铜-铬机械合金化及石墨/(铜-铬)复合材料组织与性能研究

摘要

石墨/铜复合材料，不仅导电性与导热性优异，而且具有良好的抗电弧侵蚀和抗磨损能力以及较高的强度，是一种具有广泛应用前景的新型材料，尤其是在电接触材料领域得到广泛的应用。石墨与铜完全不浸润，在使用粉末冶金方法制备的复合材料当中，两者也只是机械互锁结合，其界面强度低，严重影响了复合材料的性能。因此，如何在保持较高电导率水平的前提下，大幅度地提高强度、硬度和耐磨性的问题已成为铜基复合材料研究与开发的重要问题。 有研究发现，铬可减小铜和石墨的润湿角，并且铜铬合金往往具有较高强度，因此本文通过组分优化设计，采用机械合金化技术制备Cu-Cr过饱和固溶体合金粉末，并结合粉末冶金方法制备采用基体合金化方法强化基体的石墨/铜.铬复合材料，以开发高性能铜基自润滑复合材料为目标，为拓展新型铜基复合材料的应用领域提供技术保障。本文的研究主要包括以下几个方面的内容： (1)采用机械合金化技术制备了Cu-5wt％Cr复合粉体，利用XRD分析了Cu-5wt％Cr复合粉体机械合金化过程。结果表明：随着球磨时间的增加，晶粒不断细化，Cu-5wt％Cr复合粉末衍射峰不断宽化，衍射强度逐渐下降；当球磨60h时，Cr已完全固溶在Cu晶格中。 (2)采用粉末冶金方法制备了石墨/铜复合材料，探讨了制备工艺对复合材料致密性的影响。结果表明：在复合材料压制过程中，随着Cu-5wt％Cr复合粉体含量的增加，冷压难度增大。压制前对Cu-5wt％Cr复合粉体进行400℃退火处理可部分降低冷压难度，要保证材料的密度，同时还需在一定的范围内增加压制压力，由此制备出的石墨/铜，铬复合材料具有较高的密度，Cu-5％wtCr复合粉末的强化效果能得以保留。 (3)分析了基体合金化对石墨/铜复合材料性能的影响，结果表明：随着Cr含量增多，石墨/铜复合材料硬度提高，抗弯强度先增大后减小，导电性能下降。其原因是在冷压工艺下，随着Cu-5wt％Cr复合粉末含量的增加，复合材料难以达到较高密度，从而造成抗弯强度和导电性的损失。当复合材料中Cr含量小于1％时，复合粉末则能有效地增强基体，而使得电阻率只有小幅度的增加。 (4)探讨了基体合金化对(7.5％)C/Cu-Cr复合材料摩擦磨损性能的影响。结果表明：随着Cr含量的增加，复合材料摩擦系数增加；当基体中Cr含量小于2.0％时，复合材料具有较高的强度和合适的硬度，摩擦副之间能够形成良好的复合固体润滑膜，有效地降低了磨损量，特别是当Cr含量为1.0％时，复合材料耐磨性最好；当Cr含量超过2.0％时，复合材料强度降低，硬度增加，磨损机制以磨粒磨损为主，Cr含量愈高，磨损量愈大。

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文摘

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致谢

第一章 绪论

1.1 铜基复合材料的分类及研究现状

1.1.1 颗粒增强型铜基复合材料

1.1.2 纤维增强型铜基复合材料

1.2 石墨/铜基复合材料(CGCM)的研究现状

1.2.1 石墨/铜基复合材料的强化

1.2.2 石墨/铜复合材料的制备方法比较

1.2.3 石墨/铜复合材料的性能

1.2.4 石墨/铜基复合材料在电刷上的应用

1.3 本论文内容和意义

第二章 机械合金化Cu-5wt％Cr复合粉末的制备

2.1 实验方法

2.1.1 Cu-5wt％Cr复合粉末的制备方法

2.1.2 Cu-5wt％Cr复合粉末性能表征

2.2 Cu-5wt％Cr复合粉末机械合金化工艺的影响因素

2.2.1 球磨机转速对Cu-5wt％Cr合金化程度的影响

2.2.2 球料比对Cu-5wt％Cr合金化程度的影响

2.2.3 球磨时间对Cu-5wt％Ci合金化程度的影响

2.3 机械合金化CU-5Wt％Cr复合粉末的微观形貌

2.4 机械合金化Cu-5wt％Cr复合粉末微结构变化

2.5 本章小结

第三章 C/(Cu-Cr)复合材料的制备

3.1 试验方法

3.1.1 制备方法

3.1.2 性能测试

3.2 制备工艺讨论分析

3.2.1 成分配比对C/(Cu-Cr)复合材料密度的影响

3.2.2压制成型过程讨论

3.2.3 粉末烧结工艺

3.3本章小结

第四章 C/(Cu-Cr)复合材料的组织与物理力学性能

4.1 试验方法及性能测试

4.2 试验结果与分析

4.2.1 (7.5％)/C(Cu-Cr)复合材料的显微组织分析

4.2.2 (7.5％)C/(Cu-Cr)复合材料的密度

4.2.3 (7.5％)C/(Cu-Cr)复合材料的电阻率

4.2.4 (7.5％)C/(Cu-Cr)复合材料的抗弯强度

4.2.5 (7.5％)C/(Cu-Cr)复合材料的硬度

4.3 本章小结

第五章 C/(Cu-Cr)复合材料的摩擦磨损性能研究

5.1 试验方法及性能测试

5.1.1 试验方法

5.1.2 性能测试

5.2 试验结果与分析

5.2.1 Cu-5wt％Cr合金粉末含量对复合材料的摩损量的影响

5.2.2 Cu-5wt％Cr合金粉末含量对复合材料的摩擦因数的影响

5.2.3 复合材料的磨损表面形貌与摩擦磨损机理

5.2.4 复合材料硬度对材料摩擦摩损性能的影响

5.3本章小结

第六章 全文总结

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研工作