СТРУКТУРА, ^^^^^^^^
ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.3'1:539.4.015.1
МОДИФИКАЦИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ Cu-Fe-КОМПОЗИТОВ МЕТОДАМИ ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ © 2015 г. В. А. Белошенко, В. Ю. Дмитренко, В. В. Чишко
Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина НАНУкраины, 83114 Донецк, ул Р. Люксембург, 72
e-mail: dmitrenko_v@mail.ru Поступила в редакцию 14.06.2014 г.; в окончательном варианте — 12.11.2014 г.
Обобщены результаты исследований и проведен анализ влияния деформационно-термической обработки на структуру, магнитные, механические и электрические свойства Cu-Fe-композитов, полученных методами литья, порошковой металлургии и интенсивной пластической деформации. Основное внимание уделяется пакетной гидроэкструзии, позволяющей реализовать в композитах широкий спектр диаметров (3 нм—2 мм) и количества волокон (1—8 х 108) с варьированием их объемного содержания (10—60%). Обсуждаются физические механизмы выявленных эффектов структурной модификации физико-механических характеристик на разных масштабных (макро-, микро- и нано-) уровнях.
Ключевые слова: композиты Cu—Fe, пластическая деформация, наноструктура, механические свойства, электрическая проводимость.
DOI: 10.7868/S0015323015050046
1. ВВЕДЕНИЕ
Двойные системы с ограниченной раствори-
мостью на основе меди, не образующие интерметаллических соединений (Cu—Nb, Cu—Fe, Cu—Cr,
Cu—Ag и др.), относятся к классу материалов, сочетающих высокую прочность и электропровод-
ность [1]. Приоритетными областями их использо-
вания являются: приборостроение (импульсные высокополевые магниты, магнитопривод) [2, 3], энергетика (линии электропередач, контактные сети электротранспорта) [2, 4], микроэлектроника и спинтроника [5].
Широкий спектр применения Cu—Fe-компо-зитов обусловлен их уникальным комплексом физико-механических свойств (превосходной тепловой и электрической проводимостью, высокими механическими свойствами, износо- и коррозионной стойкостью) в сочетании с технологичностью изготовления, а также низкой стоимостью железа в сравнении с другими возможными материалами
(Nb, Cr, Ag, Au). Важнейшей задачей в области создания данного класса композитов является разработка методов направленного регулирования их структуры и свойств, которые обеспечили бы требуемые эксплуатационные характеристики. В настоящем обзоре представлены результаты исследований, отражающие влияние метода получения и деформационно-термической обработки
на различные свойства наноструктурных Си-Бе-композитов. Наиболее детально рассмотрены установленные авторами изменения физико-механических характеристик этих материалов на разных масштабных (макро-, микро- и нано-) уровнях структуры при интенсивной пластической деформации (ИПД) с использованием пакетной гидроэкструзии.
2. ТРАДИЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ Си-Бе-КОМПОЗИТОВ
При конструировании композита, кроме выбора материала компонентов и геометрии их расположения, определяющих возможность достижения требуемого комплекса свойств, исключительно важным является также выбор наиболее эффективной и экономичной технологии их изготовления. В настоящее время известно несколько тысяч способов получения композиционных материалов [6]. Целесообразность применения того или иного технологического процесса определяется особенностями материалов композиции, требованиями к качеству поверхности и точности размеров, технико-экономическими, экологическими и другими показателями. В подавляющем большинстве случаев композиционный материал не подвергается механической об-
работке — это может привести к утрате значительной части или всех его преимуществ. Поэтому, как правило, разрабатываются технологии, ориентированные на изготовление определенных типов изделий. Традиционные методы получения Си-Бе-композитов включают жидкофазные, химические, газо- и парофазные, с использованием приемов порошковой металлургии.
2.1. Жидкофазные методы
Жидкофазные методы (литье, направленная кристаллизация) позволяют использовать в качестве матрицы недеформируемые литейные сплавы и изготавливать изделия сложной конфигурации без дополнительного формоизменения. Вместе с тем литьем можно получать слоистые слитки круглого сечения, пригодные для дальнейшей обработки давлением (прокаткой, прессованием, волочением). В работах [7, 8] исследованы структура и свойства Си—Бе-композита, полученного методом литья с последующим волочением. После литья структура композита характеризуется наличием крупных дендритов Бе с некоторым количеством дисперсных частиц железа. При деформации волочением происходит вытягивание дендри-тов Бе в направлении оси волочения вплоть до образования наноразмерных волокон [7—9]. В поперечном сечении дендриты Бе имеют ленточную морфологию, являющуюся результатом совместного деформирования меди и железа и характерную для ГЦК-волокон в ОЦК-матрице [10]. Рентгеноструктурный анализ показал, что сформированная в процессе волочения волокнистая структура характеризуется предпочтительными кристаллографическими ориентация-ми (110) меди и (100) железа в продольном сечении, и (111) меди и (110) железа — в поперечном [7]. Образование аналогичной структуры в Си—Бе-композите наблюдалось и в случае деформации холодной прокаткой [1].
В результате формирования волокнистой структуры за счет снижения подвижности дислокаций, заблокированных разветвленными границами раздела фаз [2], Си—Бе-композит приобретает более высокие механические характеристики, чем предсказываемые правилом смесей [8, 9, 11]. При этом твердость и предел прочности коррелируют не со степенью деформации, а с размерами волокон Бе и интервалом между ними, немонотонно изменяющимися с увеличением накопленной деформации [7—9].
Наибольший интерес Си-Бе-композиты представляют с точки зрения сочетания высокой прочности и низкого электрического сопротивления. Управлять соотношением этих параметров можно с помощью 1) изменения объемного содержания Бе; 2) легирования; 3) деформационно-термической обработки. В работе [4] показано, что с ростом со-
держания Fe от 10 до 30 мас. % предел прочности Cu-Fe-композитов, полученных литьем, повышается от 950 до 1310 МПа, а проводимость снижается от 69 до 55% IACS. В работах [12—16] исследовано влияние легирования Ag, Zr и редкоземельными элементами на структуру и физико-механические свойства литых Cu—Fe-компози-тов. Добавка указанных элементов позволяет до двух раз уменьшить размер первичных дендритов Fe и зерен меди в литом образце, что при последующей холодной деформации приводит к повышению предела прочности до 50% при незначительном снижении электрической проводимости в сравнении с нелегированным композитом. Существенное повышение электрической проводимости (до 40%) при минимальной потере прочности (~10%) может быть достигнуто при использовании в технологическом процессе промежуточных термообработок (ТО), приводящих к уменьшению количества центров рассеяния носителей заряда в медной матрице за счет осаждения примесей и легирующих элементов [16].
Деформационно-термическая обработка играет определяющую роль в оптимизации соотношения прочность/электропроводность Cu-Fe-ком-позитов. Следует отметить, что системы Cu—Fe имеют более низкую проводимость в сравнении с другими композитами с медной матрицей (Cu—Ag, Cu—Nb, Cu—Ta и др.). Причина заключается в относительно высокой растворимости железа в меди при высоких температурах в сочетании с медленной кинетикой его осаждения при более низких температурах, а также отрицательном воздействии на проводимость атомов Fe, находящихся в твердом растворе [4, 12]. Таким образом, при деформационно-термической обработке Cu-Fe-компози-тов важным является свести к минимуму образование твердого раствора железа в меди.
2.2. Химические, газо- и парофазные методы
Химические, газо- и парофазные методы изготовления композитов являются эффективными при производстве многослойных пленок и нанесении тонких покрытий. Их преимущества заключаются в отсутствии разупрочнения и значительных механических напряжений армирующих элементов и матрицы; предотвращении непосредственного контакта армирующих элементов друг с другом; возможности формирования изделий и полуфабрикатов сложной конфигурации. Недостатки: трудность использования в качестве матриц сложнолегированных сплавов, образование трещин и расслоение в условиях сложного напряженного состояния. Применение данной группы методов для получения Cu-Fe-композитов позволяет реализовать в них эффекты, связанные с низкой размерностью системы (толщина слоев варьируется от 5 до 50 Á), такие как сверхпластич-
ность [17], отсутствие взаимной диффузии меди и железа [17] и отрицательное магнитосопротивле-ние [18]. Наблюдаемые сильные зависимости магнитных и проводящих свойств от количества и толщины слоев Си и Бе [5, 19-21] при возможности точного контроля этих параметров, обеспечиваемой методом изготовления, открывают перспективы для применения многослойных Си-Бе ламинатов в микроэлектронике и спинтронике [5].
2.3. Методы порошковой металлургии
К преимуществам методов порошковой металлургии относятся возможность использования в качестве матрицы труднодеформируемых металлов, сплавов, соединений; достижение высоких концентраций армирующей фазы (больше, чем предельно возможные при пакетировании); сочетание армирования с дисперсионным упрочнением; использование стандартного оборудования. Недостатками являются неравномерность распределения коротких волокон по объему изделия из-за комкования в ходе перемешивания шихты с волокнами; возможность повреждения хрупких волокон при смешивании, уплотнении или деформации многоволокнистого композиционного материала; повышенное содержание оксидов и других примесей из-за развитой поверхности матричных порошков; пористость (в зависимости от используемого метода).
В работах [10, 22-27] исследованы структура и физико-механические свойства Си-Бе-композитов, полученных методами порошковой металлургии. Эволюция структуры подобна таковой для литых композитов: при волочении частицы железа принимают волокнистую морфологию в продольном сечении и лентообразную - в поперечном [10, 22-24]. В отличие от ли
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.