石墨表面金属镀层对铜基石墨复合材料显微组织和性能的影响

摘要

铜基石墨自润滑复合材料是由铜合金基体与石墨颗粒组成的复合材料，其兼有铜合金基体的强度高、导热快、导电性能好、耐电弧烧蚀等优异性能，又具有石墨的自润滑性能好等特点。其综合性能优良，是制备需要达到自润滑摩擦效果的零部件以及电接触导电零部件的理想材料，已广泛应用于交通、军工、航空航天、电子等领域。但是，铜和石墨在高温下几乎不润湿，在高温烧结过后铜基体与石墨颗粒的界面结合效果较差，制约了铜基石墨复合材料的应用和推广。本文采用粉末冶金工艺，制备了纯石墨、镀铜石墨、镀镍石墨铜基复合材料，并运用扫描电子显微镜（SEM）、高速往复摩擦磨损试验机、电化学工作站、能谱分析（EDS）等研究手段分析了石墨表面镀铜、镀镍对铜基石墨复合材料显微组织、摩擦磨损性能以及耐腐蚀性能的影响。通过改变铜基石墨复合材料中石墨的含量（0%Gr、1%Gr、3%Gr、5%Gr），研究了石墨含量对复合材料密度及显微硬度以及摩擦磨损性能的影响；同时，分析了不同磨损压力（10N、20N、40N、60N）下，三种不同石墨铜基复合材料的摩擦磨损性能的改变。得出以下结论：
　　①当材料其他成分一定的情况下，随着石墨含量的不断增加，纯石墨、镀铜石墨铜基复合材料的密度会随着下降，显微硬度也会随之不断下降；而对于镀镍石墨铜基复合材料来说，由于材料中镍元素的加入以及金属间化合物的生成使得材料表面的显微硬度随着石墨含量的不断增加而增加。
　　②相比纯石墨铜基复合材料，含有金属镀层的结合界面处的结合更加紧密，孔隙也大大减少。对于镀镍石墨铜基复合材料来讲，镍与铜合金基体中的铜能无限互溶，复合材料在烧结的过程中，石墨表面镀镍层将与铜合金基体之间发生固溶反应，从而形成化合物Ni17Sn3和少量的Cu9NiSn3，这些化合物的生成将进一步提高石墨与铜合金基体间的界面结合效果。
　　③在摩擦磨损初期阶段，与纯石墨铜基复合材料的摩擦系数（0.10~0.125）相比，镀铜石墨铜基复合材料及镀镍石墨铜基复合材料的摩擦系数（0.125~0.15）较高。磨损后期，与纯石墨铜基复合材料相比，镀铜石墨铜基复合材料及镀镍石墨铜基复合材料的摩擦系数低且稳定。
　　④在本试验研究的范围内，随着石墨含量的不断增加，三种石墨铜基复合材料的摩擦系数及磨损率均会随之变小。并且在相同石墨含量下，耐磨性按照纯石墨铜基复合材料、镀铜石墨铜基复合材料、镀镍石墨铜基复合材料的顺序有较大程度的提高。
　　⑤镀镍石墨铜基复合材料基体在磨损的过程中能承受较大载荷，从而使复合材料由低磨损率向高磨损率转变的载荷加大，使其能够在更高的载荷条件下使用。
　　⑥在腐蚀液为3.5%NaCl溶液的条件下，纯石墨铜基复合材料的自腐蚀电位Ecorr=-0.308V，自腐蚀电流密度icorr为5.757×10-4A/cm2；镀铜石墨铜基复合材料试样的自腐蚀电位Ecorr=-0.284V，自腐蚀电流密度 icorr＝1.421×10-4A/cm2；镀镍石墨铜基复合材料的自腐蚀电位 Ecor=-0.279V，自腐蚀电流密度为icorr＝4.442×10-6A/cm2。相比纯石墨铜基复合材料、镀铜石墨铜基复合材料，镀镍石墨铜基复合材料的耐腐蚀性能有较大程度的提高，耐腐蚀性能的提高为镀镍石墨铜基复合材料提供了更广阔的应用前景。

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 铜基石墨自润滑复合材料

1.3 铜基石墨复合材料的主要磨损理论

1.4 铜基石墨复合材料的摩擦磨损性能的表征及影响因素

1.5 本研究工作内容及方法

2 铜基石墨自润滑复合材料的制备工艺研究

2.1 实验材料

2.2 铜基石墨自润滑复合材料粉末冶金成型设备

2.3 压制过程

2.4 烧结过程

2.5 本章小结

3 铜基石墨复合材料的组织、密度及显微硬度

3.1 石墨含量(x=0, 1%, 3% and 5%)对铜基石墨复合材料密度及显微硬度的影响

3.2 压制铜基石墨复合材料密度的影响

3.3 石墨表面镀铜、镀镍对铜基石墨复合材料显微组织的影响

3.4 本章小结

4 铜基石墨自润滑复合材料摩擦磨损性能及耐腐蚀性能研究

4.1 主要研究内容及研究方案

4.2 铜基石墨自润滑复合材料摩擦磨损实验方法

4.3 影响铜基石墨复合材料摩擦磨损性能的因素

4.4 石墨表面金属镀层（镀铜、镀镍）对复合材料耐腐蚀性能的影响

4.5 本章小结

5 结论及展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录：