钢包熔剂对连铸过程中MgO基耐火内衬降解的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Effect of tundish fluxes on the degradation of MgO-based refractory linings in continuous casting process

本研究通过粉末冶金结合热机械加工制备了Cu-3Zr-xC（x=0.2,0.4,0.6）复合材料，发现添加0.2wt.%石墨时，材料综合性能最优，导电性提升9.84%，强度达658MPa，同时通过TEM和XRD分析揭示了ZrC颗粒沿晶界分布及热加工细化晶粒的作用机制。

　　在现代材料科学领域，铜基材料因其优良的导电性和可加工性，在精密电子元件、引线框架和高速铁路导线等关键应用中占据重要地位。随着电子设备小型化和高性能需求的不断增长，对铜基材料的综合性能提出了更高的要求。本研究聚焦于一种新型的铜-锆-碳复合材料，通过粉末冶金技术与两阶段热机械加工，将片状石墨（C）引入Cu-3Zr合金中，制备出不同碳含量的Cu-3Zr-xC（x=0.2, 0.4, 0.6 wt.%）复合材料。通过对这些材料的相结构、组成、电导率和机械性能进行系统分析，旨在探索碳元素对铜基材料性能的影响机制，以及热机械加工在提升材料综合性能中的作用。

从研究结果来看，当碳含量增加时，材料的延伸率呈现出先上升后下降的趋势，而抗拉强度则持续下降。具体而言，当碳含量为0.2 wt.%时，Cu-3Zr-0.2C复合材料表现出最佳的综合性能，其抗拉强度达到658 MPa，屈服强度为573 MPa，延伸率为6.5%，电导率为78% IACS。这表明，适当引入碳元素不仅能够改善材料的电导率和塑性，还能通过热机械加工进一步优化其机械性能。然而，随着碳含量的增加，材料的强度逐渐降低，而电导率和延伸率则呈现出不同的变化趋势。当碳含量增加到0.4 wt.%和0.6 wt.%时，虽然电导率继续上升，但延伸率反而开始下降，说明碳含量存在一个最佳范围，过量的碳会带来负面效应。

材料的微观结构分析显示，原始Cu-3Zr合金中，粗大的Cu_xZr_y金属间化合物在晶界和晶粒内部随机分布，而Cu-3Zr-0.2C复合材料中，细小的ZrC颗粒主要分布在晶界处。这一分布特征与碳含量的增加密切相关，ZrC颗粒的体积分数低于Cu_xZr_y，并且碳的加入能够净化铜基体，因为碳与锆之间存在强烈的反应倾向。此外，定向排列的铜晶粒能够为电子的传输提供快速通道，并且在载荷传递过程中表现出特殊的效应，从而在强度略有下降的同时，显著提高电导率和塑性。

研究还表明，热机械加工对材料性能的提升具有重要作用。通过热挤压和冷拉伸处理，不仅能够细化ZrC金属间化合物和铜基体晶粒，还能增加位错密度，形成特殊的纹理结构，从而增强材料的强度和延展性。同时，加工过程中形成的纹理结构有助于优化电子传输路径，进一步提升材料的导电性能。这些加工手段在材料制备过程中起到了至关重要的作用，使得Cu-3Zr-xC复合材料在综合性能上得到了显著改善。

从热力学分析来看，Cu-Zr-C体系中，所有可能的反应在实验温度范围内都具有可行性。其中，ZrC的形成最为容易，因为其反应的Gibbs自由能变化值最为负，表明该反应在热力学上具有显著优势。相比之下，其他Cu-Zr金属间化合物的形成则需要更高的能量输入。这为理解材料中不同相的形成机制提供了理论依据，同时也为优化材料制备工艺提供了指导。

在微观结构演变方面，Cu-3Zr合金的形成过程包括球磨、ZrH₂的分解、Zr的溶解、以及Cu向Zr颗粒扩散并形成金属间化合物。而在Cu-3Zr-xC复合材料中，由于碳无法溶解于铜基体，其与Zr的反应主要发生在晶界或界面区域，导致ZrC颗粒在晶界处形成。随着碳含量的增加，ZrC颗粒的尺寸逐渐增大，且可能出现聚集现象，这在一定程度上影响了材料的性能。因此，控制碳的含量和分布对于实现材料性能的优化至关重要。

通过电子背散射衍射（EBSD）分析，可以观察到材料在不同加工状态下的纹理演变。研究发现，加工后的材料中，Brass取向的强度显著增加，但这种取向通常被认为是不利于材料性能的“弱”区域。然而，添加石墨后，Cu-3Zr-0.2C复合材料的Brass取向强度降低，从而改善了材料的变形能力，提高了延伸率。这表明，石墨的加入不仅优化了材料的微观结构，还对材料的纹理分布产生了积极影响，进而提升了其加工性能和综合性能。

在实际应用中，Cu-3Zr-xC复合材料展现出了独特的性能优势。一方面，其电导率的提升主要得益于ZrC颗粒的形成及其在晶界处的分布，这些细小的颗粒能够减少电子散射，提高导电性。另一方面，材料的强度提升则主要归因于位错强化和晶粒细化效应，以及加工过程中形成的特殊纹理结构。这种多方面的强化机制使得Cu-3Zr-0.2C复合材料在强度与电导率之间实现了较好的平衡。

此外，研究还发现，碳含量的增加虽然在一定程度上提高了材料的电导率，但同时也可能带来晶粒粗化和结构不均匀的问题。因此，选择合适的碳含量对于实现材料性能的最优平衡非常重要。本研究中，0.2 wt.%的碳含量被认为是最优的，因为它在提高电导率的同时，能够保持相对较高的强度和延展性。

综上所述，Cu-3Zr-xC复合材料的制备与性能优化是一个涉及多方面因素的复杂过程。通过合理控制碳含量、选择合适的热机械加工工艺，可以实现材料在电导率、强度和延展性之间的良好平衡。这一研究成果为高性能铜基材料的开发提供了新的思路和方法，具有重要的理论和应用价值。