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铜—铬机械合金化及石墨/(铜—铬)复合材料组织与性能研究

张萍  
【摘要】: 石墨/铜复合材料,不仅导电性与导热性优异,而且具有良好的抗电弧侵蚀和抗磨损能力以及较高的强度,是一种具有广泛应用前景的新型材料,尤其是在电接触材料领域得到广泛的应用。石墨与铜完全不浸润,在使用粉末冶金方法制备的复合材料当中,两者也只是机械互锁结合,其界面强度低,严重影响了复合材料的性能。因此,如何在保持较高电导率水平的前提下,大幅度地提高强度、硬度和耐磨性的问题已成为铜基复合材料研究与开发的重要问题。 有研究发现,铬可减小铜和石墨的润湿角,并且铜铬合金往往具有较高强度,因此本文通过组分优化设计,采用机械合金化技术制备Cu-Cr过饱和固溶体合金粉末,并结合粉末冶金方法制备采用基体合金化方法强化基体的石墨/铜-铬复合材料,以开发高性能铜基自润滑复合材料为目标,为拓展新型铜基复合材料的应用领域提供技术保障。本文的研究主要包括以下几个方面的内容: (1)采用机械合金化技术制备了Cu-5wt%Cr复合粉体,利用XRD分析了Cu-5wt%Cr复合粉体机械合金化过程。结果表明:随着球磨时间的增加,晶粒不断细化,Cu-5wt%Cr复合粉末衍射峰不断宽化,衍射强度逐渐下降;当球磨60h时,Cr已完全固溶在Cu晶格中。 (2)采用粉末冶金方法制备了石墨/铜复合材料,探讨了制备工艺对复合材料致密性的影响。结果表明:在复合材料压制过程中,随着Cu-5wt%Cr复合粉体含量的增加,冷压难度增大。压制前对Cu-5wt%Cr复合粉体进行400℃退火处理可部分降低冷压难度,要保证材料的密度,同时还需在一定的范围内增加压制压力,由此制备出的石墨/铜-铬复合材料具有较高的密度,Cu-5%wtCr复合粉末的强化效果能得以保留。 (3)分析了基体合金化对石墨/铜复合材料性能的影响,结果表明:随着Cr含量增多,石墨/铜复合材料硬度提高,抗弯强度先增大后减小,导电性能下降。其原因是在冷压工艺下,随着Cu-5wt%Cr复合粉末含量的增加,复合材料难以达到较高密度,从而造成抗弯强度和导电性的损失。当复合材料中Cr含量小于1%时,复合粉末则能有效地增强基体,而使得电阻率只有小幅度的增加。 (4)探讨了基体合金化对(7.5%)C/Cu-Cr复合材料摩擦磨损性能的影响。结果表明:随着Cr含量的增加,复合材料摩擦系数增加;当基体中Cr含量小于2.0%时,复合材料具有较高的强度和合适的硬度,摩擦副之间能够形成良好的复合固体润滑膜,有效地降低了磨损量,特别是当Cr含量为1.0%时,复合材料耐磨性最好;当Cr含量超过2.0%时,复合材料强度降低,硬度增加,磨损机制以磨粒磨损为主,Cr含量愈高,磨损量愈大。


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