陳海吉

(吉林化工學院航空工程學院,吉林 １３２１０２)

摘 要:將銅粉與不同體積分數的 Ti３AlC２ 粉體混合,采用放電等離子燒結工藝在不同溫度(８５０,９００ ℃)保溫２０min制備 Ti３AlC２/Cu復合材料,研究了 Ti３AlC２ 含量和燒結溫度對復合材料顯微組織、相對密度、硬度和摩擦磨損性能的影響.結果表明:在９００ ℃保溫２０min燒結后,隨Ti３AlC２ 含量的增加,其在銅基體中逐漸呈不均勻分布,復合材料的相對密度減小、硬度增大;同時,復合材料的磨損率和摩擦因數均降低,耐磨性能增強,磨損機制按照犁削磨損和黏著磨損→黏著磨損和磨粒磨損→犁削磨損和輕微黏著磨損依次轉變.９００ ℃燒結所得復合材料的相對密度高于８５０ ℃燒結的,摩擦因數則低于８５０ ℃燒結的.

關鍵詞:Ti３AlC２;銅基復合材料;放電等離子燒結;耐磨性

０ 引 言

銅基復合材料既保持了銅的高導電性、導熱性及優良的工藝性能,又具有高的強度和優異的高溫性能,在航空、航天、電子元件、機械等領域有著廣泛的應用[１Ｇ３].目前,碳化物/銅復合材料是研究和應用較多的一種銅基復合材料,主要用作電阻焊電極材料.傳統的二元碳化物增強相主要為 TiC、WC、ZrC和 VC 等,存在導電性差、尺寸粗大、易粘連等不足,而電極材料要求增強相也應具有良好的導電和導熱性能.近年來,新型的三元碳化物導電陶瓷開始作為增強相用于制備銅基復合材料[４Ｇ６],這類增強相不但具有良好的導電性能、力學性能和導熱性能,還具有像石墨一樣良好的自潤滑性能,所得銅基復合材料可用于制造電刷、滑動電觸頭和電動機車的集電滑板等.三元碳化物 Ti３AlC２ 的熱膨脹系數和銅的接近,與 銅 復 合 后 的 界 面 性 能 良 好.羅 瀟等[７]和艾桃桃等[８]以 Ti３AlC２ 為增強相,分別采用真空無 壓 浸 滲 和 熱 壓 法 制 備 得 到 了 Ti３AlC２/Cu復合材料,但 是 這 些 制 備 方 法 的 試 驗 條 件 較 為 苛刻,溫 度 都 須 超 過１０００ ℃.為 此 ,作 者 以 自 制 的Ti３AlC２ 作為增強相,采用放電等離子燒結工藝在低 溫下制備Ti３AlC２/Cu復合材料,研究了Ti３AlC２含量和燒結溫度對復合材料性能的影響.

１ 試樣制備與試驗方法

１．１ 試樣制備

試驗原 料:銅 粉,純 度 高 于 ９９．０％,平 均 粒 徑４０μm,由北京有色金屬研究所提供;自制 Ti３AlC２粉體,采用機械合金化＋高溫提純法制備得到,純度高于９３．５％,平均粒徑５０μm.將 Ti３AlC２ 粉體按照體積分數分別為０,５％,

１０％,１５％,２０％,３０％和銅粉混合,在自制雙罐球磨機中進行干法球磨,球料質量比為１０∶１,球磨時間為２h,軸轉速為１００r??min－１.為防止原料粉體被污染,球磨混料時以氬氣為保護氣體.在充滿氬氣的手操 箱 中 將 混 合 均 勻 的 原 料 粉 體 倒 入 內 徑 為１０mm的石墨模具中,在自制的放電等離子燒結設備中,以１００℃??min－１的升溫速率分別加熱至設定的燒結溫度(８５０,９００ ℃),在２５ MPa壓力壓制下真空燒結２０min,真空度為９８％,得到尺 寸 為?１０ mm×３mm的純銅和 Ti３AlC２/Cu復合材料試樣.

１．２ 試驗方法

用６００＃ 砂紙打磨試樣表面并進行拋光處理,采用阿基米德排水法測相對密度.用 HXDＧ１０００ 型顯微硬度計測試樣的顯微硬度,載荷為０．９８N,保載時間為１５s,測５個點取平均值.用由 FeCl３ 和HCl組 成 的 混 合 溶 液 對 試 樣 表 面 進 行 腐 蝕,在Nikon３００型光學顯微鏡和JEMＧ２０００ 型透射電子顯微鏡(TEM)上觀察顯微組織.

在 MGＧ２０００型高溫高速磨損試驗機上進行銷Ｇ盤式干滑動摩擦磨損試驗,對磨副為經淬火加低溫回火處理的 GCr１５鋼制磨輪,硬度為(６２±２)HRC,滑動速度為０．６２８ m??s－１,滑動距離為３７６．８ m,磨輪轉速為２００r??min－１,試驗載荷為５０N,測試時間為５min.試驗結束后通過所測平均摩擦力矩來計算試樣的摩擦因數μ,計算公式為

μ＝M/(RN) (１)式中:M 為摩擦力矩;N 為載荷;R 為試樣回轉半徑,取０．０３m.用精度為０．１mg的天平稱取摩擦磨損試驗前后試樣的質量,計算磨損率,計算公式為w ＝Δm/(ρl) (２)式中:w 為磨損率;Dm 為摩擦磨損前后試樣的質量差;ρ為試樣密度;l為滑動距離.使用JSMＧ５６００LV 型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨損形貌.

２ 試驗結果與討論

２．１ 顯微組織

由圖１可以看出:未添加 Ti３AlC２ 時,９００ ℃保溫２０min燒結試樣的顯微組織具有孿晶特征,未發現明顯的微孔等缺陷;添加 Ti３AlC２ 后,暗灰色的Ti３AlC２ 增強相分布在亮灰色的銅基體中,增強相的粒度不均;當 Ti３AlC２ 的含量(體積分數,下同)為

５％時,Ti３AlC２ 增強相在銅基體中的分 布 比 較 均勻,隨著 Ti３AlC２ 含量的增加,Ti３AlC２ 增強相分布的均勻性變差.

由圖２可知:Ti３AlC２ 增強相為片層狀結構,銅和 Ti３AlC２ 兩相間的界面平直、清晰,相互擴散較少;選區電子衍射花樣顯示的是 Ti３AlC２(０００２)晶面的衍射斑,說明 Ti３AlC２ 在燒結過程中具有良好的穩定性,未發生分解.

２．２ 相對密度及力學性能

未添加 Ti３AlC２ 燒結制備的純銅試樣的相對密度均大于９９．８％.由圖３可以看出,燒結試樣的相對密度隨 Ti３AlC２ 含量的增加而減小,較高燒結溫度下的相對密度較大.這是因為:隨著含量的增加,Ti３AlC２ 在銅基體中逐漸呈不均勻分布,使得其與基體界面之間產生微裂紋,導致相對密度下降[９];在較高的燒結溫度下,原子結合能力較強,致使孔隙率降低 而 相 對 密 度 增 大. 當 燒 結 溫 度 為 ９００ ℃、

Ti３AlC２ 含量為５％時,試樣的相對密度約為９９．６％,接近于完全致密.由圖 ４ 可 知:不 同 溫 度 燒 結 試 樣 的 硬 度 均 隨Ti３AlC２ 含量的增加而增大,這是因為 Ti３AlC２ 的硬度為３．５GPa,遠高于銅的０．４GPa;當 Ti３AlC３含量大于５％時,９００℃燒結試樣的硬度高于８５０℃燒結的,這是因為較高燒結溫度下的相對密度較高;當 Ti３AlC２ 含量由２０％增至３０％時,硬度的增幅并不大,推測是由于相對密度不高且下降幅度較大而導致的.

２．３ 摩擦磨損性能

由圖５可知:隨 Ti３AlC２ 含量的增加,不同溫度燒結 試 樣 的 磨 損 率 均 降 低,即 耐 磨 性 能 提 高;當Ti３AlC２ 含量為５％時,試樣的磨損率約為純銅(未添加 Ti３AlC２)的１/２,當 Ti３AlC２ 含量增加到３０％時,８５０℃和９００℃燒結試樣的磨損率分別為２．５×１０－３,１．９×１０－３ mm３??m－１,表現出良好的耐磨性.由 圖６可以看出:隨著Ti３AlC２含量的增加,不同溫度燒結試樣的摩擦因數均降低,與磨損率的變化趨勢一致,說明試樣的耐磨性能增強,這是由于Ti３AlC２ 在復合材料中發揮的自潤滑性作用而導致的;添加 Ti３AlC２ 后,９００ ℃燒結試樣的摩擦因數低于８５０ ℃燒結試樣的.由圖７可以看出:未添加 Ti３AlC２ 的試樣表面磨損較為嚴重,產生了較嚴重的犁溝,且磨痕附近出現塑性變形,磨損機制為犁削磨損和黏著磨損;當 Ti３AlC２ 含量為５％~１０％時,試樣表面的磨痕明顯平滑,但出現了一些凹坑和磨屑,其磨損機制為 黏 著 磨 損 和 磨 粒 磨 損;當 Ti３AlC２ 含 量 為１５％~３０％時,試樣表面的磨痕更加平滑,凹坑和磨屑 也 很 少,磨 損 機 制 為 犁 削 磨 損 和 輕 微 黏 著磨損.

３ 結 論

(１)在９００℃保溫２０min燒結后,所得 Ti３AlC２/Cu復合材料中,Ti３AlC２ 增強相分布在銅基體中;隨Ti３AlC２ 含量的增加,增強相逐漸呈不均勻分布,復合材料的相對密度減小,硬度增大.９００℃燒結所得復合材料的相對密度高于８５０ ℃燒結得到的.

(２)在９００ ℃保溫２０min燒結后,隨 Ti３AlC２含量的增加,復合材料的磨損率和摩擦因數均降低,耐磨性能增強,磨損機制依次由犁削磨損和黏著磨損→黏著磨損和磨粒磨損→犁削磨損和輕微黏著磨損轉變.

（文章來源：材料與測試網-機械工程材料>42卷>8期(pp:53-56)）