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摘 要：文章以Cu粉（3～5 μm）和TiB2粉（3 μm）为原料，通过真空热压烧结制备了Cu-5%TiB2复合材料。采用金相分析、X射线衍射、扫描电子显微分析和X射线能量色散谱对制备的材料进行了表征。表征结果表明：铜基复合材料在制备过程中未掺入其他杂质，TiB2颗粒均匀地分散在铜基复合材料中，材料未发现孔洞和夹杂等缺陷。 关键词：真空热压烧结；铜基复合材料
中图分类号：U668.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）26-0165-02
1 概 述
由于具有良好的导电、导热和力学性能，铜基复合材料广泛应用在轴承、衬套、齿轮、接头和阀机构等组件上。在一些特定使用领域，需要提高铜基合金的耐磨性和硬度。利用具有高硬度、高弹性模量和高导电、高热导的第二相改善铜基复合材料的耐磨性和硬度成为一种可行的方法。近几年，一些学者在Cu-Cr和Cu-Pb合金加入TiB2颗粒制备了铜基复合材料，但这些方法制备的材料致密性和均匀性较差，基体中均存在着大量的缺陷。
本文采用真空热压烧结法成功制备了Cu-5%TiB2铜基复合材料，克服了铜基复合材料致密性和均匀性较差的问题。
2 实验过程
称取质量为50 g的Cu粉（3～5 μm，99.97%）和TiB2粉（3 μm，99.99%），装入钢球球磨罐，研磨球为WC球；采用行星式球磨机进行球磨，球粉比为5：1，转速为200 r/min，球磨时间为1.5 h。将球磨好的混合粉末称取38.5 g，放入石墨模具中，利用真空热压炉进行烧结。烧结时在900 ℃时保温10 min，保温的同时施加了30 MPa的压力，保温结束后卸压，随炉冷却。
实验制备了Cu-0%TiB2和Cu-5%TiB2两种不同TiB2含量的材料，采用金相显微镜和扫描电子显微镜对制备的材料进行了显微结构分析和表面形貌分析，采用DX-2500型衍射仪对样品进行了物相分析，采用能谱仪对合金的化学成分进行了分析。
3 结果讨论
3.1 金相分析
烧结温度为900 ℃、加压30 MPa、保压10 min制备的纯Cu和Cu-5%TiB2复合材料的金相图谱。制备的纯Cu材料金相图，如图1（a）所示，Cu晶粒大小为5～10 μm；制备的Cu-5%TiB2复合材料的金相图谱，如图1（b）所示，TiB2晶粒大小为1～8 μm，均匀的分散在铜基合金中。在金相图中未发现孔洞和夹杂等缺陷。
3.2 物相分析
烧结温度为900 ℃、加压30 MPa、保压10 min制备的纯Cu和Cu-5%TiB2复合材料的XRD图谱，如图2所示。在Cu-5%TiB2复合材料衍射图谱中，仅出现Cu和TiB2特征衍射峰；在纯Cu衍射图谱中，仅出现Cu特征衍射峰，无其他杂质峰出现。X射线衍射结果表明，纯铜和Cu-5%TiB2复合材料粉末在球磨、烧结过程中未发生氧化，也未引入其他杂质。
3.3 扫描电子显微分析
900 ℃烧结、加压30 MPa制备的Cu-5%TiB2复合材料扫描电子显微形貌图，如图3所示。图中不规则的黑点为TiB2颗粒，亮灰色区域为铜基体，进一步证实复合物粉末在球磨、烧结过程中都未发生氧化，没有引入其他杂质，与XRD结果相匹配。TiB2颗粒在基体中整体分布均匀，局部有部分颗粒聚集，颗粒大小为1～8 μm。局部放大图，如图3（b）和图3（a）所示，图中TiB2颗粒与铜基体结合紧密，存在少量微裂纹和微气孔，裂纹长度为0.2～0.4 μm，气孔大小为0.1 μm左右。基体中较大的TiB2颗粒有破碎现象产生，是由于大的TiB2颗粒在热压烧结加压过程中受到挤压应力而产生的。
Cu-5%TiB2铜基复合材料的能谱图，如图4所示。“Spectrum 1”是对TiB2颗粒的能谱分析，“Spectrum 2” 是对铜基体的能谱分析。TiB2颗粒能谱分析中除Ti元素峰外，没有出现其他元素峰；铜基体能谱分析中除Cu元素峰外，没有出现其他元素峰。能谱分析表明，铜基复合材料在制备过程中未引入其他杂质。
4 结 语
使用真空热压烧结工艺制备了Cu-5%TiB2铜基复合材料，铜基复合材料在制备过程中未掺入其他杂质，TiB2颗粒与铜基体结合紧密，均匀地分散在铜基复合材料中；制备的材料致密性和均匀性良好，未发现孔洞和夹杂等缺陷。
参考文献：
[1] Paulrnier D，Bouchoucha A，Zaidi H.Wear mode of a copper wire during a sliding contact with copper/chrome steel： influence of oxygen[J]. Vacuum， 1990， （7～9）.
[2] Gautam R K， Ray S， Jain S C， etal.Tribological behavior of Cu-Cr-SiCp in situ composite[J]. Wear， 2008，（5～6）.
[3] Tu J P，Rong W，Guo S Y，etal.Dry sliding wear behavior of in situ Cu-TiB2 nanocomposites against medium carbon steel[J].Wear， 2003， （7～12）.
[4] Lee J，Jung J Y，Lee E， etal.Microstructure and properties of titanium boride dispersed Cu alloys fabricated by spray forming[J]. Mater Sci Eng A， 2000， （1～2）.
[5] Munro R G， Material properties of titanium diboride[J]. J Res Natl Inst Stand Technol， 2000， （5）.
[6] 何代华，刘平，刘新宽，等.高强高导TiB2-Cu 基复合材料的研究现状及展望[J].上海有色金属，2013，（1）.
[7] Sharma A S，Mishra N，Biswas K，etal.Fretting wear study of Cu-10wt%TiB2 and Cu-10wt%TiB2-10wt%Pb composites[J]. Wear， 2013， （1～2）.
[8] Sharma A S，Biswas K，Basu B.Microstructure-hardness-fretting wear resistancecorrelation in ultrafine grained Cu-TiB2-Pb composites[J].Wear， 2014， （1～2）.
[9] Li Z， Wang W，Wang J L.Effects of TiB2 on microstructure of nano-grained Cu-Cr-TiB2 composite powders prepared by mechanical alloying[J].Adv Powder Technol， 2014， （1）.
中图分类号：U668.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）26-0165-02
1 概 述
由于具有良好的导电、导热和力学性能，铜基复合材料广泛应用在轴承、衬套、齿轮、接头和阀机构等组件上。在一些特定使用领域，需要提高铜基合金的耐磨性和硬度。利用具有高硬度、高弹性模量和高导电、高热导的第二相改善铜基复合材料的耐磨性和硬度成为一种可行的方法。近几年，一些学者在Cu-Cr和Cu-Pb合金加入TiB2颗粒制备了铜基复合材料，但这些方法制备的材料致密性和均匀性较差，基体中均存在着大量的缺陷。
本文采用真空热压烧结法成功制备了Cu-5%TiB2铜基复合材料，克服了铜基复合材料致密性和均匀性较差的问题。
2 实验过程
称取质量为50 g的Cu粉（3～5 μm，99.97%）和TiB2粉（3 μm，99.99%），装入钢球球磨罐，研磨球为WC球；采用行星式球磨机进行球磨，球粉比为5：1，转速为200 r/min，球磨时间为1.5 h。将球磨好的混合粉末称取38.5 g，放入石墨模具中，利用真空热压炉进行烧结。烧结时在900 ℃时保温10 min，保温的同时施加了30 MPa的压力，保温结束后卸压，随炉冷却。
实验制备了Cu-0%TiB2和Cu-5%TiB2两种不同TiB2含量的材料，采用金相显微镜和扫描电子显微镜对制备的材料进行了显微结构分析和表面形貌分析，采用DX-2500型衍射仪对样品进行了物相分析，采用能谱仪对合金的化学成分进行了分析。
3 结果讨论
3.1 金相分析
烧结温度为900 ℃、加压30 MPa、保压10 min制备的纯Cu和Cu-5%TiB2复合材料的金相图谱。制备的纯Cu材料金相图，如图1（a）所示，Cu晶粒大小为5～10 μm；制备的Cu-5%TiB2复合材料的金相图谱，如图1（b）所示，TiB2晶粒大小为1～8 μm，均匀的分散在铜基合金中。在金相图中未发现孔洞和夹杂等缺陷。
3.2 物相分析
烧结温度为900 ℃、加压30 MPa、保压10 min制备的纯Cu和Cu-5%TiB2复合材料的XRD图谱，如图2所示。在Cu-5%TiB2复合材料衍射图谱中，仅出现Cu和TiB2特征衍射峰；在纯Cu衍射图谱中，仅出现Cu特征衍射峰，无其他杂质峰出现。X射线衍射结果表明，纯铜和Cu-5%TiB2复合材料粉末在球磨、烧结过程中未发生氧化，也未引入其他杂质。
3.3 扫描电子显微分析
900 ℃烧结、加压30 MPa制备的Cu-5%TiB2复合材料扫描电子显微形貌图，如图3所示。图中不规则的黑点为TiB2颗粒，亮灰色区域为铜基体，进一步证实复合物粉末在球磨、烧结过程中都未发生氧化，没有引入其他杂质，与XRD结果相匹配。TiB2颗粒在基体中整体分布均匀，局部有部分颗粒聚集，颗粒大小为1～8 μm。局部放大图，如图3（b）和图3（a）所示，图中TiB2颗粒与铜基体结合紧密，存在少量微裂纹和微气孔，裂纹长度为0.2～0.4 μm，气孔大小为0.1 μm左右。基体中较大的TiB2颗粒有破碎现象产生，是由于大的TiB2颗粒在热压烧结加压过程中受到挤压应力而产生的。
Cu-5%TiB2铜基复合材料的能谱图，如图4所示。“Spectrum 1”是对TiB2颗粒的能谱分析，“Spectrum 2” 是对铜基体的能谱分析。TiB2颗粒能谱分析中除Ti元素峰外，没有出现其他元素峰；铜基体能谱分析中除Cu元素峰外，没有出现其他元素峰。能谱分析表明，铜基复合材料在制备过程中未引入其他杂质。
4 结 语
使用真空热压烧结工艺制备了Cu-5%TiB2铜基复合材料，铜基复合材料在制备过程中未掺入其他杂质，TiB2颗粒与铜基体结合紧密，均匀地分散在铜基复合材料中；制备的材料致密性和均匀性良好，未发现孔洞和夹杂等缺陷。
参考文献：
[1] Paulrnier D，Bouchoucha A，Zaidi H.Wear mode of a copper wire during a sliding contact with copper/chrome steel： influence of oxygen[J]. Vacuum， 1990， （7～9）.
[2] Gautam R K， Ray S， Jain S C， etal.Tribological behavior of Cu-Cr-SiCp in situ composite[J]. Wear， 2008，（5～6）.
[3] Tu J P，Rong W，Guo S Y，etal.Dry sliding wear behavior of in situ Cu-TiB2 nanocomposites against medium carbon steel[J].Wear， 2003， （7～12）.
[4] Lee J，Jung J Y，Lee E， etal.Microstructure and properties of titanium boride dispersed Cu alloys fabricated by spray forming[J]. Mater Sci Eng A， 2000， （1～2）.
[5] Munro R G， Material properties of titanium diboride[J]. J Res Natl Inst Stand Technol， 2000， （5）.
[6] 何代华，刘平，刘新宽，等.高强高导TiB2-Cu 基复合材料的研究现状及展望[J].上海有色金属，2013，（1）.
[7] Sharma A S，Mishra N，Biswas K，etal.Fretting wear study of Cu-10wt%TiB2 and Cu-10wt%TiB2-10wt%Pb composites[J]. Wear， 2013， （1～2）.
[8] Sharma A S，Biswas K，Basu B.Microstructure-hardness-fretting wear resistancecorrelation in ultrafine grained Cu-TiB2-Pb composites[J].Wear， 2014， （1～2）.
[9] Li Z， Wang W，Wang J L.Effects of TiB2 on microstructure of nano-grained Cu-Cr-TiB2 composite powders prepared by mechanical alloying[J].Adv Powder Technol， 2014， （1）.