高性能耐磨铜基复合材料的制备与性能研究

机械合金化论文 Cu-Cr论文 Cu-SiC论文 (Cu-Cr)/SiC论文 性能论文 摩擦磨损论文
论文详情
随着机械、电子以及航空航天工业的迅猛发展,迫切要求开发不仅具有良好导电(热)性、而且具有较高机械和耐磨性能,较低热膨胀系数的功能材料。铜和铜合金是传统的高导电(热)材料,但由于强度和耐热性不足,其应用范围受到很大的限制。本文以开发高性能导电(热)耐磨铜基复合材料为目标,通过成分和工艺优化,采用机械合金化(MA)、冷压成形和复压复烧工艺制备出了满足性能要求的颗粒增强Cu(-Cr)基复合材料。以寻求最佳的材料制备工艺,满足材料的高强度、高导电(热)性以及优良的摩擦磨损性能要求。通过SEM,XRD、TEM和其它实验检测仪器对粉末的机械合金化过程,复合材料的微观组织特征以及机械、物理和摩擦磨损性能进行了系统研究,为拓展新型高性能铜基复合材料的应用领域打下坚实基础。本文研究内容主要有以下几个方面:1.采用机械合金化工艺可使在固态和液态下完全互不溶的Cu-Cr系形成过饱和固溶体,并显著细化晶粒和产生严重晶格畸变。由高能球磨引起的高密度晶体结构缺陷和溶质组元化学势的降低以及晶粒细化对形成Cu-Cr过饱和固溶体起着决定作用。2.采用冷压-烧结-复压-复烧工艺对Cu-Cr合金粉末致密化过程进行研究。系统探讨了压制压力、烧结温度对相对密度的影响。研究结果表明初压和复压能显著提高材料相对密度,而复烧对提高材料的相对密度贡献不大,其作用主要体现在材料性能的改善和优化。3.通过对不同成分Cu-Cr合金性能测试,研究了成分、烧结温度和复压复烧对材料力学和物理性能的作用,同时探讨了Cu-Cr合金的增强机制。Cu-1.2wt%Cr合金的硬度、抗拉强度随着烧结温度的升高而增加,在850℃时达到峰值;当温度进一步升高时,由于析出相Cr粒子长大、粗化,与基体失去共格,使得硬度和抗拉强度又有所下降,而材料的导电(热)率则随着烧结温度的升高继续缓慢增加。合金中过饱和的Cr原子对材料强度的影响是通过沉淀强化和细晶强化来实现的。4.以SiC为增强颗粒,采用粉末冶金工艺制备了颗粒增强铜基复合材料,研究了SiC颗粒体积分数、粒度对复合材料显微组织和力学、物理、摩擦磨损性能的影响。在此基础上着重探讨了SiC颗粒粒度的变化对复合材料性能的影响。结果表明:在制备工艺相同的情况下,SiC粒度为10μm时,复合材料具有最大抗拉强度,达到265.7MPa,其断裂机制是以Cu-SiC界面处基体撕裂为主。当SiC颗粒粒度较大时(≥21μm),由于界面面积有限和增强颗粒间距过大,使得SiC颗粒增强效果有限。相对于强度的变化,复合材料的摩擦磨损特性也随SiC颗粒粒度的变化而发生明显改变。在低载荷条件下(≤120N),增大SiC颗粒粒度有助于提高材料的耐磨性,其磨损机制以磨粒磨损为主。随着载荷的增加,由于大粒度SiC颗粒易于破碎,承载作用下降,导致剥层磨损的发生。通过对复合材料物理性能研究表明:由于SiC粒度减小,复合材料单位体积Cu-SiC界面面积的增加和SiC颗粒间距的减小,都会对自由电子的运动产生阻碍作用,导致复合材导电(热)率下降。复合材料的热膨胀系数随着SiC颗粒粒度的增加而提高;同时由于SiC颗粒粒度的增加,导致材料内部的热应力提高,引起材料热膨胀系数发生突变的临界温度降低。5.采用化学沉积工艺对SiC颗粒表面包覆Cu或Ni,以改善Cu-SiC界面状况。结果表明:SiC颗粒表面经金属涂层处理提高了复合材料界面结合强度,在基体和增强颗粒之间可以有效传递载荷,使得复合材料的相对密度、硬度和拉伸性能获得提高。由于基体铜和镍镀层之间可以相互扩散,形成连续固溶层,从而使复合材料力学性能提升更为显著。在摩擦磨损过程中由于界面优化减少了SiC颗粒与基体的界面脱粘,有效地发挥承载作用,从而提高了Cu/SiC复合材料的耐磨性。6.为了结合颗粒强化和析出强化两种强化方式,以Cu-Cr合金为基体,采用SiC颗粒增强Cu-Cr合金,结果发现随着基体强度的提高,可更有效的发挥SiC颗粒对复合材料的增强作用,并改变了复合材料的断裂机制,同时材料软化温度也得到大幅度提高。7.研究了不同载荷、滑动速度和距离条件下(Cu-Cr)/SiC复合材料的摩擦磨损行为。结果表明:随着SiC颗粒含量的增加,复合材料的耐磨性能得到提高,并延缓了严重磨损的发生。当载荷和滑动速度等条件变化时,复合材料的磨损机制也发生改变,并在某一临界值附近引起磨损率的突然增加。在微缓磨损阶段磨粒磨损和氧化磨损为主要磨损机制;在严重磨损阶段因磨损面机械混合层的剥层脱落和摩擦热导致亚表层基体温升软化及对磨双方材料大量粘着转移为主要磨损机制。8.研究了(Cu-Cr)/SiC复合材料高温摩擦磨损行为,结果表明SiC颗粒的加入,可以有效提高复合材料发生严重磨损的临界温度。严重磨损发生的原因是因为温度的增加导致磨损面氧化膜破裂、脱落,磨损机制以剥层、粘着磨损为主。石墨颗粒的加入可以降低在一定温度下复合材料的摩擦系数和磨损率,改善了复合材料高温摩擦学特性。9.研究了纳米SiC颗粒对Cu-Cr合金的增强作用,结果发现在纳米SiC含量较低的情况下(0.5%-3%),复合材料硬度、抗拉强度和摩擦磨损性能随着纳米SiC颗粒增加而得到改善,而当纳米颗粒含量达到5%,则发生团聚现象,对材料力学性能产生不利影响,并导致断裂机制的改变。本文采用机械合金化工艺制备了Cu-Cr复合粉末,并开发相应的成形工艺,获得最佳工艺参数,然后采用SiC颗粒增强纯Cu和Cu-Cr合金。研究了SiC颗粒含量、粒度和基体强度对复合材料性能的影响。同时通过化学沉积工艺对Cu/SiC复合材料进行界面优化,并探索其对复合材料性能的作用。系统地研究了复合材料在室温和高温环境下的摩擦磨损行为,分析其微观磨损机理。初步探讨了纳米SiC颗粒对Cu-Cr合金性能的增强作用及机制。本论文的研究结果对研制开发新型耐磨铜基复合材料和丰富材料摩擦学有着重要的理论和现实意义。
摘要第8-10页
ABSTRACT第10-12页
致谢第13-22页
第一章 绪论第22-43页
    1.1 高强度铜基材料强化理论第23-27页
        1.1.1 合金化法第23-26页
        1.1.2 复合材料法第26-27页
    1.2 高强度高导电(热)铜基材料制备方法第27-29页
        1.2.1 粉末冶金法(Powder Metallurgical)第27页
        1.2.2 复合铸造法(Compocasting)第27-28页
        1.2.3 内氧化法(Internal Oxidaion)第28页
        1.2.4 液态金属原位法(Liquid-metal in-situ processing)第28页
        1.2.5 快速凝固法(Rapid Solidification)第28-29页
        1.2.6 机械合金化法(Mechanical Alloying,简称MA)第29页
    1.3 机械合金化技术理论及其应用第29-34页
        1.3.1 机械合金化技术简介第29-30页
        1.3.2 机械合金化在新材料研发中的理论研究第30-33页
        1.3.3 机械合金化技术的应用领域第33-34页
        1.3.4 机械合金化制备高强高导铜基复合材料和铜合金的特点第34页
    1.4 高强度铜基材料研究进展第34-37页
        1.4.1 Cu-Cr合金第34-36页
        1.4.2 铜基复合材料第36-37页
    1.5 金属基复合材料磨损行为研究进展第37-41页
        1.5.1 金属基复合材料磨损性能的影响因素第38-40页
        1.5.2 干摩擦状态下的主要磨损理论第40-41页
    1.6 本研究工作内容及意义第41-43页
第二章 机械合金化制备Cu-Cr复合粉末第43-53页
    2.1 实验方法第43-44页
    2.2 实验结果与讨论第44-51页
        2.2.1 机械合金化Cu-Cr复合粉末微观形貌第44-46页
        2.2.2 机械合金化Cu-Cr复合粉末相结构第46-49页
        2.2.3 复合粉末显微硬度第49-51页
    2.3 机械合金化诱导Cu-Cr合金系固溶度扩展机理第51-52页
    2.4 本章小结第52-53页
第三章 Cu-Cr合金成形与致密化过程第53-64页
    3.1 Cu-Cr合金的制备工艺与相对密度第53-54页
        3.1.1 Cu-Cr合金制备工艺第53-54页
        3.1.2 相对密度测试和微观组织分析第54页
    3.2 实验结果与讨论第54-63页
        3.2.1 复合粉末压制特性第54-56页
        3.2.2 烧结基本过程及理论第56-59页
        3.2.3 烧结温度和烧结时间对Cu-Cr合金相对密度的影响第59-60页
        3.2.4 复压复烧对Cu-Cr合金相对密度的影响第60-61页
        3.2.5 Cu-Cr合金微观组织第61-63页
        3.2.6 最佳工艺参数的确定第63页
    3.3 本章小结第63-64页
第四章 Cu-Cr合金性能第64-74页
    4.1 实验方法第64-65页
    4.2 实验结果与讨论第65-72页
        4.2.1 Cu-Cr合金硬度分析第65页
        4.2.2 Cu-Cr合金拉伸性能分析第65-68页
        4.2.3 Cu-Cr合金高温抗软化性能分析第68-69页
        4.2.4 Cu-Cr合金导电性能分析第69-71页
        4.2.5 Cu-Cr合金导热性能分析第71-72页
    4.3 Cu-Cr合金强化机理第72-73页
        4.3.1 析出强化机制第72-73页
        4.3.2 晶粒细化机制第73页
    4.4 本章小结第73-74页
第五章 Cu/SiC复合材料的制备及性能第74-93页
    5.1 Cu/SiC复合材料制备工艺与性能测试第75-76页
        5.1.1 制备工艺第75-76页
        5.1.2 性能测试第76页
    5.2 实验结果与讨论第76-92页
        5.2.1 Cu/SiC复合材料显微组织第76-77页
        5.2.2 Cu/SiC复合材料相对密度和硬度分析第77-79页
        5.2.3 Cu/SiC复合材料拉伸性能分析第79-83页
        5.2.4 Cu/SiC复合材料导电性能分析第83-85页
        5.2.5 Cu/SiC复合材料导热性能分析第85页
        5.2.6 Cu/SiC复合材料热膨胀性能分析第85-88页
        5.2.7 Cu/SiC复合材料摩擦磨损性能分析第88-92页
    5.3 本章小结第92-93页
第六章 SiC颗粒表面改性对复合材料性能的影响第93-107页
    6.1 Cu/SiC复合材料界面问题第94-95页
    6.2 SiC颗粒表面化学镀处理及结果分析第95-99页
        6.2.1 SiC颗粒表面镀铜工艺第95-99页
    6.3 复合材料的制备及性能分析第99-106页
        6.3.1 制备工艺及性能测试第99页
        6.3.2 复合材料界面结合第99-101页
        6.3.3 SiC颗粒表面修饰对复合材料硬度和相对密度的影响第101页
        6.3.4 SiC颗粒表面修饰对复合材料导电(热)性能的影响第101-102页
        6.3.5 SiC颗粒表面修饰对Cu/SiC复合材料拉伸性能的影响第102-104页
        6.3.6 界面优化对Cu/SiC复合材料磨损性能的影响第104-106页
    6.4 本章小结第106-107页
第七章 (Cu-Cr)/SiC制备与性能第107-113页
    7.1 制备工艺与性能测试第107-108页
        7.1.1 (Cu-Cr)/SiC复合材料制备工艺第107页
        7.1.2 性能测试第107-108页
    7.2 实验结果与讨论第108-112页
        7.2.1 (Cu-Cr)/SiC复合材料显微组织第108页
        7.2.2 (Cu-Cr)/SiC复合材料性能分析第108-112页
    7.3 本章小结第112-113页
第八章 (Cu-Cr)/SiC摩擦磨损性能及有关机理第113-130页
    8.1 试验过程第113-114页
        8.1.1 复合材料制备第113-114页
        8.1.2 摩擦磨损实验第114页
    8.2 实验结果第114-123页
        8.2.1 复合材料硬度分析第114页
        8.2.2 SiC含量和载荷对复合材料摩擦磨损性能的影响第114-118页
        8.2.3 滑动速度和滑动距离对复合材料摩擦磨损性能的影响第118-122页
        8.2.4 磨损面亚表层显微硬度分析第122-123页
    8.3 分析与讨论第123-129页
        8.3.1 SiC颗粒增强Cu-Cr复合材料耐磨机理第123-125页
        8.3.2 复合材料磨损机理分析第125-129页
    8.4 本章小结第129-130页
第九章 (Cu-Cr)/SiC高温摩擦磨损性能第130-143页
    9.1 实验过程第130-131页
    9.2 实验结果第131-135页
    9.3 材料高温摩擦磨损机理分析第135-138页
        9.3.1 摩擦机理第135页
        9.3.2 磨损机理第135-138页
    9.4 石墨和SiC协同作用对Cu-Cr合金高温摩擦磨损性能的影响第138-142页
    9.5 本章小结第142-143页
第十章 纳米SiC颗粒增强铜基复合材料组织与性能第143-154页
    10.1 实验过程第143-144页
    10.2 实验结果第144-151页
        10.2.1 复合材料微观形貌第144-145页
        10.2.2 (Cu-Cr)/SiC纳米复合材料性能分析第145-151页
    10.3 纳米SiC的增强机制第151-152页
    10.4 本章小结第152-154页
第十一章 全文总结与创新之处第154-157页
    11.1 全文总结第154-156页
    11.2 本文创新之处第156-157页
参考文献第157-171页
攻读博士学位期间发表的论文及科研工作第171页
论文购买
论文编号ABS2111272,这篇论文共171页
会员购买按0.30元/页下载,共需支付51.3
不是会员,注册会员
会员更优惠充值送钱
直接购买按0.5元/页下载,共需要支付85.5
只需这篇论文,无需注册!
直接网上支付,方便快捷!
相关论文

点击收藏 | 在线购卡 | 站内搜索 | 网站地图
版权所有 艾博士论文 Copyright(C) All Rights Reserved
版权申明:本文摘要目录由会员***投稿,艾博士论文编辑,如作者需要删除论文目录请通过QQ告知我们,承诺24小时内删除。
联系方式: QQ:277865656