大塑性变形对粉末冶金法制备SnO2材料性能的影响.pdf

第 2 6 卷第 1 期 2 0 0 8年 2月 粉末冶金技术 Po wde r M e t al l u r g y Te c h no l o gy Vo 1 ． 2 6．No． 1 Fe b． 2 0 0 8 大塑性变形对粉末冶金法制备 Ag ／ S n O2 材料性能 的影 响 * 张志伟 一 陈敬超 一 潘 勇 张昆华2 管伟明2 1 稀贵及有色金属先进材料教育部重点实验室， 昆明 6 5 0 0 9 3 2 贵金属研究所 ， 昆 明 6 5 0 2 2 1 摘要 用粉末冶金法制备 A g ／ S n o2 材料， 考察 了A g ／ S n O 2 材料在大塑性变形过程中的组织均匀化及性能 变化情况。经 s E M分析表明， A g ／ S n O 2 复合材料经过大塑性变形后， 聚集区的 S n o2 颗粒逐渐分散并均匀分 布。经过性能测试和XR D分析， Ag ／ S n O 2 复合材料经过大塑性变形后， 材料的抗拉强度升高， 塑性改善， 亚晶 粒尺寸减小， 使材料更容易加工； 电导率随真应变呈先上升后下降的趋势。 关键词 Ag ／ S n O 2 材料； 大塑性变形； 粉末冶金； 性能分析 I nf l u e nc e o f s e v e r e pl a s t i c d e f o r ma t i o n o n pe r f o r ma n c e o f Ag／ S n O2 ma t e r i a l pr e p a r e d b y p o wde r me t a l l u r g y Zha ng Zhi we i ，Ch e n J i n g c h a o ，P a n Yo n g ， Zh a n g Ku n h u a 2 ，Gu a n W e i m i n g 1 Ke y L a b ． o f Ad v a n c e d Ma t e ri a l s o f P r e c i o u s N o n f e r r o u s Me t a l s ， E d u c a t io n Mi n i s t r y o f C h i n a ， K u n mi n g 6 5 0 0 9 3 ， C h i n a 2 Ku n mi n g I n s t i t u t e o f P r e c i o u s Me t a l ， Ku n mi n g 6 5 0 2 2 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e Ag ／ S n O2 c o mp o s i t e a r e p r e p a r e d b y r e a c t i v e s y n t h e s i s ．a n d t h e mi c r o s t r u c t u r e h o mo g e n i z a t i o n a n d p e r f o r man c e v a r i a t i o n o f Ag ／ S n O2 c o mp o s i t e i n t h e s e v e r e p l a s t i c d e f o r ma t i o n we r e i n v est i g a t ed ． Af t e r t h e Ag ／ S n O2 c o mp o s i t e i s s e v e r e l y d e f o rm ed ，S EM a na l y s i s s h o ws t h a t f i b e r mi c r o s t r u c t u r e v a n i s h es g r a d u a l l y，and t h e S n o2 p a r t i c l es d i s t ri b u t e h o moge n o u s l y ．Aft e r t h e Ag ／ S n o2 c o mp o s i t e i s s e v e r e l y d e f o rm ed ，t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f t h e Ag ／ S n o2 comp o s i t e i s e n h anc ed， p l ast i cat i c i t y i s i mp r o v ed ， a n d t h e s i z e o f s u b gra i n i s d ecr e a s e d ， S O t h a t i t i s mo r e eas i l y ma c h i n ed ； wi t h t h e t r u e s t r a i n i n c r eas i n g， c o n d u c t i v i t y i n c r eas e s f i r s t a n d t h e n d ecr eas e s ． Ke y w o r d s A g ／ S n o2 ma t e ri a l s ； s e v e r e p l a s t i c d e f o rm a t i o n ； p o w d e r me t a l l u r g y ； p e r f o r ma n c e a n a l y s i s 颗粒增强金属基复合材料 简称 P RMMC s 由 于具有制造成本相对较低 、 材料各向同性 、 可二次加 工等优点 ， 其开发和研制 日益成为材料科学与工程 领域中极 为活跃 的研究 热点【 1 J 。为 了提高基体 的 硬度和强度而添加的增强颗粒显著提高了 P R MM一 的加工难度 ． 其不良机械加工性导致 了高昂的加 工费用 ， 使其商品化程度远远未能达到人们 的期望 值， 从而使这项技术不能在工业规模生产中得以应 用。因此 ， 研 究 P R MMC s的加工方 法是很有 必要 的[ 3 l 。 属于 P R MMC s的 Ag ／ S n Oe 触头材料 以其本身 所具有的很好 的抗 电侵蚀性和优于 A g C O触头材 料的抗直流转移性能而在新型汽车电器 、 航天电器 、 高品质家 用 电器 等方 面成 为首选 ， 从 而成 为取 代 *国家自然科学基金 5 0 3 6 1 0 0 3 ； 云南省应用基础研究计划重点项 目 2 o 0 6 E 0 o 0 3 z **张志伟 1 9 7 9 ～ ， 男， 硕士研究生。 ***通讯作者 陈敬超 ， 教授。E ma i l c h e n j i n g c h a o k mu s t ． e d u ． e n 收稿 日期 2 0 0 6 1 1 1 0 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 粉末 冶金技术 2 0 0 8 年 2月 A g ／ O电接触材料的理想候选者[ 。目前 国内电 触头材料生产企业在生产电触头材料时遇到的主要 问题是材料加工性 能的问题。Ag ／ S n O 2材料生产 过程 中最大的难题是材料硬度高 ， 不易变形 ， 退火效 果不明显 ， 容易断丝 ， 使得规模生产无法得到有效保 证 ， 而且在铆钉电触 头的打制过程 中也较容易出现 开裂现象[ 5 - 6 J 。因此 ， 如何改善 Ag ／ S n O 2 材料的加 工性能尤其重要。 粉末冶金法是制备 A g ／ S n O 2 复合材料 的传统 方法之一。2 0 世纪 8 0年代， 德国D e g u e e s a 公司宣 布该公司以约 1 0年时间、 耗资上千万马克 ， 采用先 进的粉末冶金挤压技术研制成 功 A g ／ S n O 2电触点 材料 ， 使 A g ／ S n O 2材料 的研究上 了一个新 台阶， 并 在一些开关电器上成功代替了A g C d O材料【 。粉 末冶金法的特点是能在较大范围内调整合金成分 ， 可制备组织较为均匀、 体积较大的触头 J 。 近年来 ， 大塑性 变形 S e v e r e P l a s t i c De f o r ma t i o n ， 简称 S P D工艺在制备细晶材料和纳米结构材 料上得到了广泛关注。这种工艺是在体积没有明显 变化的前提下能够获得很大的累积剪切应变 I 1 。 应用大塑性变形技术， 已经成功地制备了纯金属、 合 金、 钢、 金属间化合物、 陶瓷基复合材料、 金属基复合 材料 、 半导体等的细晶材料l 1 。 本文作者采用了大塑性 变形工艺， 改善 了材料 的力学性能 ， 从而使材料更容易加工 ， 对解决颗粒增 强金属基复合材料难加工的问题具有很重要 的指导 意 义。 1 试验 1 ． 1 试样制备 原料． A g粉 9 9 ． 9 6 ％ 和 S n O 2 粉末。 实验设备 真空反应炉 ， 锻压机 ， 冷等静压机 ， 管 式电阻炉。 制备过程 将原料于球磨机中进行 混粉， 混合 料经过复压复烧和挤压变形等工艺制成挤压锭坯 ， 再将 挤 压 锭坯 分 别 经 过 真应 变 为 3 ． 8 9 、 7 ． 7 8和 1 1 ． 7的塑性变形加工 变形温度为 6 5 0 “C， 变形压力 为 3 0 4 0 MP a 。 1 ． 2 性能测试 使用加速电压为 3 0 k V 的 P h i l i p s X L 3 0 E S E M 荷兰 P h i l i p s 公 司生产 对粉末冶金法制备的不同 变形量的 Ag ／ S n O 2 烧 结坯和线 材进行 显微组 织分 析 ； 采用 S B 2 2 3 0型直流数字 电阻测试 仪测量电导 率 ； 使用岛津万能试验机 AG一1 0 对其进行拉伸试 验从而得到挤压线材的抗拉强度和伸长率； 使用输 出电压为 2 2 0 V 的 I 8一Ad v a n c e X射线衍射仪 德 国 AX S公司生产 测量亚晶粒尺寸。 2 结果与讨论 2 ． 1 烧 结坯 显微 组织 分析 从图 1 可 以看 出 S n O 2沿基体颗粒呈断续 网状 分布 ， 在 网线上存在着颗粒黑边 ， 可能是 S n O 2团聚 在此处。我们知道， 如果第二相为硬脆相时， 材料的 性能除与第二相 的相对量有关外 ， 很大程度上取决 于脆性相的形状、 分布等； 如果硬而脆的第二相呈连 续的网状分布在塑性相 的晶界上时 ， 因塑性相 的晶 粒被脆性相所包 围分割， 从而使变形能力无从发挥 ， 晶界区域的应力集中， 也难于松弛 ， 合金的塑性将大 大下降 ， 经少量变形后 ， 即在脆性 相 网络处产生断 裂 ， 这时脆性相数量越多 ， 网状越连续 ， 合金的塑性 越差 。因此 ， 有必要采用后续加工 以破坏这种网状 组织 ， 从而获得优异的力学性能。 图 1 A g ／ S n O 2 复合材料的烧结态显微组织 Fi g． 1 Mi c r o s t r u c t u r e o f s i n t e r e d Ag ／ S n O2 6 o ml i t e 2 ． 2 挤压线材显微组织分析 图 2为粉末冶金法 制备 的 Ag ／ S n O 2复合材料 经不同挤压真应变塑性加工所得线材 的截面 S E M 图 。 图 2 a 、 2 b 和 图 2 c 分别 是挤压真应 变为 3 ． 8 9 、 7 ． 7 8和 1 1 ． 7的 Ag ／ S n O 2 复合材料线材横截 面 S E M 图。从图中可 以看 出， S n O2 颗粒 以两种形 态存在 一种是 S n O 2颗粒聚集区 ， 聚集 区的尺寸大 小不一 ， 较大的聚集 区约有 8 t L m， 形状各异 ， 分布的 非常不均匀 ， 很显然 ， 这种聚集区的存在对材料的力 学性能有害 ； 另一种是 S n O 2 颗粒 以细小的质点均 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 6卷第 1 期 张志伟等 大塑性 变形对粉末冶金法制备 Ag ／ S n O 2 材料 性能的影响 5 匀的分布在 Ag基体 中。随着挤压 真应变 的增加 ， S n 聚集 区的尺寸逐渐变小 ， 聚集区中的 S n 颗 粒在挤压力的作用下弥散到银基体 中， 且 随挤 压真 应变的增加 ， 弥散在 A g基体中的 S n _ 2 细小的质点 也在不断增加 ， 分布的也很均匀。 图 2 d 、 2 e 和图 2 f 分别是挤 压真应变 为 3 ． 8 9 、 7 ． 7 8和 l 1 ． 7的 Ag ／ S n O2 复合材料线材 纵截 面 S E M 图。从图中可 以看 出， S n 颗粒 以三种形 态存在 一种是 S n 颗粒 聚集 区， 较大的聚集 区约 有 8 ／a m； 第二种是质点形态的 S n 颗粒； 第三种是 沿挤压方向呈纤维状排列的 S n O 2 颗粒。随着挤压 ∞ 、 鼙 真应变的增加， S n O 2颗粒聚集区的尺寸在减小 ， 一 部分聚集区在挤压应力的作用下分成两个或多个聚 集区， 聚集 区中的很多 S n 颗粒也被均 匀地弥散 到 A g基体中； 纤维状组织在挤压真应变为 3 ． 8 9时 很明显 ， 真应变 为 7 ． 7 8时 变得很 细 小 ， 真应变 为 l 1 ． 7时基本上 已经消失 。这是 由于 S n O 2 陶瓷颗粒 不变形 ， 只在 Ag ／ n O 2 复合材料中起到强化基体和 阻碍变形 的作 用，随着基体 的变形 ， 原本呈纤维状 分布 的 n O 2颗粒在来 自不 同方 向的应力作 用下， 被不断地分散 ， 分散 的 S n 颗 粒会不断地嵌 入到 A g基体中， 从而最终完成复合材料组织 的均匀化。 _ n。 毪 0 3 8 8 u m 。 l 麓 薯 ≯ 瓣 i 6 ． 1 m 一 女 2 ．3 l m 嚣 ％ 嘲豳 圊 豳 _ 圈 圜 i| 亩 _ ■ _ d 、 e 和 f 为挤压线材的纵截而S E M图 a 挤压应变为 3 ． 8 9 ； b 挤压应变为 7 ． 7 8 ； c 挤 压应变为 1 1 ． 7 ； d 挤压应变为 3 ． 8 9 ； e 挤压应变为 7 ． 7 8 ； f 挤压应变为 1 1 ． 7 图 2 粉末 台金法制备的 A g ／ S n O 2 复合材料经不同挤压真应变塑性加工所得线材的截面 S E M 图 Fi g ． 2 S e c t i o n S EM i ma g e s o f Ag ／ S n O2 c o mp o s i t e wi r e b y powd e r me t a l l u r g y wi t h d i f f e r e n t e x t r u s i o n s t r i n 2 ． 3 性能分析 图 3 、 图 4、 图 5和图 6分别示 出粉末冶金法制 备的 Ag ／ S n O2 复合材料 的抗拉强度 、 伸长率 、 亚 晶 粒尺寸、 电导率与真应变的关系。 如图 3所示 ， 抗拉强度随真应变的增加而增加 ， 这是 由于随挤压真应 变的增加 ， 聚集 区的 S n O2 颗 粒和呈纤维组织 中的 S n O 2颗粒逐渐被均匀地 弥散 到 舨 基体 中， 从 而起 到 了很 好 的弥散 强化作 用。 如图 4所示 ， 伸长率基本上随挤压真应 变的增加而 呈直线增加 ， 这是 由于随挤压真应变 的增 加 ， S n O2 颗粒逐渐的均匀弥散在 Ag基体 中， 聚集 区也变小 ， 从而使材料更容易发生塑性变形 。如图 5所示 ， 材 料亚晶粒尺寸随真应 变的增加而减小 ， 这是 由于随 着真应变以及挤压应变的增加 ， S n ， 颗粒被不断弥 散到 A g基体 中， 使 Ag晶粒破碎 、 分割 ， 从而造成更 多的小尺寸的亚晶粒 ， 从而使材料的强度增加， 塑性 改善。如图 6所示 ， 材料的电导率 随真应变 的增加 呈先上升后下降 的趋势。由于随真应变的增加 ， 基 体内部的孔洞逐渐减少 ， 提高了材料 的致密度 ， 同时 带来了电导率 的上升 。但是 随真应 变 的进一步增 加 ， S n O 2 颗粒更加均匀地 弥散 于基体 中， 使得基体 内的比界面积增大 ， 导致电子的散射效应增强 ， 从而 导致 了电导率下降。 ～ * 强 lI ，寮 麓 、 曾 _ ； 蠢≮ _ _ ■ | 0 蛰 一 鬣 瓤 誊 嘲 譬 囊 。 ，≮ 套 啊 I 1 、 _ _ _ 一 A ■一 ■■■ 圈 、 ； 、 一 一 ， ■一棒 ． ，l * i ‘ 孽 嚣 峨 ≤謦 囊 豳 蔫 一 _ l l 一 镰 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 粉末冶金技术 2 0 0 8年 2月 真应变 图3 真应变与抗拉强度的关系 Fi g ． 3 f A i r c a f o r t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e s t r a i n a n d t e n s i l e s t r e n g t h 真应变 图 4 真应变与伸长率的关系 Fi g ． 4 Cu r v e f o r t h e r e l a t i o n s h i p b e t ween t h e s t r a i n and p e r c e n t a g e e l o n g a t i o n 真应变 图5 真应变与亚晶粒尺寸的关系 Fig． 5 C u r v e for t h e r e l a t i o n s h i p betw een t h e s t r a i n and s u b g r a i n s i z e 3 结论 1 粉末冶金法制备生成 的 S n 0 2 颗粒 聚集 区在 A g ／ S n O 2 复合材料大塑性变形条件下可获得均匀 弥散， 从而达到了组织均匀化的目的。 2 A g ／ S n O 2复合材料经过大塑性变形后 ， A g ／ S n 0 2 复合材料的强度增加， 另一方面塑性也得到 了 很大改善 ， 使材料容易进行后续加工。 3 A g ／ S n O 2 复合材料经过大塑性变形后 ， A g基 体 的亚 晶粒尺寸也进一步减小 ， 使材料的强度和塑 性得以提高 ； 电导率呈先增加后减小的趋势 。 宦 邑 一 碍 曲 真应变 图6 真应变与电导率的关系 F i g． 6 Cu r v e f o r t h e r e l a t i o nsh i p b e t ween t h e s t r a i n and e l e c t r i c i t y 参考 文献 [ 1 ] 汪涛， 鲁玉祥， 祝美丽， 等 ． 颗粒增强金属基原位复合材的制备 技术 回顾与展望 ． 宇航材料工艺 ， 2 0 0 0 1 1 21 8 [ 2 ] 郑建新， 刘传绍， 赵波， 等 ． 颗粒增强金属基复合材料的加工现 状 ． 焦作工学 院学报 自然科学版 ，2 0 0 3 ， 2 2 2 1 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7 2 B d W， 越醒掇 堡爵举晕 暑 略茸 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m