高性能耐磨銅基復合材料的制備與性能研究.pdf

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

2、強度、高導電(熱)性以及優(yōu)良的摩擦磨損性能要求。 通過SEM，XRD、TEM和其它實驗檢測儀器對粉末的機械合金化過程，復合材料的微觀組織特征以及機械、物理和摩擦磨損性能進行了系統(tǒng)研究，為拓展新型高性能銅基復合材料的應用領域打下堅實基礎。本文研究內容主要有以下幾個方面： 1.采用機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，并顯著細化晶粒和產生嚴重晶格畸變。由高能球磨引起的高密度晶體結構缺陷和溶

3、質組元化學勢的降低以及晶粒細化對形成Cu-Cr過飽和固溶體起著決定作用。 2.采用冷壓-燒結-復壓-復燒工藝對Cu-Cr合金粉末致密化過程進行研究。系統(tǒng)探討了壓制壓力、燒結溫度對相對密度的影響。研究結果表明初壓和復壓能顯著提高材料相對密度，而復燒對提高材料的相對密度貢獻不大，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、燒結溫度和復壓復燒對材料力學和物理性能的作用，同時探討

4、了Cu-Cr合金的增強機制。Cu-1.2wt％Cr合金的硬度、抗拉強度隨著燒結溫度的升高而增加，在850℃時達到峰值；當溫度進一步升高時，由于析出相Cr粒子長大、粗化，與基體失去共格，使得硬度和抗拉強度又有所下降，而材料的導電(熱)率則隨著燒結溫度的升高繼續(xù)緩慢增加。合金中過飽和的Cr原子對材料強度的影響是通過沉淀強化和細晶強化來實現(xiàn)的。 4.以Sic為增強顆粒，采用粉末冶金工藝制備了顆粒增強銅基復合材料，研究了SiC顆粒體積分

5、數、粒度對復合材料顯微組織和力學、物理、摩擦磨損性能的影響。在此基礎上著重探討了SiC顆粒粒度的變化對復合材料性能的影響。結果表明：在制備工藝相同的情況下，SiC粒度為10μm時，復合材料具有最大抗拉強度，達到265.7MPa，其斷裂機制是以Cu-SiC界面處基體撕裂為主。 當SiC顆粒粒度較大時(≥21μm)，由于界面面積有限和增強顆粒間距過大，使得SiC顆粒增強效果有限。相對于強度的變化，復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，導致剝層磨損的發(fā)生。 通過對復合材料物理性能研究表明：由于SiC粒度減小，復合材料單位體積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動產生阻礙作用，導致復合材導電(熱)率下降。復合材料的熱膨脹系數隨著SiC顆粒粒度的增加而

7、提高；同時由于SiC顆粒粒度的增加，導致材料內部的熱應力提高，引起材料熱膨脹系數發(fā)生突變的臨界溫度降低。 5.采用化學沉積工藝對SiC顆粒表面包覆Cu或Ni，以改善Cu-SiC界面狀況。結果表明：SiC顆粒表面經金屬涂層處理提高了復合材料界面結合強度，在基體和增強顆粒之間可以有效傳遞載荷，使得復合材料的相對密度、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散，形成連續(xù)固溶層，從而使復合材料力學性能提升更為顯著。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復合材料的耐磨性。 6.為了結合顆粒強化和析出強化兩種強化方式，以Cu-Cr臺金為基體，采用SiC顆粒增強Cu-Cr合金，結果發(fā)現(xiàn)隨著基體強度的提高，可更有效的發(fā)揮SiC顆粒對復合材料的增強作用，并改變了復合材料的斷裂機制，同時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

9、合材料的摩擦磨損行為。結果表明：隨著SiC顆粒含量的增加，復合材料的耐磨性能得到提高，并延緩了嚴重磨損的發(fā)生。當載荷和滑動速度等條件變化時，復合材料的磨損機制也發(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制；在嚴重磨損階段因磨損面機械混合層的剝層脫落和摩擦熱導致亞表層基體溫升軟化及對磨雙方材料大量粘著轉移為主要磨損機制。 8.研究了(Cu-Cr))/SiC復合材料高溫摩擦磨損行為

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

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