機(jī)械球磨石墨-銅粉末復(fù)合材料變形工藝及組織性能.pdf

1、非連續(xù)增強(qiáng)銅基復(fù)合材料具備銅優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，增強(qiáng)物的加入還可賦予材料高的力學(xué)、摩擦磨損性能和低的熱膨脹系數(shù)。所以，深入研究非連續(xù)增強(qiáng)銅基復(fù)合材料可望開發(fā)出新一代高傳導(dǎo)、高耐磨的功能材料。 與其他的銅基金屬?gòu)?fù)合材料相比，石墨/銅復(fù)合材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐磨性、抗電弧侵蝕性、力學(xué)性能以及良好的經(jīng)濟(jì)性，因此在電焊電極、發(fā)動(dòng)機(jī)的集電環(huán)、電樞和轉(zhuǎn)子等要求高的導(dǎo)電導(dǎo)熱環(huán)境中獲得廣泛應(yīng)用。這種材料融合了石墨和銅分別所具有的優(yōu)良滑

2、動(dòng)性能和導(dǎo)電性能。石墨/銅復(fù)合材料的制造工藝一直采用傳統(tǒng)的粉末冶金法，成本較高，且Cu與C的不潤(rùn)濕性，限制了復(fù)合材料致密度和性能的提高。本文采用石墨/銅混合粉的機(jī)械球磨、粉末壓制、真空熱壓燒結(jié)以及熱擠壓的方法，成功地制備出近全致密、具有良好的電導(dǎo)率、摩擦磨損性能和力學(xué)性能較好等綜合性能較好的石墨/銅復(fù)合材料。本文重點(diǎn)進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的研究。 研究了銅、石墨單質(zhì)元素混合粉在機(jī)械球磨過(guò)程中的顆粒形貌、組織結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能的變化規(guī)律

3、，表明在適當(dāng)?shù)臋C(jī)械球磨工藝條件下，可以獲得在銅基體上彌散而較均勻分布石墨的復(fù)合粉，該復(fù)合粉同時(shí)具有組織細(xì)小的特征。通過(guò)對(duì)復(fù)合粉末的熱處理，研究了復(fù)合粉的組織結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性。針對(duì)眾多學(xué)者提出的、在銅和石墨粉末的機(jī)械球磨過(guò)程中形成過(guò)飽和固溶體的說(shuō)法，通過(guò)多種方法和手段的分析，從而證明了它們之間并未形成固溶體。極細(xì)的碳團(tuán)誘發(fā)的應(yīng)變引起銅的晶格膨脹，經(jīng)退火可以消除掉該應(yīng)變。 通過(guò)用真空燒結(jié)來(lái)制備燒結(jié)坯，驗(yàn)證了石墨/銅復(fù)合材料存在燒結(jié)膨脹的

4、特點(diǎn)，并提出了用粉末壓制、真空熱壓燒結(jié)和熱擠壓相結(jié)合的致密化工藝。系統(tǒng)地研究了致密化工藝參數(shù)包括預(yù)制坯壓力、熱壓燒結(jié)溫度、燒結(jié)保溫時(shí)間、熱壓壓力和擠壓溫度對(duì)壓坯或燒結(jié)坯或復(fù)合材料致密度的影響。采用合適的工藝參數(shù)獲得了近全致密的復(fù)合材料。 熱擠壓變形可使機(jī)械球磨階段形成的隨機(jī)分布的石墨相沿?cái)D壓方向呈條帶狀分布。復(fù)合材料具有細(xì)小的組織結(jié)構(gòu)，較高的抗拉強(qiáng)度和硬度，但其延伸率和沖擊吸收功相對(duì)較小。較大的擠壓比可以獲得較高力學(xué)性能的復(fù)合材

5、料。機(jī)械球磨時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響著復(fù)合材料的斷口類型及斷裂機(jī)制。隨著機(jī)械球磨時(shí)間的延長(zhǎng)，復(fù)合材料的斷裂機(jī)制由韌性斷裂逐漸過(guò)渡為脆性斷裂。 復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率隨著球磨時(shí)間的延長(zhǎng)、擠壓比的提高、熱壓燒結(jié)溫度的提高、燒結(jié)保溫時(shí)間的延長(zhǎng)以及燒結(jié)時(shí)的熱壓壓力的增加而降低。提高擠壓溫度，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率均呈現(xiàn)先降后升的變化規(guī)律。復(fù)合材料亞表層區(qū)域存在著一個(gè)硬度梯度。機(jī)械球磨3h復(fù)合粉所制備的復(fù)合材料具有厚度較小的加工硬化區(qū)，

6、且以較短的時(shí)間達(dá)到穩(wěn)態(tài)磨損。復(fù)合材料的主要磨損機(jī)制為對(duì)摩件表面的犁削所引起的機(jī)械混合層(MML)的剝落或亞表層材料剝層。 復(fù)合材料的導(dǎo)電性隨球磨時(shí)間的延長(zhǎng)和擠壓溫度的提高呈現(xiàn)先升高后降低的規(guī)律。提高擠壓比和燒結(jié)溫度、增加熱壓燒結(jié)時(shí)的壓力以及延長(zhǎng)燒結(jié)保溫時(shí)間，均有利于改善復(fù)合材料的導(dǎo)電性。機(jī)械球磨3h復(fù)合粉所制備的復(fù)合材料中，銅基體連接成連續(xù)的三維網(wǎng)絡(luò)，而且石墨均勻的分布在網(wǎng)絡(luò)之間，有效地發(fā)揮了石墨/銅復(fù)合材料中銅的導(dǎo)電性。