Cu/TiC复合材料的制备，组织结构及摩擦磨损行为

【摘要】：铜及其合金在人类发展及生产力提高的漫长历史中起到了举足轻重的作用,随着近代科学技术的迅速发展,铜及其合金以其优异的导电,导热性能,良好的耐腐蚀性能以及加工性能而日益成为工业化过程中不可或缺的金属材料,在人类的生产生活中起到越来越重要的作用。但是铜的硬度,强度较低,耐磨性较差限制了铜及其合金的进一步应用。随着材料科学的发展,材料技术的进步对材料的性能也提出了新的要求,新材料正朝着复合化、高功能化和智能化方向发展。一般来说,提高铜基材料的复合性能,尤其是机械强度和摩擦磨损性能主要采用合金化方法和复合材料化方法。研究表明,采用铜作为基体制备硬质颗粒强化复合材料可以最大程度保留铜优异的导电导热性能。新型粉末冶金技术的快速发展为制备高性能铜基颗粒强化复合材料提供了有效地新途径,也大大扩展了铜基颗粒强化复合材料的成分选择范围。TiC作为最硬的金属碳化物,常用作复合材料中的增强相。但是采用传统方法制备TiC较为困难,而新和成方法如机械合金化方法,高温自蔓延烧结方法等快速发展为TiC的应用及以TiC为增强相的复合材料的制备提供了新的途径。而TiC强化铜基复合材料既具有铜基体优良的导电导热性能,同时又具有良好的耐磨性能而受到人们的关注。本文以机械合金化方法,冷压烧结方法以及放电等离子烧结方法制备TiC强化铜基复合材料,并对复合材料的微观组织结果的演变,机械性能以及摩擦磨损性能进行了分析。 本文首次对机械合金化过程中磨球直径与TiC合成方式的关系进行了数学分析,并加以实验验证。在机械合金化过程中,直径较小的磨球对于粉末的细化作用较好,但是直径较大的磨球在碰撞过程中向粉末传递的能量较多,这导致了在机械合金化制备TiC的过程中,采用较小直径的磨球时发生TiC合成反应所需球磨时间往往较之采用较大直径磨球时所需时间更短,但同时采用较小直径磨球时TiC合成反应无法在短时间内完成,表现为TiC含量随着机械合金化时间的增加而逐渐增加,但采用直径较大的磨球时,TiC合成反应在短时间内完成,表现为机械诱发自蔓燃反应的模式。同时本文在研究中发现采用机械合金化方法还可以获得高度活化的Ti-C复合粉末,在烧结过程中在较低的温度下即可发生TiC合成反应。 本文对不同成分的Cu-Ti-C复合粉末在机械合金化过程中的微观组织变化行为进行了研究分析。在机械合金化过程中,Cu-Ti-C复合粉末的颗粒尺寸随着机械合金化时间的增加先变小后增大,而Cu含量较高的Cu-Ti-C复合粉末在机械合金化过程中出现了明显的团聚现象；在经过不同时间机械合金化的Cu-Ti-C复合粉末中可以发现Ti向Cu中发生固溶,同时C也向Cu中发生了亚固溶；在经过机械合金化的Cu-Ti-C复合粉末中可以发现细小的机械孪晶的存在：经过Cu-Ti-C复合粉末在较低的烧结下就可以发生TiC合成反应,具有较高的活性。 本文采用冷压-烧结方法对在Cu粉中添加活化Ti-C粉末分别进行烧结实验并分析其微观组织的演化,机械性能及摩擦磨损行为。在烧结过程中发生了TiC合成反应,形成了TiC强化复合材料。实验结果显示,随着烧结温度的升高,TiC含量逐渐增加,复合材料的硬度和密度都随着烧结温度的升高而出现了先升高后降低,复合材料的显微组织显示在TiC与Cu基体之间存在有明显的热影响区,改善了Cu基体与TiC之间的界面结合,增强了复合材料的性能。随着Cu粉末与Ti-C粉末混合时球磨强度的增加(混合时间和混合时球磨速度),在复合材料中TiC含量逐渐减少。采用冷压-烧结方法制备的TiC强化Cu基复合材料在摩擦磨损过程中表现为三体磨损形式,随着Ti-C粉末机械合金化时间的增加,复合材料的磨损率降低,随着烧结温度的升高,复合材料的磨损率先降低后升高,而随着Cu粉末与Ti-C粉末混合时球磨强度的增加,复合材料的磨损率也先降低后升高。采用冷压-烧结方法制备的TiC强化复合材料表现出良好的耐磨性能,磨损率最低可达1.96x10-4mm3/Nm. 本文采用放电等离子烧结方法对直接机械合金化的Cu-Ti-C复合粉末以及向Cu粉中添加活化Ti-C粉末分别进行烧结实验并分析其微观组织的演化,机械性能及摩擦磨损行为。实验结果显示,在烧结过程中,两种粉末都发生了TiC合成反应,形成了TiC强化Cu基复合材料。由向Cu粉中添加活化Ti-C粉末烧结得到的复合材料由Cu, TiC以及随烧结温度升高逐渐减少并消失的C组成,而由直接机械合金化的Cu-Ti-C复合粉末烧结得到的复合材料中还含有Cu3Ti2。由两种粉末烧结得到的复合材料中TiC显示出不同的合成机制,由向Cu粉中添加活化Ti-C粉末烧结得到的复合材料中TiC由直接合成反应形成,而由直接机械合金化的Cu-Ti-C复合粉末烧结得到复合材料中的TiC则不仅通过直接合成反应形成,还通过扩散反应的模式合成。由两种粉末烧结得到的复合材料在摩擦磨损过程中表现出不同的磨损机制,由向Cu粉中添加活化Ti-C粉末烧结得到的复合材料在摩擦磨损过程中表现出三体磨损机制,随着实验载荷的增加,磨损表面的第三体机械转移层逐渐变大,并在高载荷下发生破坏。而由直接机械合金化的Cu-Ti-C复合粉末烧结得到的复合材料在摩擦磨损过程中表现为粘着磨损以及在高载荷下出现的磨粒磨损和剥层磨损,并表现出较之由向Cu粉中添加活化Ti-C粉末烧结得到的复合材料更低的磨损率和摩擦系数,而其摩擦磨损行为也更为稳定。由放电等离子烧结得到的复合材料较之采用冷压-烧结方法制备的复合材料表现出更佳的耐磨性能。 本文首次提出向Cu-Sn合金粉末中添加经过机械活化的Ti-C复合粉末以及石墨,Fe, Ni, Cr, Al2O3,并采用冷压烧结方法制备高速列车用制动闸片材料,TiC在烧结过程中合成,有助于改善基体材料与增磨相,润滑相之间的界面结合,提高复合材料的机械性能和耐磨性。实验结果显示,复合材料在烧结过程中发生了TiC合成反应；复合材料的摩擦磨损机制为三体磨损,复合材料的摩擦系数可以通过增磨相TiC和润滑相石墨的含量以及烧结温度加以控制；含有Al2O3的复合材料在高载荷下会发生破碎(200N以上)；添加Ni和Cr有助于提高在不同载荷下摩擦系数的稳定性；由此方法制备的高速列车用制动闸片材料表现出良好的耐磨性能,在实验中磨损率均大大低于国际铁路联盟所规定的0.63cm3/MJ的标准。