铜基复合材料的制备及性能研究

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铬锆铜合金由于具有较高的导热性、导电性和强度,从而在电阻焊电极、集成电路引线框架材料等领域得到广泛的应用;但低的耐磨性和抗烧蚀性严重制约其在滑动导轨材料方面的应用。本文的研究旨在通过向Cu-0.7Cr-0.12Zr合金中逐级添加Ag、Nb元素来改善合金的导电性和强度性能;随后将石墨、W、Si C微纳米功能相颗粒与高导电、高强度的基体铜合金进行复合,进而获得高导、高强、高耐磨、低烧蚀的铜基复合材料。研究结果表明:(1)Cu-0.7Cr-0.12Zr-x Ag(x=0、0.1、0.2、0.3)和Cu-0.7Cr-0.12Zr-0.1Ag-x Nb(x=0.06、0.12、0.18)合金经固溶时效处理后其电导率和硬度均有明显的提高。在960℃×120min+500℃×120 min的热处理工艺下,Cu-0.7Cr-0.12Zr-0.1Ag合金的电导率和硬度达到最高,分别为86.17%IACS和97.4 HB;Cu-0.7Cr-0.12Zr-0.1Ag-0.12Nb合金电导率和硬度达到最高,分别为92.7%IACS和98.2 HB。(2)通过粉末冶金和铸造相结合的工艺方法制备的Cu-0.7Cr-0.12Zr-0.1Ag-0.12Nb-x石墨(x=0、0.25、0.5、0.75)、Cu-0.7Cr-0.12Zr-0.1Ag-0.12Nb-x Si C(x=0、0.5、1、1.5)和Cu-0.7Cr-0.12Zr-0.1Ag-0.12Nb-x W(x=0、2、4、6)三种不同成分单一功能相增强铜基复合材料试样组织分析发现:所添加的石墨、W、Si C功能相颗粒均匀分布在铜基复合材料试样中,且试样微观组织致密、无缺陷。其中,石墨的加入显著降低了材料的摩擦系数,提高了铜基复合材料的润滑性;在载荷20 N、摩擦速度0.8 m/s的条件下,Cu-0.7Cr-0.12Zr-0.1Ag-0.12Nb-0.5石墨复合材料摩擦系数值最低为0.49。Cu-0.7Cr-0.12Zr-0.1Ag-0.12Nb-W复合材料中W的添加明显提高了复合材料的抗烧蚀性,在电弧烧蚀次数均为150次时,Cu-0.7Cr-0.12Zr-0.1Ag-0.12Nb-6W复合材料试样在25 A和100 A电流下的电弧烧蚀量分别为20.5μg/C和56.26μg/C,表明W颗粒增强铜基复合材料在低电流下的抗烧蚀性较好。Si C的加入提高了铜基复合材料的耐磨性,使得制备的复合材料具有较小的磨损率;在载荷20 N、摩擦速度0.8 m/s的条件下,Cu-0.7Cr-0.12Zr-0.1Ag-0.12Nb-1Si C复合材料的磨损率最低为0.97×10-5cm3·N-1·m-1。(3)多相混杂Cu-0.7Cr-0.12Zr-0.1Ag-0.12Nb-0.5石墨-2W-1Si C复合材料经过形变强化后其抗拉强度和硬度发生明显的提升。在变形率为80%时,其抗拉强度和硬度分别为603 MPa和110.96 HB;未经变形的复合材料试样电导率最高为76.9%IACS;在载荷20 N、摩擦速度0.8 m/s的条件下,复合材料试样的摩擦系数和磨损率分别为0.25和3.83×10-5cm3·N-1·m-1;在电流25 A时具有较好的抗烧蚀性,其30次的电弧烧蚀量为24.56μg/C。
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