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【摘 要】通过高温自蔓延反应可制备出MoSix相增强的Cu复合材料。MoSix/Cu复合材料相组成包含固溶体相α-Cu、α-Mo、MoSix和CuxSix四类。随着MoSi2预设含量的增加和Mo/Si原子比的降低，MoSix/Cu复合材料中MoSixie和CuxSi相的含量明显增加。
【关键词】自蔓延高温合成；MoSix/Cu复合材料；相组成
SHS MoSix / Cu composite
Wang Yan,Wang Si-ming
(Schneider Electric (China) Co., Ltd Xi'an Shaanxi 710000)
【Abstract】By high-temperature self-propagating reactions can be prepared MoSi x-phase enhanced Cu composites. MoSix / Cu phase composition of composite materials containing solid solution phase α-Cu, α-Mo, MoSix and CuxSix four categories. With the default content of MoSi2 increase and Mo / Si atomic ratio lower, MoSix / Cu composites MoSixie and CuxSi phase were significantly increased.
【Key words】SHS;MoSix / Cu composite;Phase composition
铜及其合金由于具有良好的导电、导热、耐腐蚀性以及优良的可加工性能，被广泛应用于电力、电工、机械制造等领域［1］。然而，铜合金较差的耐磨减摩特性限制了其更为广泛的应用。金属间化合物MoSix 具有自润滑特性，且具有高熔点、高的使用温度、优异的高温抗氧化性和耐蚀性、适中的密度、良好的导电性等特性［2］。Cu基体引入MoSix后，在提高强度和降低磨损的同时又不太大降低铜基体的导电性能是有可能的。然而，Cu基体和MoSix相之间较差的润湿性成为制备MoSix/Cu复合材料的技术瓶颈。
MoSix及其复合材料可采用的制备方法有机械合金化(MA)法、自蔓延高温合成(SHS)法、放电等离子烧结(SPS)法、熔渗法、微波烧结法等［3］。相比较而言，自蔓延高温合成(SHS) 技术，或称燃烧合成(CS)，是利用化学反应的强烈放热来制备高熔点化合物的一种材料制备技术［4］，具有反应速度快、能耗低、产物纯净、合成纯度高等优点［5,6］。采用高温自蔓延法制备MoSix/Cu复合材料时，因MoSix相是原位生成的，故与基体之间的界面不存在污染，可有效地改善铜基体与MoSix的润湿性。因此，自蔓延高温合成技术可成为制备高性能MoSix/Cu基复合材料的有效方法。
本文目的在于采用自蔓延高温合成技术(SHS)制备MoSix/Cu复合材料，并系统研究MoSi2预设含量和Mo/Si原子比对相组成的影响。
1. 实验过程
实验用原材料为3N级高纯Al、MoO3、CuO和Si粉末，四种粉末的粒度均为200目。MoSi2预设含量(wt.%)为5％、10％、15％、20％，Mo/Si原子比分别为1:2、1:2.2、1:2.4共计12组试样。不同粉末采用精度为0.0001g的电子天平称取后，在自制的混料机上混合均匀，混合均匀的粉末采用钢模压制成?30mm×10~15mm的压坯。混料所用的球料比为3:1，混粉时间为10h；压制压力约为7～10MPa，保压时间为300s，压制后压坯的相对密度约为50%。最后将压坯放入自蔓延高温合成高压釜中的石墨坩埚，通电加热直至反应开始，整个反应过程采用7MPa氩气保护。
金相试样沿SHS所获得铸锭的轴向方向截取，经打磨、抛光后，利用扫描电子显微镜(SEM)结合能谱分析(EDS)表征试样的显微组织与元素分布。MoSix/Cu基复合材料的相组成采用X射线衍射分析仪(XRD)确定。
2. 实验结果及分析
2.1 MoSi2预比均为1:2。设含量对Cu-Mo-Si合金相组成的影响。
，当MoSi2预设含量为5%时，XRD衍射峰主要对应于固溶体相α-Cu，此外非常微弱的衍射峰分别对应于单质Mo和金属间化合物MoSix，这表明Cu-Mo-Si合金中的相组成以固溶体相α-Cu为主，同时存在少量的单质Mo和MoSix相(MoSi2和Mo5Si3)。随着MoSi2预设含量的增加，XRD谱图中MoSix相对应的衍射峰强度明显增强，而单质Mo对应的衍射峰并无明显变化。此外，XRD谱图中出现了新的衍射峰，经分析可确认为Cu4Si相和Mo3Si相。表明增加的Mo、Si元素主要以MoSix的形式出现在合金中，仅有少量的Si与Cu反应生成了Cu4Si化合物。
2.2 Mo/Si原子比对Cu-Mo-Si合金相组成的影响。
，尽管不同MoSi2预设含量的Cu-Mo-Si合金具有不同的相组成，但Mo/Si原子比对Cu-Mo-Si合金相组成影响的趋势大致相同。当Mo/Si原子比为1:2时，合金中MoSix以高Mo/Si比的Mo5Si3和Mo3Si为主，而当Mo/Si原子比为1:2.4时，合金中的MoSix主要为低Mo/Si比的MoSi2。上述结果充分说明适当地降低Mo/Si原子比对MoSi2的形成是有利的。
另一方面，随着Mo/Si原子比的降低，尤其是高MoSi2预设含量的Cu-Mo-Si合金中，Cu-Si化合物Cu3Si或Cu4Si的含量明显提高，表明在高MoSi2预设含量下，并不是所有Si原子与Mo结合生成MoSix，而是有一部分Si与Cu结合形成了CuxSi化合物。有研究表明［7］，Cu合金中Cu-Si化合物的存在对合金的导电性是不利的，因此在设计Cu-Mo-Si合金成分时，也不能过分降低Mo/Si原子比，否则大量的Cu-Si化合物的生成会严重影响合金的导电性能。
3. 结论
3.1 通过高温自蔓延反应可制备出MoSix相增强的Cu复合材料。MoSix/Cu复合材料相组成包含固溶体相α-Cu、α-Mo、MoSix和CuxSi四类相。
3.2 随着MoSi2预设含量的增加和Mo/Si原子比的降低，MoSix/Cu复合材料中MoSix和CuxSi相的含量明显增加。
参考文献
［1］ 赵冬梅，董企铭，刘平，金志浩，黄金亮. 铜合金引线框架材料的发展［J］. 材料导报，2001，15(5)：25～27.
［2］ 陈树川．材料物理性能［M］．上海：上海交通大学出版社，1999，40～65.
［3］ N.S. Stoloff, An overview of powder processing of silicides and their composites. Mater. Sci. Eng. A 261 (1999) :169～180.
［4］ Merzhanov,A.G.,and Borovinskaya, I.P., Dokl Akad Naud SSSR, Self-propagating high-temperature synthesis of inorganic compounds.1972,204,336～369.
［5］ 殷声．燃烧合成［M］．北京: 冶金工业出 版社，1999：1～8.
［6］ 吴人洁．复合材料［M］．天津: 天津大学 出版社，2002：319～329.
［7］ 湛永钟，张国定，高导电耐磨铜基复合材料的研究， 机械工程材料2003，11(27) ：18～21.
［文章编号］1006-7619（2011）08-24-870
【关键词】自蔓延高温合成；MoSix/Cu复合材料；相组成
SHS MoSix / Cu composite
Wang Yan,Wang Si-ming
(Schneider Electric (China) Co., Ltd Xi'an Shaanxi 710000)
【Abstract】By high-temperature self-propagating reactions can be prepared MoSi x-phase enhanced Cu composites. MoSix / Cu phase composition of composite materials containing solid solution phase α-Cu, α-Mo, MoSix and CuxSix four categories. With the default content of MoSi2 increase and Mo / Si atomic ratio lower, MoSix / Cu composites MoSixie and CuxSi phase were significantly increased.
【Key words】SHS;MoSix / Cu composite;Phase composition
铜及其合金由于具有良好的导电、导热、耐腐蚀性以及优良的可加工性能，被广泛应用于电力、电工、机械制造等领域［1］。然而，铜合金较差的耐磨减摩特性限制了其更为广泛的应用。金属间化合物MoSix 具有自润滑特性，且具有高熔点、高的使用温度、优异的高温抗氧化性和耐蚀性、适中的密度、良好的导电性等特性［2］。Cu基体引入MoSix后，在提高强度和降低磨损的同时又不太大降低铜基体的导电性能是有可能的。然而，Cu基体和MoSix相之间较差的润湿性成为制备MoSix/Cu复合材料的技术瓶颈。
MoSix及其复合材料可采用的制备方法有机械合金化(MA)法、自蔓延高温合成(SHS)法、放电等离子烧结(SPS)法、熔渗法、微波烧结法等［3］。相比较而言，自蔓延高温合成(SHS) 技术，或称燃烧合成(CS)，是利用化学反应的强烈放热来制备高熔点化合物的一种材料制备技术［4］，具有反应速度快、能耗低、产物纯净、合成纯度高等优点［5,6］。采用高温自蔓延法制备MoSix/Cu复合材料时，因MoSix相是原位生成的，故与基体之间的界面不存在污染，可有效地改善铜基体与MoSix的润湿性。因此，自蔓延高温合成技术可成为制备高性能MoSix/Cu基复合材料的有效方法。
本文目的在于采用自蔓延高温合成技术(SHS)制备MoSix/Cu复合材料，并系统研究MoSi2预设含量和Mo/Si原子比对相组成的影响。
1. 实验过程
实验用原材料为3N级高纯Al、MoO3、CuO和Si粉末，四种粉末的粒度均为200目。MoSi2预设含量(wt.%)为5％、10％、15％、20％，Mo/Si原子比分别为1:2、1:2.2、1:2.4共计12组试样。不同粉末采用精度为0.0001g的电子天平称取后，在自制的混料机上混合均匀，混合均匀的粉末采用钢模压制成?30mm×10~15mm的压坯。混料所用的球料比为3:1，混粉时间为10h；压制压力约为7～10MPa，保压时间为300s，压制后压坯的相对密度约为50%。最后将压坯放入自蔓延高温合成高压釜中的石墨坩埚，通电加热直至反应开始，整个反应过程采用7MPa氩气保护。
金相试样沿SHS所获得铸锭的轴向方向截取，经打磨、抛光后，利用扫描电子显微镜(SEM)结合能谱分析(EDS)表征试样的显微组织与元素分布。MoSix/Cu基复合材料的相组成采用X射线衍射分析仪(XRD)确定。
2. 实验结果及分析
2.1 MoSi2预比均为1:2。设含量对Cu-Mo-Si合金相组成的影响。
，当MoSi2预设含量为5%时，XRD衍射峰主要对应于固溶体相α-Cu，此外非常微弱的衍射峰分别对应于单质Mo和金属间化合物MoSix，这表明Cu-Mo-Si合金中的相组成以固溶体相α-Cu为主，同时存在少量的单质Mo和MoSix相(MoSi2和Mo5Si3)。随着MoSi2预设含量的增加，XRD谱图中MoSix相对应的衍射峰强度明显增强，而单质Mo对应的衍射峰并无明显变化。此外，XRD谱图中出现了新的衍射峰，经分析可确认为Cu4Si相和Mo3Si相。表明增加的Mo、Si元素主要以MoSix的形式出现在合金中，仅有少量的Si与Cu反应生成了Cu4Si化合物。
2.2 Mo/Si原子比对Cu-Mo-Si合金相组成的影响。
，尽管不同MoSi2预设含量的Cu-Mo-Si合金具有不同的相组成，但Mo/Si原子比对Cu-Mo-Si合金相组成影响的趋势大致相同。当Mo/Si原子比为1:2时，合金中MoSix以高Mo/Si比的Mo5Si3和Mo3Si为主，而当Mo/Si原子比为1:2.4时，合金中的MoSix主要为低Mo/Si比的MoSi2。上述结果充分说明适当地降低Mo/Si原子比对MoSi2的形成是有利的。
另一方面，随着Mo/Si原子比的降低，尤其是高MoSi2预设含量的Cu-Mo-Si合金中，Cu-Si化合物Cu3Si或Cu4Si的含量明显提高，表明在高MoSi2预设含量下，并不是所有Si原子与Mo结合生成MoSix，而是有一部分Si与Cu结合形成了CuxSi化合物。有研究表明［7］，Cu合金中Cu-Si化合物的存在对合金的导电性是不利的，因此在设计Cu-Mo-Si合金成分时，也不能过分降低Mo/Si原子比，否则大量的Cu-Si化合物的生成会严重影响合金的导电性能。
3. 结论
3.1 通过高温自蔓延反应可制备出MoSix相增强的Cu复合材料。MoSix/Cu复合材料相组成包含固溶体相α-Cu、α-Mo、MoSix和CuxSi四类相。
3.2 随着MoSi2预设含量的增加和Mo/Si原子比的降低，MoSix/Cu复合材料中MoSix和CuxSi相的含量明显增加。
参考文献
［1］ 赵冬梅，董企铭，刘平，金志浩，黄金亮. 铜合金引线框架材料的发展［J］. 材料导报，2001，15(5)：25～27.
［2］ 陈树川．材料物理性能［M］．上海：上海交通大学出版社，1999，40～65.
［3］ N.S. Stoloff, An overview of powder processing of silicides and their composites. Mater. Sci. Eng. A 261 (1999) :169～180.
［4］ Merzhanov,A.G.,and Borovinskaya, I.P., Dokl Akad Naud SSSR, Self-propagating high-temperature synthesis of inorganic compounds.1972,204,336～369.
［5］ 殷声．燃烧合成［M］．北京: 冶金工业出 版社，1999：1～8.
［6］ 吴人洁．复合材料［M］．天津: 天津大学 出版社，2002：319～329.
［7］ 湛永钟，张国定，高导电耐磨铜基复合材料的研究， 机械工程材料2003，11(27) ：18～21.
［文章编号］1006-7619（2011）08-24-870