简介概要

复压复烧对烧结减摩Cu-Ti₃SiC₂导电材料性能的影响

来源期刊：稀有金属2012年第3期

论文作者：张宝霞 Ngai Tungwai 郑伟谭文昌李元元

文章页码：380 - 384

关键词：铜基减摩导电材料;复压复烧;Ti3SiC2;摩擦磨损行为;

摘要：利用粉末冶金技术制备了10%Ti3SiC2颗粒增强Cu基减摩、导电材料。以200,400和500 MPa的压力对烧结试样进行复压,然后复烧,以提高材料的密度。通过测量试样的密度、硬度和电阻率,探索了复压复烧对材料性能的影响,并对试样进行了通电和不通电情况下的摩擦、磨损试验。结果表明,经400 MPa复压复烧后,材料的密度和硬度得到显著提高,密度由7.309 g·cm-3增加至7.712 g·cm-3,而硬度则达到HB 114,导电性能和减摩、抗磨能力也因此得到了改善,摩擦系数有所降低,磨损量减少了68%。与未带电的情况相比,带电时的摩擦因数相对较小,但磨损量则较大。在带电磨损实验过程中,摩擦副的温度升高使样品表面的铜基体部分氧化,并起到了润滑作用,从而降低了摩擦因数。

稀有金属 2012,36(03),380-384

复压复烧对烧结减摩Cu-Ti₃SiC₂导电材料性能的影响

张宝霞 Ngai Tungwai 郑伟谭文昌李元元

华南理工大学机械与汽车工程学院

摘要：

利用粉末冶金技术制备了10%Ti3SiC2颗粒增强Cu基减摩、导电材料。以200,400和500 MPa的压力对烧结试样进行复压,然后复烧,以提高材料的密度。通过测量试样的密度、硬度和电阻率,探索了复压复烧对材料性能的影响,并对试样进行了通电和不通电情况下的摩擦、磨损试验。结果表明,经400 MPa复压复烧后,材料的密度和硬度得到显著提高,密度由7.309 g·cm-3增加至7.712 g·cm-3,而硬度则达到HB 114,导电性能和减摩、抗磨能力也因此得到了改善,摩擦系数有所降低,磨损量减少了68%。与未带电的情况相比,带电时的摩擦因数相对较小,但磨损量则较大。在带电磨损实验过程中,摩擦副的温度升高使样品表面的铜基体部分氧化,并起到了润滑作用,从而降低了摩擦因数。

关键词：

铜基减摩导电材料;复压复烧;Ti3SiC2;摩擦磨损行为;

中图分类号： TF124.5

作者简介：张宝霞(1987-),女,陕西咸阳人,硕士研究生;研究方向:粉末冶金、复合材料;Ngai Tungwai(E-mail:dhni@scut.edu.cn);

收稿日期：2011-06-29

基金：国家自然科学基金项目(51074077)资助;

Influence of Double Press-Double Sinter on Properties of Sintered Anti-Friction Cu-Ti₃SiC₂ Electric Conducting Material

Abstract：

An anti-friction Cu-10 wt%Ti3SiC2 electric conducting composite material was prepared by powder metallurgy.Its density was enhanced by double press-double sinter technique using compacting pressures of 200,400 and 500 MPa.Effect of double press-double sinter on density,hardness and electrical resistivity of the composite was studied.Friction and wear experiments were carried out with and without passing electric current.After double press-double sinter with 400 MPa,both density and hardness of the composite increased significantly,the density increased from 7.309 g · cm-3 to 7.712 g · cm-3,the hardness reached at HB 114,the friction coefficients decreased and wear volume reduced by 68%.The friction coefficients obtained from experiments that carried out under electrical current were lower than those obtained from experiments carried out without electrical current,while the wear volumes were higher.The temperature elevation during the experiment,which carried out under electrical current,led to partial oxidation of the surface Cu and thus reduced the friction coefficient due to the lubrication effect of the oxide.

Keyword：

anti-friction Cu-base conducting material;double press-double sinter;Ti3SiC2;friction and wear behavior;

Received： 2011-06-29

纯铜是优良的导电体, 但强度和硬度较低, 而且减摩、耐磨性差, 添加任何强化元素都会严重影响它的导电性能。少量加入Ag, 对其导电率所产生的影响较小, 但Ag的价格昂贵。为避免固溶强化所引起的导电性能下降, 一般优先选用第二相强化或时效强化。铜- 石墨复合材料是一种被广泛应用的滑动电接触材料。机电工业的进步对电接触材料的要求越来越高, 如电机向小型化、高转速、高效率发展, 要求电接触材料的摩擦因数和磨损率小, 接触电压低, 并能在电流密度大和线速度高等条件下工作。传统的铜- 石墨材料很难满足这样的要求 ^[1] 。目前, 在要求较苛刻的场合, 银是常用的电接触材料, 但是银的价格昂贵, 因此, 有必要开发铜基电接触材料 ^[2] 。

Ti₃SiC₂是一种新型陶瓷材料, 其熔点超过3000 ℃, 有优良的导热、导电性能, 有极好的抗氧化性, 而且高温强度高。它具有层状结构, 是减摩的好材料 ^{[3,4,5,6,7,8]} 。因此, 有研究者以Ti₃SiC₂作为强化颗粒制备Cu基减摩、导电材料。但以常规方法难以制备出密度较高的高Ti₃SiC₂颗粒含量的复合材料 ^{[9,10,11,12,13,14]} , 放电等离子烧结和热压烧结虽然也能烧结出较高密度的复合材料, 但它们的生产成本高, 且生产效率低, 而且难以烧结形状复杂的构件 ^[15] 。因此, 本研究用粉末冶金技术制备了10%Ti₃SiC₂颗粒增强铜基减摩、导电材料, 探索了复压- 复烧对该复合材料性能的影响, 并研究该材料在带电和不带电工况下的摩擦、磨损行为。

1 实验

以-300目, 纯度为99.7%(质量分数)的电解铜粉和自制Ti₃SiC₂粉末 ^[16] 为原料。按重量百分比配制Cu- 10%Ti₃SiC₂的混合粉, 用V- 型混粉机混合24 h。然后在聚四氟乙烯乳液模壁润滑的条件下, 以700 MPa压力在钢模中压制成扁平拉伸试样(ISO 2740- 1973)。在真空炉内以10 ℃·min^-1加热到800 ℃, 保温0.5 h, 再以相同的加热速度加热到1000 ℃保温1 h, 随炉冷却, 得到一次压制一次烧结试样。对烧结试样分别以200, 400和500 MPa的压力进行复压, 然后以前述的烧结工艺进行二次烧结, 得到最终的复压复烧Cu- 10%Ti₃SiC₂复合材料试样。

试样密度是根据国家标准GB5163- 1985, 采用“排水法”测量。导电率是采用ZY9987数字微欧计测量(上海正阳仪表厂)。采用光学显微镜观察复合材料的金相。用经过改装的MM200磨损试验机进行摩擦、磨损实验。测定在通电和不通电的情况下试样的干摩擦、磨损行为。通过测量在摩擦、磨损实验过程中的力矩, 计算摩擦因数; 通过测量实验后留在样品上的磨痕宽度计算磨损量。带电磨损实验的电路示意图如图1所示, 施加的直流电压为48 V, 电流为12 A。从复压复烧试样切取尺寸为4 mm×5 mm×15 mm的摩擦、磨损实验试样。在试样的对磨面上先用600^#砂纸粗磨, 然后用1000^#和1200^#砂纸磨光。对偶件为GCr15钢环, 钢环的外径为48 mm, 厚度为10 mm, 硬度为HRC 58～60; 试验条件为: 转速200 r·min^-1, 载荷8 N, 摩擦、磨损试验时间为7.5 min。

图1 带电磨损实验的电路示意图

Fig.1 Schematic of the friction and wear experimental setup, under electric current

2 结果与讨论

图2为经0, 200和400 MPa压力复压后复压复烧试样的密度和硬度的变化曲线。从图可以看出, 随着复压压力的增大, 试样的密度也相应提高。当压力增加到400 MPa时, 密度提高到7.712 g·cm^-3, 相对密度达到95%。由此可见, 随着压力增大, 密度得到明显的提高, 但压力增加到500 MPa时, 试样周边出现裂纹, 这是由于Ti₃SiC₂含量较高的原故(Ti₃SiC₂的体积比为18%)。材料的硬度也是随着压力增大而呈现直线上升的趋势, 经400 MPa复压后试样的硬度达到HB 114, 与退火纯铜的HB 47相比, 硬度得到极大的改善。

图2 复压压力对复压复烧试样的密度和硬度的影响

Fig.2 Effects of double press pressures on density and hardness of samples

图3为经0, 200和400 MPa压力复压后复压复烧试样的电阻率和摩擦因数的变化曲线。虽然加入Ti₃SiC₂能有效提高材料的硬度, 但同时也破坏了基体的连续性, 因此相对于纯铜, 电阻率变大。从图2和3可以看出, 以400 MPa复压后, 材料的密度达到7.712 g·cm^-3, 其电阻率为21.65×10^-8 Ω·m, 与纯铜的电阻率1.71×10^-8 Ω·m相比, 电阻率有明显的增大。由于材料的密度与复压压力有直接的关系, 高密度的颗粒增强复合材料可以减少磨粒磨损, 因此, 摩擦因数在通电与不通电的情况下都是随着复压压力的增大而递减, 而且带电时的摩擦因数比不带电时的要小(图3)。表1列出经0和400 MPa压力复压后复压复烧试样在通电与不通电情况下的磨损量。从表1可知, 带电情况下的磨损量比不带电时的要大很多。在不带电的情况下, 磨损量与密度没有明显的关系, 但在带电的情况下, 密度为7.712 g·cm^-3的样品较之于密度为7.309 g·cm^-3的样品, 其磨损量减少了68%。

图3 复压压力对复压复烧试样的电阻率和摩擦、磨损行为的影响

Fig.3 Effects of double press pressures on resistivity and friction coefficient of samples

表1 磨损试验后试样的磨损量

Table 1 Wear volumes after friction and wear experiments

Double press pressure/MPa	Density/ (g·cm^-3)	Wear volume/mm³
Double press pressure/MPa	Density/ (g·cm^-3)	Without current	With current
0	7.309	0.0222	0.2716
400	7.712	0.0263	0.1146

图4是经0, 200和400 MPa压力复压的复压复烧试样的金相照片。图中灰色相为Ti₃SiC₂, 黑色相为孔洞, 浅色相为Cu基体。从图4(a)可以看出, 没经复压的样品有较多的孔洞。经200和400 MPa复压后, 孔洞量随复压压力的增大而逐渐减少, Ti₃SiC₂的团聚现象有所减轻, 如图4(b)和4(c)所示。

图5是没经复压的试样在(a)不通电和(b)通电情况下磨损面的形貌。图5(a)中的磨损面比较光亮, 有细长磨痕, 而图5(b)中的磨损面大部分被黑色物质覆盖, 表面粗糙, 磨痕较浅。经X射线光衍射分析, 黑色物主要为铜和铁的氧化物。在带电的摩擦、磨损实验过程中, 焦耳热加上摩擦热, 使摩擦副的温度升高, 使样品表面和对磨环表面部分氧化, 生成氧化物, 并起到了润滑作用, 因此, 带电时的摩擦因数比不带电时的要小。此外, 由于高温的影响, 铜基体表面的硬度降低, 样品与摩擦环之间发生了粘附, 所以表面粗糙, 同时也使带电情况下的磨损量比不带电时的要大得多。

综合上面的实验结果可知, 复压复烧能大幅提高Cu- 10%Ti₃SiC₂复合材料的各项性能。这主要是材料的密度得以明显提高和金相组织得到改善的缘故。

图4 复压复烧试样的金相照片

Fig.4 Microstructure of sintered samples

(a) 0 MPa; (b) 200 MPa; (c) 400 MPa double press pressure

图5 没经复压的试样在不通电(a)和通电(b)情况下磨损面的形貌

Fig.5 Wear surfaces of as- sintered samples without current (a) and with current (b)

3 结论

利用粉末冶金方法制备出Cu- 10%Ti₃SiC₂复合材料, 通过复压复烧技术使该材料的密度和金相组织得以改善。材料的各项性能随着复压压力的增大而呈现线性上升, 经400 MPa复压后复压复烧试样的密度达到7.712 g·cm^-3, 其电阻率为21.65×10^-8 Ω·m, 硬度达HB 114。而一次压制一次烧结试样的密度为7.309 g·cm^-3, 电阻率为83.45×10^-8 Ω·m, 硬度为HB 84.9。各项性能都得到明显的改善。但复压压力提高到500 MPa时, 试样出现了裂纹。

在通电与不通电的情况下摩擦因数都随着复压压力的增大而递减, 而且带电时的摩擦因数比不带电时的要小。在不带电的情况下, 磨损量与密度没有明显的关系, 但在带电的情况下, 密度为7.712 g·cm^-3的样品较之于密度为7.309 g·cm^-3的样品, 其磨损量减少了68%。在带电的摩擦、磨损实验过程中, 摩擦副的温度升高, 使样品表面部分的铜基体氧化, 并起到了润滑作用。