【摘 要】
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铜材料因其具有良好的导电性、导热性、可加工性能,广泛应用于航空航天、海洋船舶、空间技术、新能源、高铁运输等领域。但铜合金力学性能不佳,摩擦学性能较差的缺点限制了其在工程摩擦材料如电刷材料、轴承材料等方面应用。这种情况下,制备具有更好力学性能以及摩擦学性能的铜基复合材料具有重要的意义。本文以实验室合成的MoAlB陶瓷作为添加相,采用快速热压烧结方法成功制备了原位MoB增强的Cu-Sn-Al基复合材料
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（U18042525, 51805513）； 河南省高等学校重点科研项目计划（20A430009）；
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铜材料因其具有良好的导电性、导热性、可加工性能,广泛应用于航空航天、海洋船舶、空间技术、新能源、高铁运输等领域。但铜合金力学性能不佳,摩擦学性能较差的缺点限制了其在工程摩擦材料如电刷材料、轴承材料等方面应用。这种情况下,制备具有更好力学性能以及摩擦学性能的铜基复合材料具有重要的意义。本文以实验室合成的MoAlB陶瓷作为添加相,采用快速热压烧结方法成功制备了原位MoB增强的Cu-Sn-Al基复合材料,探究了材料制备工艺,研究了制备过程中材料微观组织的变化,分析了材料的力学性能变化以及强化机制,对不同材料组分的摩擦磨损性能进行研究。研究结果如下:首先以Mo、Al、B元素粉为原料,通过无压烧结方法制备了纯度较高的MoAlB陶瓷粉体;以MoAlB陶瓷为增强体,Cu和Sn元素粉体为基体,通过热压烧结方法制备了原位MoB增强Cu-Sn-Al基复合材料,经过工艺探索,复合材料体系的最佳制备工艺为烧结920℃,保温10min;在烧结过程中,MoAlB陶瓷分解,层状结构中的Al元素能够扩散到Cu-5Sn合金基体中,生成MoB相和Cu-Sn-Al合金,Al元素的固溶可使铜合金基体晶体晶格常数变大;生成的MoB在基体再结晶过程中能够起到阻碍晶粒长大的作用,使晶粒发生细化;原位反应生成的MoB为六方晶系,结构仍保持了MoAlB原本的层状结构。随着MoAlB添加量的增加,复合材料的密度逐渐降低,硬度逐渐增加,复合材料的强度随着MoAlB添加量的增加先增加后降低,复合材料的脆性随MoAlB含量的增加而增加。Cu-5Sn合金硬度为69.6 HV0.1,屈服强度为191.1MPa,当MoAlB添加量为10%,复合材料强度最高,拉伸强度为383.9 MPa,提升了将近一倍,压缩强度为1156.5 MPa,提升了将近8倍。当MoAlB添加量为30%,复合材料硬度最高,硬度为321.2 HV0.1,提升了将近4.5倍。原位MoB增强Cu-Sn-Al合金基复合材料的强化机制是弥散强化,弥散分布的MoB在含量适当时,能够减少基体裂纹萌生,使材料强度增加。对材料进行摩擦试验后发现,材料的摩擦系数与磨损率均随着MoAlB添加量的增加而降低,Cu-5Sn合金摩擦系数为0.67,磨损率为3.60×10-4 mm~3/N·m,MoAlB添加量达到30%,摩擦系数最低,摩擦系数为0.31,降低将近一倍,磨损率为5.4×10-5 mm~3/N·m,降低了一个数量级;随着MoAlB添加量的增加,复合材料黏着磨损造成的脱落逐渐较少,二体磨损造成的犁沟也逐渐变浅;摩擦系数的降低是由于复合材料在摩擦过程中MoB发生氧化,形成氧化物能够起到润滑作用,MoB颗粒还能起到钉扎强化作用,抑制材料在摩擦过程中的位错移动,从而抑制材料的塑性变形,减少磨损。本研究成功制备了原位MoB增强Cu-Sn-Al基复合材料,其力学性能提升明显,摩擦学性能也得到改善。
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