高性能耐磨銅基復(fù)合材料的制備與性能研究.pdf

1、隨著機(jī)械、電子以及航空航天工業(yè)的迅猛發(fā)展，迫切要求開發(fā)不僅具有良好導(dǎo)電(熱)性、而且具有較高機(jī)械和耐磨性能，較低熱膨脹系數(shù)的功能材料。銅和銅合金是傳統(tǒng)的高導(dǎo)電(熱)材料，但由于強(qiáng)度和耐熱性不足，其應(yīng)用范圍受到很大的限制。 本文以開發(fā)高性能導(dǎo)電(熱)耐磨銅基復(fù)合材料為目標(biāo)，通過成分和工藝優(yōu)化，采用機(jī)械合金化(MA)、冷壓成形和復(fù)壓復(fù)燒工藝制備出了滿足性能要求的顆粒增強(qiáng)Cu(-Cr)基復(fù)合材料。以尋求最佳的材料制備工藝，滿足材料的高

2、強(qiáng)度、高導(dǎo)電(熱)性以及優(yōu)良的摩擦磨損性能要求。 通過SEM，XRD、TEM和其它實(shí)驗(yàn)檢測儀器對粉末的機(jī)械合金化過程，復(fù)合材料的微觀組織特征以及機(jī)械、物理和摩擦磨損性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，為拓展新型高性能銅基復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本文研究內(nèi)容主要有以下幾個(gè)方面： 1.采用機(jī)械合金化工藝可使在固態(tài)和液態(tài)下完全互不溶的Cu-Cr系形成過飽和固溶體，并顯著細(xì)化晶粒和產(chǎn)生嚴(yán)重晶格畸變。由高能球磨引起的高密度晶體結(jié)構(gòu)缺陷和溶

3、質(zhì)組元化學(xué)勢的降低以及晶粒細(xì)化對形成Cu-Cr過飽和固溶體起著決定作用。 2.采用冷壓-燒結(jié)-復(fù)壓-復(fù)燒工藝對Cu-Cr合金粉末致密化過程進(jìn)行研究。系統(tǒng)探討了壓制壓力、燒結(jié)溫度對相對密度的影響。研究結(jié)果表明初壓和復(fù)壓能顯著提高材料相對密度，而復(fù)燒對提高材料的相對密度貢獻(xiàn)不大，其作用主要體現(xiàn)在材料性能的改善和優(yōu)化。 3.通過對不同成分Cu-Cr合金性能測試，研究了成分、燒結(jié)溫度和復(fù)壓復(fù)燒對材料力學(xué)和物理性能的作用，同時(shí)探討

4、了Cu-Cr合金的增強(qiáng)機(jī)制。Cu-1.2wt％Cr合金的硬度、抗拉強(qiáng)度隨著燒結(jié)溫度的升高而增加，在850℃時(shí)達(dá)到峰值；當(dāng)溫度進(jìn)一步升高時(shí)，由于析出相Cr粒子長大、粗化，與基體失去共格，使得硬度和抗拉強(qiáng)度又有所下降，而材料的導(dǎo)電(熱)率則隨著燒結(jié)溫度的升高繼續(xù)緩慢增加。合金中過飽和的Cr原子對材料強(qiáng)度的影響是通過沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化來實(shí)現(xiàn)的。 4.以Sic為增強(qiáng)顆粒，采用粉末冶金工藝制備了顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，研究了SiC顆粒體積分

5、數(shù)、粒度對復(fù)合材料顯微組織和力學(xué)、物理、摩擦磨損性能的影響。在此基礎(chǔ)上著重探討了SiC顆粒粒度的變化對復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明：在制備工藝相同的情況下，SiC粒度為10μm時(shí)，復(fù)合材料具有最大抗拉強(qiáng)度，達(dá)到265.7MPa，其斷裂機(jī)制是以Cu-SiC界面處基體撕裂為主。 當(dāng)SiC顆粒粒度較大時(shí)(≥21μm)，由于界面面積有限和增強(qiáng)顆粒間距過大，使得SiC顆粒增強(qiáng)效果有限。相對于強(qiáng)度的變化，復(fù)合材料的摩擦磨損特性也隨SiC顆粒

6、粒度的變化而發(fā)生明顯改變。在低載荷條件下(≤120N)，增大SiC顆粒粒度有助于提高材料的耐磨性，其磨損機(jī)制以磨粒磨損為主。隨著載荷的增加，由于大粒度SiC顆粒易于破碎，承載作用下降，導(dǎo)致剝層磨損的發(fā)生。 通過對復(fù)合材料物理性能研究表明：由于SiC粒度減小，復(fù)合材料單位體積Cu-SiC界面面積的增加和SiC顆粒間距的減小，都會對自由電子的運(yùn)動產(chǎn)生阻礙作用，導(dǎo)致復(fù)合材導(dǎo)電(熱)率下降。復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)隨著SiC顆粒粒度的增加而

7、提高；同時(shí)由于SiC顆粒粒度的增加，導(dǎo)致材料內(nèi)部的熱應(yīng)力提高，引起材料熱膨脹系數(shù)發(fā)生突變的臨界溫度降低。 5.采用化學(xué)沉積工藝對SiC顆粒表面包覆Cu或Ni，以改善Cu-SiC界面狀況。結(jié)果表明：SiC顆粒表面經(jīng)金屬涂層處理提高了復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度，在基體和增強(qiáng)顆粒之間可以有效傳遞載荷，使得復(fù)合材料的相對密度、硬度和拉伸性能獲得提高。由于基體銅和鎳鍍層之間可以相互擴(kuò)散，形成連續(xù)固溶層，從而使復(fù)合材料力學(xué)性能提升更為顯著。在摩擦

8、磨損過程中由于界面優(yōu)化減少了SiC顆粒與基體的界面脫粘，有效地發(fā)揮承載作用，從而提高了Cu/SiC復(fù)合材料的耐磨性。 6.為了結(jié)合顆粒強(qiáng)化和析出強(qiáng)化兩種強(qiáng)化方式，以Cu-Cr臺金為基體，采用SiC顆粒增強(qiáng)Cu-Cr合金，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著基體強(qiáng)度的提高，可更有效的發(fā)揮SiC顆粒對復(fù)合材料的增強(qiáng)作用，并改變了復(fù)合材料的斷裂機(jī)制，同時(shí)材料軟化溫度也得到大幅度提高。 7.研究了不同載荷、滑動速度和距離條件下(Cu-Cr))/SiC復(fù)

9、合材料的摩擦磨損行為。結(jié)果表明：隨著SiC顆粒含量的增加，復(fù)合材料的耐磨性能得到提高，并延緩了嚴(yán)重磨損的發(fā)生。當(dāng)載荷和滑動速度等條件變化時(shí)，復(fù)合材料的磨損機(jī)制也發(fā)生改變，并在某一臨界值附近引起磨損率的突然增加。在微緩磨損階段磨粒磨損和氧化磨損為主要磨損機(jī)制；在嚴(yán)重磨損階段因磨損面機(jī)械混合層的剝層脫落和摩擦熱導(dǎo)致亞表層基體溫升軟化及對磨雙方材料大量粘著轉(zhuǎn)移為主要磨損機(jī)制。 8.研究了(Cu-Cr))/SiC復(fù)合材料高溫摩擦磨損行為

10、，結(jié)果表明SiC顆粒的加入，可以有效提高復(fù)合材料發(fā)生嚴(yán)重磨損的臨界溫度。嚴(yán)重磨損發(fā)生的原因是因?yàn)闇囟鹊脑黾訉?dǎo)致磨損面氧化膜破裂、脫落，磨損機(jī)制以剝層、粘著磨損為主。石墨顆粒的加入可以降低在一定溫度下復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率，改善了復(fù)合材料高溫摩擦學(xué)特性。 9.研究了納米SiC顆粒對Cu-Cr合金的增強(qiáng)作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在納米SiC含量較低的情況下(0.5％-3％)，復(fù)合材料硬度、抗拉強(qiáng)度和摩擦磨損性能隨著納米SiC顆粒增加而得到改

11、善，而當(dāng)納米顆粒含量達(dá)到5％，則發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，對材料力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響，并導(dǎo)致斷裂機(jī)制的改變。 本文采用機(jī)械合金化工藝制備了Cu-Cr復(fù)合粉末，并開發(fā)相應(yīng)的成形工藝，獲得最佳工藝參數(shù)，然后采用SiC顆粒增強(qiáng)純Cu和Cu-Cr合金。研究了SiC顆粒含量、粒度和基體強(qiáng)度對復(fù)合材料性能的影響。同時(shí)通過化學(xué)沉積工藝對Cu/SiC復(fù)合材料進(jìn)行界面優(yōu)化，并探索其對復(fù)合材料性能的作用。系統(tǒng)地研究了復(fù)合材料在室溫和高溫環(huán)境下的摩擦磨損行為，分