式:a=d?h2+k2+l2??????????√a=d?h2+k2+l2計算圖5中a、b、c譜的(220)、(311)和(222)峰d值對應的點陣常數a,分別對應于橫座標。Al含量為1.8%、3.75%和9.4%并把縱座標垂直平移使Al含量為0時處于原點,縱座標即為點陣常數增量△a,△a隨α固溶體中Al含量變化示于圖6。由圖6可見,α固溶體隨Al含量增高,△a呈直線上升,為說明滲Al層α固溶體點陣常數的變化規(guī)律與熔煉合金完全一致。4討論4.1al2o3粉試樣的表面al含量滲劑中含有Al粉、Al2O3粉和NH4Cl,在高溫下發(fā)生如下反應:NH4Cl→NH3+HClΝΗ4Cl→ΝΗ3+ΗCl2NH3→N22ΝΗ3→Ν2(氣)+3H2(氣)6HCl+2Al→2AlCl3+3H26ΗCl+2Al→2AlCl3+3Η2(氣)AlCl3→[Al+++]+3[Cl?]AlCl3→[Al+++]+3[Cl-]生成的AlCl3中的Al離子成為活性原子,通過α-Cu的空位或與Cu原子直接交換進行滲入和擴散。滲劑中純Al粉含量較低時,純Al粉量大小就是Al的濃度勢,即“Al勢”。因此,2%Al粉試樣的表面Al含量為1.8%,4%Al粉試樣表面Al含量為3.75%。滲劑中Al2O3粉基本上不參與反應,主要起填充作用。滲劑中純Al粉含量較高的情況下,例如6%Al粉時,滲劑中“Al勢”較高,試樣表面滲入Al量較大,因Al原子直徑比Cu大得多,因此,必然造成α固溶體晶格畸變增大,空位和位錯密度急增,使Al原子滲擴更加容易。表面強烈滲入可能會加速滲劑中反應,促使Al2O3與HCl發(fā)生反應,也提供部分Al的活性原子,進一步提高“Al勢”,使表面Al含量超過滲劑中純Al粉含量。4.2滲層al濃度分布及擴散過程根據擴散第二方程:?C?t=D?C2?X2?C?t=D?C2?X2由2%Al粉試樣的測定值可計算擴散系數為0.69×10-2m2/s;由4%Al粉試樣的測定值可計算擴散系數為0.72×10-2m2/s。再由擴散系數值可分別計算滲層Al濃度分布曲線示于圖7中虛線,計算值與實測值(實線)基本相符,但從曲線b上仍可以看到Al濃度高的擴散速度快。對于6%Al粉試樣滲層Al濃度分布顯然不能用擴散第二方程計算。擴散系數隨溶質濃度升高而增大的理論解釋是由于增多了空位和位錯密度,因此,滲層不同位置的擴散系數不同,越靠近表面擴散系數越大,擴散速度越快。達到飽和固溶度之后,新相(β和θ)形成長大又很慢,因而形成了表層Al濃度平臺區(qū)。這一現象對最終用內氧化方法制備厚層的Cu-Al2O3復合材料是有利的。5滲層表面al含量的影響純Cu滲Al時,在900℃4h以混合滲劑(純Al粉、Al2O3粉和NH4Cl)滲擴處理的條件下,可以得到如下結論:(1)滲層表面Al含量與滲劑中純Al粉含量有關。純Al粉含量較低(≤4%)時,表面Al含量近似等于滲劑中純Al粉含量,滲層Al濃度分布與擴散定律計算值相符。(2)在滲劑中純Al粉量較高(6%以上)時,滲層表面Al含量可達到(或稍超過)極限