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Ti_3AlC_2/Cu基复合材料制备工艺和性能的研究

王虎伟  
【摘要】:随电力机车速度的不断提高,对受电弓滑板的性能要求也不断提高。本文通过化学镀铜或化学镀银,结合球磨混粉、热压烧结及热挤压工艺制备一种性能优良的受电弓滑板用Ti_3AlC_2/Cu复合材料。研究了化学镀铜工艺,化学镀银工艺,热压烧结温度,热挤压对复合材料微观组织和形貌的影响。利用OM、SEM、TEM对复合材料进行组织观察,并测量了其致密度、硬度、抗拉强度、冲击韧性、导电性能和摩擦磨损性能。 本文研究了球磨时间对混粉效果的影响。在球料比为4:1,球磨速度为200rpm下,最佳球磨时间为12h。 900℃热压烧结复合材料,Ti_3AlC_2颗粒大小约为20μm,形状呈椭球形,分布比较均匀。通过面扫描分析,Ti_3AlC_2中的Al大量扩散到铜基体中;采用800℃热压烧结温度,组织均匀,致密度95.45%,抗拉强度为160MPa,通过面扫描分析,Ti_3AlC_2中的Al主要集中在Ti_3AlC_2区域。 研究了装载量、温度、pH、甲醛浓度等化学镀铜工艺,得出最佳工艺为:装载量6g/L、温度60℃、pH 12.5~13.0、甲醛15ml/L。通过上述工艺可以在Ti_3AlC_2表面覆镀一层均匀致密的铜层,测量的厚度达到1.3μm。通过对镀银工艺硝酸银浓度、氨水浓度、甲醛浓度、乙醇浓度的研究得出的最佳镀银工艺:温度20℃、硝酸银10g/L、氨水100ml/L、甲醛浓度15ml/L、乙醇浓度400ml/L、加载量7.5g/L。 Ti_3AlC_2表面镀铜、镀银可改善陶瓷颗粒与铜基体的界面润湿性,提高材料的致密度,同时硬度、抗拉强度也得到大幅提高。10vol.%Ti_3AlC_2/Cu复合材料,镀铜烧结态致密度达到97.86%,抗拉强度为221MPa;镀银烧结态致密度达到98.78%,抗拉强度为260MPa。通过热挤压,有效提高了复合材料的致密度、硬度、常温力学性能。镀铜挤压态致密度达到99.98%,抗拉强度达到306MPa;镀银挤压态致密度达到98.99%,抗拉强度达到408MPa。 研究了不同压力,不同速度,不同滑行距离下材料的摩擦磨损系数、磨损量、磨损率。对磨损形貌进行观察,研究了摩擦磨损机制。研究表明,在滑动速率为0.8m/s,滑动距离为960m。随着载荷的提高烧结态复合材料磨损率不断提高,磨损机制从犁皱型磨料磨损变为微观裂纹型磨料磨损。随着载荷的增加镀铜烧结态磨损率从10N时的0.6×10~(-4)mm~3N-1m-1变为40N时的0.50×10~(-4)mm~3N-1m-1。镀银烧结态磨损率从10N时的0.7×10~(-4)mm~3N-1m-1变为40N时的0.4×10~(-4)mm~3N-1m~(-1)。镀铜挤压态复合材料磨损率从10N时的0.55×10~(-4)mm~3N~(-1)m~(-1)变为30N时的0.31×10~(-4)mm~3N~(-1)m~(-1),又变为60N时的0.17×10~(-4)mm~3N~(-1)m~(-1)。磨损机制从10N时的凿削型磨料磨损变为30N时的犁皱型磨料磨损,60N时又变为研磨型磨料磨损。镀银挤压态复合材料磨损率不断降低,磨损率从10N时的0.75×10~(-4)mm~3N~(-1)m~(-1)变为30N时的0.42×10~(-4)mm~3N~(-1)m~(-1),又变为40N时的0.16×10~(-4)mm~3N~(-1)m~(-1),磨损机制从10N时刮伤型磨料磨损变为30N时的刮伤型粘着磨损,40N时又变为擦伤型磨料磨损。在载荷为20N,滑动距离为960m时,随着滑动速度的提高,材料的磨损率不断降低,材料的磨损率从0.4m/s速度时的0.58×10~(-4)mm~3N~(-1)m~(-1)下降为3.2m/s时的0.11×10~(-4)mm~3N~(-1)m~(-1),对应的磨损机制从微观裂纹型磨料磨损变为擦伤型磨料磨损。 实验表明,烧结态材料由于材料致密度比较低,力学性能比较差,当在40N载荷下时,材料表面容易出现微观裂纹,材料的磨损率比较高;而挤压态复合材料致密度高,材料力学性能比较好,摩擦面上的自润滑材料在大于40N时充分发挥出了自身的作用,磨损率反而降低。


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