Rézipari ismeretek: Bevezetés a nagy teljesítményű rézalapú kompozit anyagokba
A réz és rézötvözetek jó mechanikai tulajdonságokkal és kiváló folyamatteljesítménnyel rendelkeznek. Könnyen önthetők és műanyag feldolgozhatók. Ennél is fontosabb, hogy a réz és rézötvözetek jó korrózióállósággal, hővezető képességgel és elektromos vezetőképességgel rendelkeznek, így széles körben alkalmazhatók az elektronikai és elektromos, mechanikai gyártásban és más ipari területeken. A réz szobahőmérsékleti szilárdsága, magas hőmérsékleti teljesítménye és kopási teljesítménye azonban nem kielégítő, ami korlátozza szélesebb körű alkalmazását. A modern repüléstechnika és elektronikai technológia rohamos fejlődésével egyre magasabb követelményeket támasztanak a réz felhasználásával szemben, vagyis a réz jó elektromos vezetőképességének, hővezetőképességének és egyéb fizikai tulajdonságainak biztosítása alapján a réznek magas színvonalúnak kell lennie. szilárdság, különösen jó magas hőmérsékletű mechanikai tulajdonságok, és az anyagnak alacsony hőtágulási együtthatóval, valamint jó súrlódási és kopási tulajdonsággal kell rendelkeznie. Hazám első nagysebességű vasúti Peking-Sanghaj vonalának teljes beruházása körülbelül 20 milliárd USA dollár. Az építkezés 2008-ban kezdődött. Az éves munkavezeték-szükséglet közel 10,000 tonna. Nyilvánvaló, hogy a kontakthuzal kutatás-fejlesztése, vagyis a nagy szilárdságú, nagy vezetőképességű és kopásálló rézötvözet funkcionális anyagok kutatása és fejlesztése nagy hazai és külföldi piaccal rendelkezik. Az ellenálláshegesztő elektródák, varrathegesztő görgők és integrált áramköri vezetékkeretek szintén nagy szilárdságú és nagy vezetőképességű rézötvözeteket igényelnek. Nehéz figyelembe venni a meglévő réz és rézötvözetek nagy szilárdságát és nagy vezetőképességét. Ezért a megfelelő erősítőfázisú kompozit erősítési módszerek bevezetésével, a mátrix és a funkcionális erősítő fázis szinergikus hatásának teljes kihasználásával a nagyteljesítményű réz (ötvözet) alapú funkcionális kompozit anyagok kutatása és fejlesztése napjainkban a világ forró témájává vált. .
Az úgynevezett nagy szilárdságú és nagy vezetőképességű rézötvözet általában olyan rézötvözetet jelent, amelynek szakítószilárdsága (Gb) 2-10-szerese a tiszta rézének (350-2000MPa) és vezetőképessége 50 %~95% réz, azaz 50-95% IACS rézötvözet. A nemzetközileg elismert ideális index δb=600-800MPa, a vezetőképesség pedig nagyobb vagy egyenlő, mint 80% IACSE. A nagy szilárdságú és nagy vezetőképességű rézötvözetek fő alkalmazási területei az ultranagyméretű integrált áramköri vezetékkeretek az elektronikai információs iparban, a honvédelmi és hadiipari elektronikus ellenintézkedések, radarok, nagy teljesítményű katonai mikrohullámú csövek, nagy teljesítményű impulzus mágneses térvezetők, nukleáris berendezések és hordozórakéták, felsővezetékek nagy sebességű vasúti szállításhoz, 300-1250Kw nagy teljesítményű, frekvenciamodulált sebességszabályozó aszinkron vontatómotor rudak és véggyűrűk, ellenálláshegesztő elektródafejek az autóipar számára ipar, folyamatos öntőgép kristályosítók a kohászati ipar számára, elektromos vákuumkészülékek és kapcsolóérintkező hidak az elektrotechnikában stb. Ezért az ilyen típusú anyagok széles körű alkalmazási lehetőségeket kínálnak számos high-tech területen.
Bevezetés a nagy teljesítményű rézalapú kompozit anyagok osztályozásába:
1. Részecske-erősítésű réz alapú kompozit anyagok
Az erősítés főként szilícium-karbidból és alumínium-oxidból áll, valamint kis mennyiségű titán-oxid és titán-borid részecskék is vannak (a részecskeméret általában körülbelül 10 μm). A whiskerek nemcsak önmagukban kiváló mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, hanem bizonyos oldalarányuk is van, így jelentősebb megerősítő hatásuk van a fémmátrixra, mint a részecskéknek. A bajusz általában használt szilícium-karbid és alumínium-borát bajusz. Az ötvözési eljárással oxid-diszperzióval erősített és karbid-diszperzióval erősített rézalapú kompozit anyagok állíthatók elő.
2. Szálerősítésű réz alapú kompozit anyagok
A rézből vagy rézötvözetekből és nem fémből vagy fémszálakból készült kompozitok nemcsak megőrzik a réz magas elektromos vezetőképességét és hővezető képességét, hanem nagy szilárdsággal és magas hőmérsékleti ellenállással is rendelkeznek. Az ilyen rézalapú kompozit anyagok gyártásakor mind hosszú, mind rövid szálakat használnak. A szénszál-réz kompozit anyagok a réz jó hővezető képességével és elektromos vezetőképességével, valamint a szénszál önkenésével, kopásállóságával és alacsony hőtágulási együtthatójával rendelkeznek, ezért csúszó elektromos érintkező anyagokban, kefékben, erősáramú félvezető tartóelektródák, integrált áramköri hűtőbordák stb. A réz-szénszálas kompozit anyagok másik alkalmazási példája az ipari gyártásban a villamosok elektromos áramszedőjén lévő csúszka, valamint a csúszóvillamosok és elektromos mozdonyok sérülékeny részei. Eleinte fém csúszkákat használtak, jelenleg pedig karbon csúszkákat, de mindkettőnek vannak hiányosságai. Szénszálas-réz kompozit anyagok használata után csökken az érintkezési ellenállás, elkerülhető a túlmelegedés, és egyidejűleg javul a szilárdság és a túlterhelési áram, kiváló kenő- és kopásállósággal rendelkezik.
3. Nagy teljesítményű mikrokompozit rézötvözet
A nagy teljesítményű mikrokompozit rézötvözet anyagokat az 1970-es években fedezték fel szupravezető anyagok tanulmányozása során. 1978-ban Bark et al. A Harvard Egyetemen az Egyesült Államokban először javasolta a nagy teljesítményű Cu-X ötvözet, Cu-X bináris ötvözet koncepcióját, az X tűzálló fémeket tartalmaz W, Mo, Nb, Ta és Cr, Fe, V és más elemeket. Kovácsolás, húzás vagy hengerlés után az X fémet a deformáció irányában elosztják huzal vagy szalag formájában, így mikrokompozit anyagot képeznek. Ezt a mikrokompozit rézötvözet anyagot ultra-nagy szilárdság jellemzi (a legnagyobb szakítószilárdság elérheti a 2000 MPa-t), az elektromos vezetőképesség elérheti a 82% IACS-t, jó hőállóság, mikrokompozit szerkezet és szemcse-orientáció. Amellett, hogy ponthegesztő elektródaként használják, ez az anyag propellerként és hőcserélőként is használható. A hagyományos rézötvözet anyagokhoz képest több ötvözetelemet tartalmaz, de kevesebb ötvözettípust. A Cu-X ötvözet rendkívül nagy szilárdságával, nagy elektromos vezetőképességével és jó hőállóságával hívta fel magára az emberek figyelmét. Jelenleg az Iowai Egyetem, a Harvard Egyetem Anyagtudományi Tanszéke, az AMES Laboratórium, a Michigan Institute of Technology és a kínai Zhejiang Egyetem rengeteg kutatást végzett ezzel kapcsolatban, de még sok elméleti és gyakorlati alkalmazási probléma vár megoldásra. .
A nagy szilárdságú és nagy vezetőképességű rézalapú kompozit anyagok előkészítési módszereinek bemutatása:
1. Porkohászati módszer
A porkohászatot először részecskeerősítésű fémalapú kompozit anyagok előállítására fejlesztették ki, általában porkeverést, tömörítést, gáztalanítást, szinterezést és egyéb folyamatokat. A porkohászat egy nagy anyagfelhasználású, hálóközeli alakítási eljárás, amellyel kiküszöbölhető a szervezeti és komponensek szegregációja, a szemcseerősítési fázis szemcsemérete és térfogathányada pedig nagy tartományon belül állítható. Ez a módszer a szerkezeti részek, súrlódó anyagok és nagy vezetőképességű anyagok előállításának fő eszköze rézalapú kompozitokban. A réz és a legtöbb kerámia erősítőrészecske rossz nedvesíthetősége és a nagy sűrűségkülönbség miatt a kompozit anyagok folyékony módszerrel történő előállítása során könnyen előállítható erősítőaggregáció, ami a második fázis egyenetlen eloszlását eredményezi. A porkohászat a fémport és az erősítést egyenletesen tudja keverni a kívánt arányban, megoldva ezzel a vasalás eloszlásának problémáját. A réz és az erősítő részecskék közötti határfelületi kötési szilárdság növelése érdekében általában kémiai leválasztást és más módszereket alkalmaznak az erősítő részecskék felületének fémbevonatokkal, például rézzel és nikkel bevonására, majd a részecskéket egyenletesen összekeverik rézporral, hogy megkapják. kompozit anyagok porkohászat felhasználásával [11]. Mivel a fémbevonattal való bevonást követően az erősítő részecskék egyenletesebben oszlanak el a mátrixfémben, csökken az erősítőanyagok közötti közvetlen érintkezés, és hatékonyabb az erősítő hatás. Ugyanakkor a különböző fémekkel való bevonással javítható az interfész szerkezete, javítható az interfész kötési szilárdsága, és javítható a kompozit anyag átfogó teljesítménye.
2. Kompozit öntési módszer
Az öntés az ipari tömeggyártás kedvelt módja. Az öntés után azonban általában van egy kiegészítő deformációs folyamat ennek a kompozit anyagnak. Az alakváltozást erősítő hatás a hidegen deformált fém átkristályosodása miatt érvénytelenné válik. Mivel a legtöbb fém átkristályosodási hőmérséklete az olvadáspontjuknak csak körülbelül 40%-a, az öntéssel nyert anyag magas hőmérséklet-állósága viszonylag gyenge. A kompozit öntési eljárást MC Flemings és munkatársai javasolták. a Massachusetts Institute of Technology munkatársa. Ez a módszer jó megoldást kínál az erősítő fázis elkülönítésére, egyszerű gyártási folyamat, és alkalmazkodik a kompozit anyagok nagyipari gyártási trendjéhez, nagy fejlesztési előnnyel. Az olvadék nagy viszkozitása miatt azonban a kompozit öntés nem kedvez a gázok és zárványok kiürülésének, ezért az elkészített anyagban gyakran vannak pórusok, zárványok; ráadásul ezzel a módszerrel a hőmérséklet szabályozása is nehézkes.
3. Belső oxidációs módszer
A belső oxidációs módszer az egyik leggyakrabban használt módszer a réz alapú kompozit anyagok előállítására. Egyenletes eloszlású finom diszpergált részecskéket képes nyerni, és pontosan tudja szabályozni az erősítő fázisok számát. Ennek az eljárásnak a jellemző alkalmazása Cu-A1203 diszperziós szilárdságú réz alapú kompozit anyagok előállítása. Ebben az eljárásban kis mennyiségű alumíniumot, egy rézben szilárd módon oldódó ötvözőelemet adnak a rézhez, hogy réz-alumíniumötvözet port készítsenek. Az oxigén a por felületéről a belsejébe diffundál, így az ötvözetből porlasztott por magas hőmérsékleten és oxigénatmoszférában belső oxidáción megy keresztül, és az alumínium alumínium-oxiddá alakul. Ezután az oxidált rezet hidrogénatmoszférában redukálják, de az alumínium-oxidot nem lehet redukálni, és réz-alumínium-oxid vegyes port készítenek, végül bizonyos nyomáson szinterezik. A belső oxidációs módszerrel előállított Cu-A1203 formázási és térhálósítási technológiájában problémák vannak. A por szinterezése rendkívül nehéz, a folyamat bonyolult és a költségek magasak. A belső oxidációs eljárás hátránya, hogy az eljárás bonyolult, sok tényező befolyásolja az előállítási folyamatot, az anyagminőség nehezen ellenőrizhető és a magas gyártási költség, ami nagymértékben korlátozza ennek az eljárásnak az alkalmazását. .
4. Folyékony fém in situ módszer
A folyékony fém in situ reakciómódszer a rézalapú kompozit anyagok egyik új előállítási technológiája, amelyet az utóbbi években fejlesztettek ki. Lee et al. elsőként sikeresen elkészített TiB2/Cu kompozit anyagokat. Ez a módszer teljesen felkever és összekever két vagy több ötvözött folyadékot, és kémiai reakciók révén egyenletesen eloszlatott nanoméretű erősítéseket hoz létre. Az 5 térfogat% TiB2-t tartalmazó Cu-alapú kompozit anyag vezetőképessége 76% IACS volt. Chrysanthou et al. kormot, B203-at vagy W-kormot adtunk a Cu-Ti oldathoz, és reagálva finom és egyenletes eloszlású TiC-, TiB2- és WC-részecskéket hoztak létre in situ, hogy megerősítsék a rézalapú kompozit anyagot. Mivel az ezzel az eljárással előállított kompozitban lévő erősítésnek nincs határfelületi szennyeződése, és jó a határfelületi kompatibilitása a mátrixszal, ezért nagyobb a vezetőképessége és a mechanikai szilárdsága, mint a hagyományos kompozit anyagoknak.
5. Gyors megszilárdulási módszer
A gyors hűtési sebesség, a nagy kezdeti gócképződés túlhűtése és a megszilárdulási folyamat során bekövetkező nagy növekedési sebesség miatt a gyors megszilárdulási módszer a szilárd-folyadék határfelület eltérését okozza az egyensúlyi állapottól, így a hagyományos ötvözetektől eltérő szervezeti és szerkezeti jellemzők sorozatát mutatja. A gyors megszilárdulási módszer a következő jellemzőkkel rendelkezik a rézalapú kompozit anyagok előállításához:
(1) A réz ötvözőelem szilárd oldhatósága jelentősen megnő;
(2) A szemek nagymértékben finomítottak;
(3) A kémiai komponensek mikroszegregációja jelentősen csökken;
(4) A kristályhibák sűrűsége jelentősen megnő;
(5) Új metastabil fázisszerkezet alakul ki;
(6) Az öregítési kezelés után a rézmátrix második fázisának tartalma megnövekszik, és a diszperzió mértéke megnövekszik.
A vezetőképesség enyhe csökkenésével jelentősen javul az ötvözet szilárdsága, és javul az ötvözet kopás- és korrózióállósága. A gyorsszilárdítási technológia új teret nyitott a nagy szilárdságú és nagy vezetőképességű rézalapú kompozit anyagok előállításában. A jövőben a nagy szilárdságú és nagy vezetőképességű rézalapú kompozit anyagok gyors megszilárdítási előkészítésének kutatási fókusza az anyagösszetétel, a megszilárdulási kinetikai paraméterek és az öregedési folyamat optimalizálása lesz a megszilárdulási és öregedési folyamat elemzésén keresztül, valamint a mikrostruktúra és a teljesítmény.
6. Mechanikus ötvözési módszer
A mechanikai ötvözés során nagy energiájú golyósmalommal keverik össze a fémport vagy a kerámia részecskéket bizonyos arányban, és ismételten őrlik. A kompozit por ismételt deformáción, hideghegesztésen, zúzáson, újrahegesztésen és újrazúzáson megy keresztül, ami nanométeres szintre finomítja a szemcséket, és nagy felületi aktivitással rendelkezik [17]. A nagyszámú torzítási hiba bevezetése miatt a kölcsönös diffúziós képesség fokozódik és az aktiválási energia csökken, így az ötvözési folyamat eltér a szokásos szilárdtest-eljárástól. Ezért sok olyan új anyagot lehet előállítani, amelyeket hagyományos körülmények között nehéz szintetizálni. A réz alapú kompozit anyagok előállítására szolgáló mechanikai ötvözés hátránya, hogy a golyósmarás során könnyen bejutnak a szennyező elemek, ami csökkenti az anyag tulajdonságait, különösen a vezetőképességet. Ugyanakkor a gyártási hatékonyság alacsony a hosszú golyós marási idő miatt.
