तांबा उद्योग ज्ञान: उच्च प्रदर्शन वाले तांबा-आधारित मिश्रित सामग्रियों का परिचय

तांबा उद्योग ज्ञान: उच्च प्रदर्शन वाले तांबा-आधारित मिश्रित सामग्रियों का परिचय

तांबे और तांबे के मिश्र धातुओं में अच्छे यांत्रिक गुण और उत्कृष्ट प्रक्रिया प्रदर्शन होते हैं। उन्हें कास्ट करना और प्लास्टिक प्रक्रिया करना आसान है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि तांबे और तांबे के मिश्र धातुओं में अच्छा संक्षारण प्रतिरोध, तापीय चालकता और विद्युत चालकता होती है, इसलिए उनका व्यापक रूप से इलेक्ट्रॉनिक और इलेक्ट्रिकल, मैकेनिकल विनिर्माण और अन्य औद्योगिक क्षेत्रों में उपयोग किया जा सकता है। हालांकि, तांबे की कमरे के तापमान की ताकत, उच्च तापमान प्रदर्शन और पहनने का प्रदर्शन अपर्याप्त है, जो इसके व्यापक अनुप्रयोग को सीमित करता है। आधुनिक एयरोस्पेस और इलेक्ट्रॉनिक प्रौद्योगिकी के तेजी से विकास के साथ, तांबे के उपयोग के लिए अधिक से अधिक उच्च आवश्यकताएं सामने रखी जाती हैं, अर्थात, तांबे की अच्छी विद्युत चालकता, तापीय चालकता और अन्य भौतिक गुणों को सुनिश्चित करने के आधार पर, तांबे में उच्च शक्ति, विशेष रूप से अच्छे उच्च तापमान यांत्रिक गुणों की आवश्यकता होती है, और सामग्री में कम तापीय विस्तार गुणांक और अच्छा घर्षण और पहनने का प्रदर्शन होना आवश्यक है। मेरे देश की पहली हाई-स्पीड रेलवे बीजिंग-शंघाई लाइन का कुल निवेश लगभग 20 बिलियन अमेरिकी डॉलर है। निर्माण 2008 में शुरू हुआ। संपर्क तार की वार्षिक मांग लगभग 10,000 टन है। जाहिर है, संपर्क तार के अनुसंधान और विकास, यानी उच्च शक्ति, उच्च चालकता और उच्च पहनने के लिए प्रतिरोधी तांबे मिश्र धातु कार्यात्मक सामग्री के अनुसंधान और विकास का एक बड़ा घरेलू और विदेशी बाजार है। प्रतिरोध वेल्डिंग इलेक्ट्रोड, सीम वेल्डिंग रोलर्स और एकीकृत सर्किट लीड फ्रेम को भी उच्च शक्ति और उच्च चालकता वाले तांबे मिश्र धातुओं की आवश्यकता होती है। मौजूदा तांबे और तांबे के मिश्र धातुओं की उच्च शक्ति और उच्च चालकता को ध्यान में रखना मुश्किल है। इसलिए, उचित सुदृढ़ीकरण चरण समग्र सुदृढ़ीकरण विधियों को पेश करके, मैट्रिक्स और कार्यात्मक सुदृढ़ीकरण चरण के सहक्रियात्मक प्रभाव को पूरा करने के लिए, उच्च प्रदर्शन वाले तांबे (मिश्र धातु) आधारित कार्यात्मक मिश्रित सामग्रियों का अनुसंधान और विकास आज दुनिया में एक गर्म विषय बन गया है।
तथाकथित उच्च-शक्ति और उच्च-चालकता वाला तांबा मिश्र धातु आम तौर पर एक तांबे के मिश्र धातु को संदर्भित करता है जिसकी तन्य शक्ति (Gb) शुद्ध तांबे (350-2000MPa) से 2-10 गुना अधिक होती है और तांबे की चालकता 50%~95% होती है, यानी 50-95% IACS तांबा मिश्र धातु। अंतरराष्ट्रीय स्तर पर मान्यता प्राप्त आदर्श सूचकांक δb=600-800MPa है, और चालकता 80% IACSE से अधिक या बराबर होती है। उच्च शक्ति और उच्च चालकता वाले तांबे के मिश्र धातुओं के मुख्य अनुप्रयोग क्षेत्र हैं इलेक्ट्रॉनिक सूचना उद्योग में अल्ट्रा-बड़े पैमाने पर एकीकृत सर्किट लीड फ्रेम, राष्ट्रीय रक्षा और सैन्य उद्योग के लिए इलेक्ट्रॉनिक प्रतिवाद, रडार, उच्च शक्ति वाले सैन्य माइक्रोवेव ट्यूब, उच्च पल्स चुंबकीय क्षेत्र कंडक्टर, परमाणु उपकरण और प्रक्षेपण वाहन, उच्च गति वाले रेल पारगमन के लिए ओवरहेड तार, 300-1250 किलोवाट उच्च शक्ति आवृत्ति-मॉड्यूलेटेड गति-विनियमन एसिंक्रोनस ट्रैक्शन मोटर बार और अंत रिंग, ऑटोमोटिव उद्योग के लिए प्रतिरोध वेल्डिंग इलेक्ट्रोड हेड, धातुकर्म उद्योग के लिए निरंतर कास्टिंग मशीन क्रिस्टलाइज़र,

उच्च प्रदर्शन तांबा आधारित मिश्रित सामग्री का परिचय-वर्गीकरण:

1. कण-प्रबलित तांबा-आधारित मिश्रित सामग्री

सुदृढ़ीकरण मुख्य रूप से सिलिकॉन कार्बाइड और एल्यूमीनियम ऑक्साइड है, और इसमें थोड़ी मात्रा में टाइटेनियम ऑक्साइड और टाइटेनियम बोराइड कण भी हैं (कण का आकार आम तौर पर लगभग 10μm होता है)। व्हिस्कर्स में न केवल बेहतर यांत्रिक गुण होते हैं, बल्कि एक निश्चित पहलू अनुपात भी होता है, इसलिए कणों की तुलना में धातु मैट्रिक्स पर उनका अधिक महत्वपूर्ण सुदृढ़ीकरण प्रभाव होता है। व्हिस्कर्स में आमतौर पर सिलिकॉन कार्बाइड और एल्यूमीनियम बोरेट व्हिस्कर्स का उपयोग किया जाता है। मिश्र धातु प्रक्रिया ऑक्साइड फैलाव मजबूत और कार्बाइड फैलाव मजबूत तांबा आधारित मिश्रित सामग्री तैयार कर सकती है।
2. फाइबर-प्रबलित तांबा-आधारित मिश्रित सामग्री

तांबे या तांबे के मिश्र धातुओं और गैर-धातु या धातु के रेशों से बने कंपोजिट न केवल तांबे की उच्च विद्युत चालकता और तापीय चालकता को बनाए रखते हैं, बल्कि उच्च शक्ति और उच्च तापमान प्रतिरोध भी रखते हैं। ऐसे तांबे-आधारित मिश्रित सामग्रियों के निर्माण में, लंबे फाइबर और छोटे फाइबर दोनों का उपयोग किया जाता है। कार्बन फाइबर-तांबा मिश्रित सामग्रियों में तांबे की अच्छी तापीय चालकता और विद्युत चालकता की विशेषताएं होती हैं, साथ ही कार्बन फाइबर की स्व-स्नेहन, पहनने के प्रतिरोध और कम तापीय विस्तार गुणांक भी होते हैं, इसलिए उनका उपयोग स्लाइडिंग विद्युत संपर्क सामग्री, ब्रश, पावर सेमीकंडक्टर सपोर्ट इलेक्ट्रोड, एकीकृत सर्किट हीट सिंक आदि में किया जाता है। औद्योगिक उत्पादन में तांबे-कार्बन फाइबर मिश्रित सामग्रियों का एक और अनुप्रयोग उदाहरण ट्राम के इलेक्ट्रिक पैन्टोग्राफ पर स्लाइडर और स्लाइडर ट्राम और इलेक्ट्रिक इंजनों के कमजोर हिस्से हैं। पहले धातु के स्लाइडर का उपयोग किया जाता था, और वर्तमान में कार्बन स्लाइडर का उपयोग किया जाता है, लेकिन दोनों में कमियां हैं। कार्बन फाइबर-तांबा मिश्रित सामग्रियों का उपयोग करने के बाद, संपर्क प्रतिरोध कम हो जाता है, ओवरहीटिंग से बचा जाता है, और एक ही समय में ताकत और अधिभार वर्तमान में सुधार होता है, और इसमें उत्कृष्ट स्नेहन और पहनने का प्रतिरोध होता है।

3. उच्च प्रदर्शन माइक्रो-कम्पोजिट तांबा मिश्र धातु

1970 के दशक में सुपरकंडक्टिंग सामग्रियों का अध्ययन करते समय उच्च-प्रदर्शन माइक्रो-कम्पोजिट तांबे मिश्र धातु सामग्री की खोज की गई थी। 1978 में, संयुक्त राज्य अमेरिका में हार्वर्ड विश्वविद्यालय के बार्क एट अल ने पहली बार उच्च-प्रदर्शन Cu-X मिश्र धातु, Cu-X बाइनरी मिश्र धातु की अवधारणा का प्रस्ताव रखा, X में दुर्दम्य धातु W, Mo, Nb, Ta और Cr, Fe, V और अन्य तत्व शामिल हैं। फोर्जिंग, ड्राइंग या रोलिंग के बाद, एक्स धातु को माइक्रो-कम्पोजिट सामग्री बनाने के लिए तार या रिबन के रूप में विरूपण की दिशा में वितरित किया जाता है। इस माइक्रो-कम्पोजिट तांबे मिश्र धातु सामग्री की विशेषता अल्ट्रा-उच्च शक्ति (उच्चतम तन्य शक्ति 2000MPa से अधिक तक पहुँच सकती है), विद्युत चालकता 82% IACS, अच्छे ताप प्रतिरोध, माइक्रो-कम्पोजिट संरचना और अनाज अभिविन्यास तक पहुँच सकती है। Cu-X मिश्र धातु ने अपनी अति-उच्च शक्ति, उच्च विद्युत चालकता और अच्छे ताप प्रतिरोध के कारण लोगों का ध्यान आकर्षित किया है। वर्तमान में, आयोवा विश्वविद्यालय, हार्वर्ड विश्वविद्यालय के सामग्री विभाग, एएमईएस प्रयोगशाला, मिशिगन प्रौद्योगिकी संस्थान और चीन में झेजियांग विश्वविद्यालय ने इस संबंध में बहुत सारे शोध किए हैं, लेकिन अभी भी कई सैद्धांतिक और व्यावहारिक अनुप्रयोग समस्याओं का समाधान किया जाना बाकी है।

उच्च-शक्ति और उच्च-चालकता वाले तांबा-आधारित मिश्रित सामग्री-तैयारी विधियों का परिचय:

1. पाउडर धातुकर्म विधि
पाउडर धातु विज्ञान को सबसे पहले कण-प्रबलित धातु-आधारित मिश्रित सामग्री की तैयारी के लिए विकसित किया गया था, जिसमें आम तौर पर पाउडर मिश्रण, संघनन, डीगैसिंग, सिंटरिंग और अन्य प्रक्रियाएं शामिल हैं। पाउडर धातु विज्ञान उच्च सामग्री उपयोग के साथ एक निकट-नेट बनाने की प्रक्रिया है, जो संगठनात्मक और घटक अलगाव को समाप्त कर सकती है, और कण सुदृढीकरण चरण के कण आकार और मात्रा अंश को एक बड़ी सीमा के भीतर समायोजित किया जा सकता है। यह विधि तांबे आधारित कंपोजिट में संरचनात्मक भागों, घर्षण सामग्री और उच्च चालकता सामग्री के उत्पादन का मुख्य साधन है। तांबे और अधिकांश सिरेमिक सुदृढीकरण कणों की खराब गीलापन और घनत्व में बड़े अंतर के कारण, तरल विधि द्वारा मिश्रित सामग्री तैयार करते समय सुदृढीकरण एकत्रीकरण का उत्पादन करना आसान होता है, जिसके परिणामस्वरूप दूसरे चरण का असमान वितरण होता है। पाउडर धातु विज्ञान धातु पाउडर और सुदृढीकरण को आवश्यक अनुपात में समान रूप से मिला सकता है, जिससे सुदृढीकरण वितरण की समस्या हल हो जाती है। तांबे और मजबूत करने वाले कणों के बीच इंटरफेस बॉन्डिंग ताकत को बढ़ाने के लिए, आमतौर पर रासायनिक जमाव और अन्य तरीकों का उपयोग करके मजबूत करने वाले कणों की सतह को Cu और Ni जैसे धातु कोटिंग्स के साथ लेपित किया जाता है, और फिर कणों को पाउडर धातु विज्ञान [11] का उपयोग करके मिश्रित सामग्री प्राप्त करने के लिए तांबे के पाउडर के साथ समान रूप से मिलाया जाता है। चूंकि धातु कोटिंग्स के साथ लेपित होने के बाद मैट्रिक्स धातु में मजबूत करने वाले कण अधिक समान रूप से वितरित होते हैं, इसलिए मजबूत करने वाली सामग्रियों के बीच सीधा संपर्क कम हो जाता है, और मजबूत करने वाला प्रभाव अधिक प्रभावी रूप से डाला जाता है। इसी समय, विभिन्न धातुओं के साथ कोटिंग करके, इंटरफ़ेस संरचना में सुधार किया जा सकता है, इंटरफ़ेस बॉन्डिंग ताकत को बढ़ाया जा सकता है, और समग्र सामग्री के व्यापक प्रदर्शन में सुधार किया जा सकता है।

2. कम्पोजिट कास्टिंग विधि

औद्योगिक बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए कास्टिंग पसंदीदा तरीका है। हालांकि, कास्टिंग के बाद, इस मिश्रित सामग्री के लिए आम तौर पर एक सहायक विरूपण प्रक्रिया होती है। ठंड से विकृत धातु के पुन: क्रिस्टलीकरण के कारण विरूपण सुदृढ़ीकरण प्रभाव अमान्य हो जाएगा। चूंकि अधिकांश धातुओं का पुन: क्रिस्टलीकरण तापमान उनके गलनांक का लगभग 40% ही होता है, इसलिए कास्टिंग द्वारा प्राप्त सामग्री का उच्च तापमान प्रतिरोध अपेक्षाकृत खराब होता है। कम्पोजिट कास्टिंग प्रक्रिया मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के एमसी फ्लेमिंग्स एट अल द्वारा प्रस्तावित की गई थी। इस विधि में सुदृढ़ीकरण चरण के पृथक्करण का एक अच्छा समाधान है, एक सरल उत्पादन प्रक्रिया है, और यह समग्र सामग्रियों के बड़े पैमाने पर औद्योगिक उत्पादन की प्रवृत्ति के अनुकूल है, जिसमें महान विकास लाभ हैं। हालांकि, पिघल की उच्च चिपचिपाहट के कारण, समग्र कास्टिंग गैस और समावेशन के निर्वहन के लिए अनुकूल नहीं है, इसलिए तैयार सामग्री में अक्सर छिद्र और समावेशन होते हैं; इसके अलावा, इस विधि से तापमान को नियंत्रित करना भी मुश्किल है।

3. आंतरिक ऑक्सीकरण विधि

आंतरिक ऑक्सीकरण विधि तांबा आधारित मिश्रित सामग्री तैयार करने के लिए सबसे अधिक इस्तेमाल की जाने वाली विधियों में से एक है। यह समान रूप से वितरित महीन बिखरे हुए कणों को प्राप्त कर सकता है और सुदृढ़ीकरण चरणों की संख्या को सटीक रूप से नियंत्रित कर सकता है। इस प्रक्रिया का विशिष्ट अनुप्रयोग Cu-A1203 फैलाव-मजबूत तांबा आधारित मिश्रित सामग्री तैयार करना है। इस प्रक्रिया में, तांबे में एल्यूमीनियम की एक छोटी मात्रा, एक मिश्र धातु तत्व जो तांबे में ठोस रूप से घुल जाता है लेकिन तांबे की तुलना में ऑक्साइड बनाने की अधिक प्रवृत्ति होती है, को तांबे में मिलाया जाता है ताकि तांबा-एल्यूमीनियम मिश्र धातु पाउडर बनाया जा सके। ऑक्सीजन पाउडर की सतह से अंदर तक फैल जाती है, ताकि मिश्र धातु परमाणुकृत पाउडर उच्च तापमान और ऑक्सीजन वातावरण में आंतरिक ऑक्सीकरण से गुजरता है, और एल्यूमीनियम एल्यूमीनियम ऑक्साइड में परिवर्तित हो जाता है। फिर, ऑक्सीकृत तांबा हाइड्रोजन वातावरण में कम हो जाता है, लेकिन एल्यूमीनियम ऑक्साइड कम नहीं हो सकता है, और एक तांबा और एल्यूमीनियम ऑक्साइड मिश्रित पाउडर बनाया जाता है, और अंत में एक निश्चित दबाव में सिंटर किया जाता है। आंतरिक ऑक्सीकरण विधि द्वारा बनाए गए Cu-A1203 के निर्माण और इलाज तकनीक में कुछ समस्याएं हैं। पाउडर को सिंटर करना बेहद मुश्किल है, और प्रक्रिया जटिल है और लागत अधिक है। आंतरिक ऑक्सीकरण विधि के नुकसान यह हैं कि प्रक्रिया जटिल है, ऐसे कई कारक हैं जो तैयारी प्रक्रिया को प्रभावित करते हैं, सामग्री की गुणवत्ता को नियंत्रित करना मुश्किल है और उत्पादन लागत अधिक है, जो इस प्रक्रिया के आवेदन को बहुत सीमित करता है। ।
4. द्रव धातु इन-सीटू विधि
तरल धातु इन-सीटू प्रतिक्रिया विधि तांबा आधारित मिश्रित सामग्री के लिए नई तैयारी प्रौद्योगिकियों में से एक है जिसे हाल के वर्षों में विकसित किया गया है। ली एट अल ने पहली बार TiB2/Cu मिश्रित सामग्री सफलतापूर्वक तैयार की। यह विधि दो या दो से अधिक मिश्र धातु तरल पदार्थों को पूरी तरह से हिलाती और मिश्रित करती है और रासायनिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से समान रूप से फैले नैनो-स्केल सुदृढीकरण का उत्पादन करती है। 5vol1% TiB2 युक्त Cu-आधारित मिश्रित सामग्री की चालकता 76% IACS थी। क्रिसेंथौ एट अल ने Cu-Ti घोल में क्रमशः कार्बन ब्लैक, B203 या W कार्बन ब्लैक मिलाया, और तांबा आधारित मिश्रित सामग्री को सुदृढ़ करने के लिए इन-सीटू में बारीक और समान रूप से वितरित TiC, TiB2, और WC कणों को उत्पन्न करने के लिए प्रतिक्रिया की।
5. तीव्र ठोसीकरण विधि

तेज़ शीतलन दर, बड़े प्रारंभिक न्यूक्लियेशन सुपरकूलिंग और ठोसीकरण प्रक्रिया के दौरान उच्च वृद्धि दर के कारण, तेज़ ठोसीकरण विधि ठोस-तरल इंटरफ़ेस को संतुलन से विचलित कर देती है, इस प्रकार पारंपरिक मिश्र धातुओं से अलग संगठनात्मक और संरचनात्मक विशेषताओं की एक श्रृंखला प्रस्तुत करती है। तांबे पर आधारित मिश्रित सामग्री तैयार करने के लिए तेज़ ठोसीकरण विधि में निम्नलिखित विशेषताएँ हैं:

(1) मिश्र धातु तत्व तांबे की ठोस घुलनशीलता काफी बढ़ जाती है;

(2) अनाज बहुत परिष्कृत होते हैं;

(3) रासायनिक घटकों का सूक्ष्म पृथक्करण काफी कम हो जाता है;

(4) क्रिस्टल दोषों का घनत्व बहुत बढ़ जाता है;

(5) एक नई मेटास्टेबल चरण संरचना बनती है;

(6) उम्र बढ़ने के उपचार के बाद, तांबे मैट्रिक्स में दूसरे चरण की सामग्री बढ़ जाती है और फैलाव की डिग्री बढ़ जाती है।

चालकता में मामूली कमी के साथ, मिश्र धातु की ताकत में काफी सुधार होता है, और मिश्र धातु के पहनने और संक्षारण प्रतिरोध में सुधार होता है। तेजी से जमने की तकनीक ने उच्च शक्ति और उच्च चालकता वाले तांबे आधारित मिश्रित सामग्रियों की तैयारी के लिए एक नया क्षेत्र खोल दिया है। भविष्य में, उच्च शक्ति और उच्च चालकता वाले तांबे आधारित मिश्रित सामग्रियों की तेजी से जमने की तैयारी का अनुसंधान फोकस जमने की प्रक्रिया और उम्र बढ़ने की प्रक्रिया के विश्लेषण के माध्यम से सामग्री संरचना, जमने की गतिज मापदंडों और उम्र बढ़ने की प्रक्रिया को अनुकूलित करना और सूक्ष्म संरचना और प्रदर्शन में सुधार करना होगा।
6. यांत्रिक मिश्रधातु विधि
यांत्रिक मिश्र धातु धातु पाउडर या सिरेमिक कणों को एक निश्चित अनुपात में मिलाने के लिए एक उच्च-ऊर्जा बॉल मिल का उपयोग करती है, और उन्हें बार-बार पीसती है। मिश्रित पाउडर बार-बार विरूपण, ठंडी वेल्डिंग, पेराई, पुनः वेल्डिंग और पुनः कुचलने की प्रक्रियाओं से गुजरता है, जो अनाज को नैनोमीटर स्तर तक परिष्कृत कर सकता है और इसकी सतह की गतिविधि बहुत अच्छी होती है [17]। बड़ी संख्या में विरूपण दोषों के परिचय के कारण, आपसी प्रसार क्षमता बढ़ जाती है और सक्रियण ऊर्जा कम हो जाती है, जिससे मिश्र धातु प्रक्रिया साधारण ठोस-अवस्था प्रक्रिया से अलग हो जाती है। इसलिए, कई नई सामग्री तैयार करना संभव है जिन्हें पारंपरिक परिस्थितियों में संश्लेषित करना मुश्किल है। तांबा आधारित मिश्रित सामग्री तैयार करने के लिए यांत्रिक मिश्र धातु का नुकसान यह है कि अशुद्धता तत्वों को बॉल मिलिंग प्रक्रिया के दौरान आसानी से पेश किया जाता है, जो सामग्री के गुणों, विशेष रूप से चालकता को कम करता है। साथ ही, लंबे बॉल मिलिंग समय के कारण उत्पादन क्षमता कम होती है।