純銅表面強(qiáng)化及其磨損性能研究

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1、http://www.paper.edu.cn1純銅表面強(qiáng)化及其磨損性能研究1，21張興元，毛君1遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧阜新(123000)2遼寧工程技術(shù)大學(xué)大型工礦裝備試驗(yàn)研究中心，遼寧阜新(123000)E-mail:zxyuan001@163.com摘要：利用純銅滲鋁－內(nèi)氧化工藝制備了A12O3/Cu表面復(fù)合層，測試了表層的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，并進(jìn)行了黏著磨損、固定磨料磨損和松散磨料振動(dòng)與非振動(dòng)情況下的磨損試驗(yàn)，結(jié)果表明：利用純銅滲鋁-內(nèi)氧化工藝能夠獲得A12O3粒子彌散分布的A12O3/Cu表面復(fù)合層，其各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)于純銅；松散磨料的振動(dòng)頻率對純銅和滲鋁-內(nèi)氧化后試樣

2、的磨損量的影響是有范圍的，低頻率振動(dòng)時(shí)（<5Hz），磨料的振動(dòng)加劇試樣的磨損，當(dāng)磨料振動(dòng)頻率繼續(xù)增大時(shí)，試樣的磨損失重逐漸降低，即磨料的振動(dòng)降低了磨損試樣的磨損。關(guān)鍵詞：滲鋁-內(nèi)氧化，A12O3/Cu表面復(fù)合層；黏著磨損，磨料磨損，振動(dòng)磨損中圖分類號(hào)：TG115.5+8；TG156.8+61.引言A12O3/Cu復(fù)合材料是以A12O3微粒為強(qiáng)化相的Cu基復(fù)合材料，細(xì)小堅(jiān)硬的A12O3粒子彌散分布在銅基體上，阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，大大提高了基體的室溫與高溫強(qiáng)度，也稱作氧化物彌散硬化銅(ODS銅)，它有以下幾方面的特征：①彌散相與基體之間界面能高，故彌散相的存在對基體的固有物理、化學(xué)性能影響很小；

3、②再結(jié)晶溫度高，一般達(dá)0.9Tm以上；③A12O3粒子的存在，提高了基體的硬度、耐磨性；④A12O3/Cu復(fù)合材料強(qiáng)度高，導(dǎo)電導(dǎo)熱性與純銅接近，而且有良好的抗高溫軟化、抗電弧侵蝕和抗磨損能力。以上特征使得A12O3/Cu復(fù)合材料近年來發(fā)展十分迅速，應(yīng)用范圍廣泛，例如，代替銀基觸頭材料；作導(dǎo)[1.2]電材料和集成電路引線框架；作電阻焊、點(diǎn)焊電極；高強(qiáng)度電力線、發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子等。彌散強(qiáng)化銅合金性能的提高取決于均勻彌散在銅基體中的氧化物顆粒種類、粒度、形態(tài)和分布，彌散的質(zhì)量在很大程度上取決于制備工藝。制備ODS銅的關(guān)鍵是如何向銅基體中引入均勻分布的細(xì)小氧化物。本文采用純銅表面滲鋁-內(nèi)氧化的方法獲得

4、A12O3/Cu表面復(fù)合層，并對其性能進(jìn)行了研究。2.試驗(yàn)設(shè)備、材料及條件2.1試驗(yàn)材料及試樣的制備采用工業(yè)純銅棒材作為基體材料，各試樣尺寸規(guī)格：黏著磨損試樣為10×10×24mm，固定磨料磨損試樣為φ6×28mm，松散磨料磨損試樣為10×10×40mm。滲鋁前將試樣表面進(jìn)行除油、除銹、打磨光潔，并用稀鹽酸和乙醇分別清洗，然后晾干。A12O3/Cu表面復(fù)合層采用純銅表面先滲鋁，然后對滲鋁試樣內(nèi)氧化獲得。滲鋁劑為Al+Na3AlF6+Al2O3混合粉末，內(nèi)氧化劑為Fe+Fe2O3+Al2O3混合粉末，滲鋁、內(nèi)氧化過程在900～1000℃下進(jìn)行。1本課題得到遼寧工程技術(shù)大學(xué)大型工礦裝備實(shí)驗(yàn)研究

5、中心基金資助開放基金項(xiàng)目（07-66）的資助。1http://www.paper.edu.cn2.2試驗(yàn)設(shè)備滲鋁-內(nèi)氧化后試樣的表層顯微硬度在HX-200顯微硬度計(jì)上測量；用BDX3200型X射線衍射儀測試滲鋁-內(nèi)氧化后試樣的相結(jié)構(gòu)；黏著磨損在M-200磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行；固定磨料磨損在ML-10磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行；松散磨料磨損設(shè)備為自制的振動(dòng)磨料磨損試驗(yàn)機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖1所示，由振動(dòng)機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)兩部分組成，振動(dòng)機(jī)構(gòu)是散體磨料的不同振動(dòng)頻率的振動(dòng)源，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)試樣在散體磨料中旋轉(zhuǎn)，此設(shè)備可進(jìn)行散體在不同頻率下振動(dòng)時(shí)試樣的磨損實(shí)驗(yàn)。通過測試，該試驗(yàn)臺(tái)具有良好的重復(fù)性。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)振動(dòng)機(jī)構(gòu)圖1振動(dòng)磨料磨

6、損試驗(yàn)機(jī)2.3試驗(yàn)條件黏著磨損摩擦輪材料為高速鋼，半徑為19mm，外加載荷500N，轉(zhuǎn)速180r/min。固定磨料磨損實(shí)驗(yàn)外加載荷為3N，砂紙為1000目耐水砂紙，行程25cm，每個(gè)試樣做2個(gè)往復(fù)。松散磨料磨損實(shí)驗(yàn)散體磨料為石英沙，試樣夾具轉(zhuǎn)速為430r/min，振動(dòng)源振幅2.5mm、頻率為0Hz、5Hz、7.5Hz、10Hz共4種，磨損時(shí)間為30分鐘。3試驗(yàn)結(jié)果與分析3.1表面層結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能圖2為經(jīng)內(nèi)氧化處理后試樣的Ｘ射線衍射圖譜，結(jié)果表明，其內(nèi)氧化層中存在α-Al2O3。圖3為經(jīng)內(nèi)氧化處理后試樣內(nèi)氧化層的電鏡掃描顯微組織，從圖中可以看出，內(nèi)氧化物Al2O3呈顆粒狀彌散分布在銅基體上。

7、圖4為滲鋁-內(nèi)氧化后試樣表層顯微硬度曲線。由圖可知，表層顯微硬度較純銅試樣有很大提高，由外向內(nèi)逐漸下降，這是由于第二相粒子的強(qiáng)化所致，表層Al2O3顆粒密度大，硬度較高。曲線出現(xiàn)波峰可能是硬度計(jì)壓頭打在第二相上。2http://www.paper.edu.cn圖2滲鋁－內(nèi)氧化層X射線衍射圖譜圖3內(nèi)氧化電鏡顯微照片圖4顯微硬度曲線3http://www.paper.edu.cn3.2黏著磨損表1為純銅和純銅滲鋁-內(nèi)氧化后試