SiC增强铜基复合材料组织及耐磨性

SiC增强铜基复合材料组织及耐磨性第一章绪论1.1引言铜是一种高成本、高质量的功能物资，铜及其合金具有导电和导热的优点，是工业广泛利用和必不可少的基础物资。但随着现代产业的加速发展，很难将目前正在轴承品牌的纯铜和铜合金的机械性质(电力、电力、导电、耐磨性、可塑性等)协调起来。弹性属性无法满足航空航天及精密电子产品等高新技术飞速发展的要求。铜也是不损伤其特性、可重复利用和再利用的最耐久性强的金属材料之一。近几年来，铜、铜合金主要用于钢铁、冶金、电机、能源、石化等行业。急需准备金属矩阵的复合体，以低成本、高性能、无公害和强大的可持续性。从而产生了铜矩阵复合体。铜矩阵复合材料是一种结合了机制和功能的新型材料。它具有优秀的综合性属性。它不仅有纯铜优秀的导电性能，而且还具有高强度，高温度和耐磨性。从名字上可以看出复合材料是指由两个以上异种，变形及反向性物质的组合而形成的新型物质。通常都是由矩阵的成分及磷的构成。目前，粉末冶金是铜基复合材料的主要制造方法。这种方法是铜基复合材料中生产耐磨性材料和高导电性材料的主要方法。同时，铜合金液体和大部分强化后的位相粒子湿润性很差，密度差很大。其结果，液态制造的复合体具有产生第2层便石及不均匀粒子分布的倾向，因此强化奖和合金液湿润性亟待解决的问题之一。1.2铜矩阵复合材料的研究.1.2.1铜复合材料增强相关的种类及性能在铜复合材料中，选用的症状按形象可分为颗粒状和纤维状两种，由于纤维增强费用昂贵，限制了工业发展的应用。目前具有商用颗粒增强主要氧化物，硼化合物，碳化合物，氮化合物等浓度化合物，颗粒增强动机复合材料等应用原则。由于颗粒的含量，大小，分布及成型方法，制造工艺有关，所以颗粒增强相互选择对材料的最终性能有很大的影响。选择江华的种类，不是任意选择，而是要遵循以下几个条件:(1)应用条件:应用于建筑领域，对复合材料的密度和模块量有一定的要求，强化颗粒需要较低的密度和较高的弹性模块，对颗粒的性状也有一定的影响。热管理系统中复合材料的热扩散系数和热传导率是决定因素。(2)条件:具有与不同制造方法要求的增强相适应的物理，化学等性能;例如，粉末冶金法需要合适的气体和增大的尺寸来获得混合的粉体，在配制和配制的过程中，可发生中和气体强化反应，生成不利于提高气体性能的化合物，在制造过程中要综合考虑各个方面的因素。(3)绿色环保:在满足各种物理性能的前提下，尽量节约费用，尽量少污染甚至不受污染的工艺。1.2.2颗粒同步复合材料增强粒子研究情况在强化阶段，铜的目的是改善铜、铜、合金材料、力学性能。通过可同时通过其他劳动条件的铜和性生活通过与铜复合材料、力学性能通过。对于颗粒增强的动机复合材料，颗粒的加入可以引起气体微观结构的变化，力学性能的变化。例如，拉伸强度、屈腹强度、弹性的毛量显著增加，但弹性明显下降。目前，科研人员利用不同的制造方法和强化像成功地制造出各种同步复合材料，既保持了铜或铜合金本身的优良性能，又大大提高了制造出来的复合材料的强度。.3同步材料的制造方法铜的复合材料有粉末冶金法，机械合金法，复合铸造法，沉积法，原位合成法等多种制造方法，以下介绍常用方法。1.31粉末冶金法粉末冶金法是以金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)为原料，通过成型或黏合制造金属材料，各种复合材料及各类产品的工艺过程。粉末冶金的第一阶段是制造金属粉末，合金粉末，金属化合物粉末及鲍复粉末，第二阶段是用冷压成型，消，消后处理，制成成品。(1)制造粉末;粉末冶金的第一步是制造粉末。由于粉末冶金产品和材料越来越多，质量不断提高，需要提供的粉末种类不断增加。例如，从材料的材质看，不仅要摄入金属粉末，而且要摄入合金粉末和金属化合物粉末等。同时，粉末状也需要各种形状的粉末状，如滤清器，粉末颗粒需要各种颗粒的粉末为500-1000微米粗细不到0.1微米的微细粉。(2)成形：其形成目的在于制造必要的形状和大小的半成品，并具有一定的密度和强度.成形方法一般分为加压整容和无压整容两种。使用加压整容最普遍的是形压成形。其他可压成型方法有定压性刑法，粉末压压法，粉末压压法等。(3)烧结:粉末冶金中的重要作业，成型后的泥砖块，可以通过焚烧获得想要达到的物理性能和机械性能。小结一般分为单元素的结果和多元素的结果。高温结热时的温度必须低于含金属和合金的溶解点。多元系的液态结合比溶解成分温度要小，比溶解成分的熔点要小。一般来说，诉请都是在保护的气氛中进行的。(4)烧结后按不同要求处理，此处不予陈述。1.3.2合金法固体反应非净化方法之一。用高能研磨机研磨两种金属粉末，初期金属粉末因撞击铁球夹住而发生严重的冷却变形和电焊它形成了一层特殊的层叠结构。随着磨球时间的推移，金属粉末的层层结构精细化，层厚度迅速变薄，产生了高纯度的界面，这些界面扩散开来，形成非结晶性界面的过程继续进行，最后全部非净化。根据微米结构观测及X盘旋节及DSC测量，邱马毛产生的微米结构与蒸发多层膜的非结晶化及变冷不结晶化时人工产生的微米结构十分相似。机械合金和蒸发法以及不正常的扩散的净化，可以推定是由同一机制，即交界面的扩散引起的。由机械合金化形成的非决定性的y-nb合金的层状结构顺序是决定性的ni-非决定性的n-nb-决定性的nb，这意味着非结晶状是在ni层和nb层的界面上产生的。一般来说，制造非结晶合金就是用溶体来淬火，从而防止核与增长。刻苦的过程是一种不平衡的过程，不决定的形成范围大多在心功成分附近。机械合金化的不净化过程是在净化温度以下的低温下进行的，而冷热力学平衡过程不涉及高速冷却问题，所以不净化的形成范围较广。过度金属-过度金属(TM1-tm)合金(TM1=Fe,Ce,Ni,Cu,Cr,Mn,Pd或Rh)，tm=Zr,Ti,Nb或Hf)中的大量合金都可以通过机械合金化的方法形成非晶体合金，具有较高的热稳定性。这种方法与其他固定反应的非结晶化条件相同。(2)一组圆在另一组圆中具有保证不净化反应的适当动力学条件的扩散能力。目前，机械合金制造铜器复合材料的最大缺点是长期冶炼会增加杂质铁的含量。这就降低了绝缘后烧制的复合材料的导电性能和导热性能。此外，机械合金化工艺复杂，工艺时间长，经济效益不高，也是广泛采用机械合金化方法的障碍。1.3.3复合铸造法用填充法生产金属和金属或金属与非金属复合材料的一种复合加工技术。注入熔化在两种固体金属之间的其他金属或其他熔化在一定形态的固体金属外表面的金属，是生产复合材料最常用的方法。复合界面是由液态凝固，固态塑性变形，新表面生成及复合组员密切接触，加深原子扩散，加强层叠牢固的复合。温度和压力是影响这种复合的主要因素。在复合界面上应注意金属文化化合物的生成。这种复合方法应用最早，由于形状复杂的复合材料能够生产出来，今后仍有发展前景。金属是陶瓷(金属和非铁金属强化粒子是混合物)或加强粒子携带用的弹弓，在平板和芯板上，还有是用铅铸造的金属铸造铸造工艺、金属舌具、金属陶瓷或加强粒子上，将其动员起来，在铸件的表面被覆盖的金属表面翻覆，陶瓷或强化粒子是复合材料产品。这种铸件的复合过程如图1所示。复制出来的金属陶瓷不仅限于一层，而且可以多层。金属陶瓷根据需要可以部分覆盖。这种复合方法的特点是:(1)适用于任何形式的铸造产品;(2)可以加厚层叠。(3)能使铸造产品局部具有耐磨性，耐蚀性和耐热性等特殊功能。但应使用金属陶瓷易燃的模具或芯料。1.3合成法原位合成法也是制造同步复合材料的新方法，其原理是利用不同原料在特殊条件下发生的化学反应，在材料内部均匀地生成一种或几种强化像，从而提高气体材料的性能。增强体是在气体内部的原位置上形成的，因此，同动力体增强相互之间的界限结合，兼容良好，热力学的稳定性更高。同时，由于在传统的准备方法上加强了工艺处理环节，使整个工艺过程更加便利。这种工艺的唯一缺点是不能正确地控制原位上的生成量，因而对工艺因子的要求比较苛刻，在一定程度上阻碍了大规模的工业化。1.4铜基础复合材料的强化机制连续增强体增强动机复合材料是指连续加强纤维或2、3维网络结构、强化动机复合材料，而且连续以纤维增强为主。连续纤维增强的机制是以纤维为第二相，利用纤维的高强度，高模量等优点来增强气体材料的性能。在服刑过程中，气体将受到的负重分散到纤维上，使纤维成为主要的受体，从而减少了能量冲击造成的损害。因此，纤维的种类及占有比例是复合材料最终性能表现的重要影响因素。与连续增强同步材料相比，非连续增强的同步材料工艺简单，成本低廉，工业化的可能性更大，前景更广阔。非连续加固材料的加固体，主要包括短纤维，水晶，颗粒三种，其力学性能不及连续加固材料，但加工性能更好，可用于制造复杂的构件。在连续加固铜器复合材料中，增强了单纤维和晶体的加固机械原理和增强了纤维类似，主要通过金桥短路、偏电、排放等效果，夯实了加固基础学的力}。与之}h能同是不强的无知、增颗粒虽然是无优变的料需制改材通备方法、仅添一过的加量定粒二相即第有颗可效体为起点的料材基相关。因性备能成制无知本用低、适围在广范己、金铜基及复属他无知材料基合了巨领域取得重新展大。硅化碳1.5粒颗基增铜强性的复材能合料1.5.1SiC简述sic磨业是工颗粒的一种料恰恰有可拥、大产、降低批仁等低格优错的廉不强,虽然sic基增性的复材合料能以可与金美、钛合媲且格的十分便降低性比非宜、降低高常研。该材被合复料料科为界学视材研究复合料的破突恰恰在美性国重新展。英业等国,达家工重新对国制类材料,备的艺以究工及研经材料已于性能熟成趋事、军在、航天经领了域已到得短。用运实跟强基增铜纤维比材复合相sic料基增强、铜材有合复料具相增均可强分次二加布成工、低的多本优势等诸与普通。金铜添合相sic加比、铜的具基有合料复材用更有高的温度、更使良磨的抗损好好能更低的性膨热,且强胀数、系有了显度高提著。永远在我心里我所般一颗论的讨们对强相基增粒的强体用可作化,以强为直分化、间接接化、强混合强直化是强化”指接载在受材料时,由载基增荷强体向颗粒而起的传引递接化;间化是指强的加增粒入颗强体基微观引起产化组织而变的强仁化、如化、弥固溶强强化、晶沉,它强化等强淀化是强合化;混种多指强化制机混合化。1.5直接强化是指直接化过强析通者或出的直入接机械晶殖法阵虽然向体颗引恰恰进粒颗粒强铜。基增材料复合载用作时受荷体由、基于模性材料弹量可力以小,应由基面通过界有传效的体递到高量性模弹体较强的增颗上、载粒荷仁重新移增时,同转强颗受自承也身临其境地粒载荷部并分形体基约束,而使变基从强体材化料得到颗粒。同增时,强相形的貌尺,对布载寸、分存果效荷传递一响定在影的强。当颗状形相粒增为圆时润较易不产材料,而恰恰应仁集力面导致界裂荷载、断处当果效;好递颗强相粒增时越尺寸晶无知、大越积面大界的包、含也会越陷缺容、低易在大的情下应重新力况阻,碍断仁荷裂载传的增颗粒递;在基相的强体分就会越恰恰布的料均匀材、布力分越应均不产匀、易集力部应局仁荷载、恰恰果效较好递传。1.5.2间接强化基增颗粒强铜基材铜复合包化料间弥接强含散化、固强溶化、强化、晶它强化等强加工等。sic/铜基用材前应景料有sic颗具良粒的优性硬度、耐磨耐及以性、低的腐蚀便以密的宜度及不降低的俗格优等做。虽然被强相、增为泛制于广用备应属颗基增金粒强。对复合材料材料铜基在复合力能学性物、理、摩能擦性大均有磨损度很响的程影sic颗粒/铜;高合材基复料性和热导而受耐磨到青性睐应在主,要交换用热材材料、接料、封触装材料等。1.6铜研究内容义意的复基材料合及现由科学技术的不断进步,重新与展是空航航别特车天、汽工造业、先制行武进器的速业迅展、对人重新材们能学性的料力以他的无知及性特面方都能提殊出了更要高。除脂肪外求的料了求要有好材的具良械机能合综性外,还需在特定要材料域有具领种性特殊于某日统能传。金已满能不经属益的利用长增足求、为性要能服了性克限材、无知局料工重新作了合者开材复料材合在复料。当过用使无知程表出恰恰现大分的强仁十命力、尤属金是无知的复材基合料应更广,用加势更优泛金为基属出突。有许料复合材多为因种类型、具基有金合铝强量轻、高质性度高、腐蚀韧耐及性、良热性好耐等诸且多而基优体,虽然金择选合广范回围收、使易,当它得跻身临其境地与世今研界为使究最广的用金泛属基林之材复合料化碳化硅成度高温形于2000℃较具有它、高的重比硬度及熔,虽然有良着的好,定化并学性、且稳耐磨性sic添加极佳。为作材的复合料强相、铜基增为基料复合材体、可时以同二的优挥重新者仅够虽然能使不、基sic/合材复cu料金有基原属体的优性的热导良以性、电及导还能使材料复合强性和磨耐度高、同时提的小较有比膨胀线。本系文采用数末粉…1.4粉末处理。第二章实验方案2.1试样的制备2.1.1基体的选择制备同合金基体为铜铝镁合金，其中铝含量为8%。镁含量为2%。该合金具有优良的耐磨性以及耐蚀性，可用于制造齿轮、轴承、摩擦片、涡轮及螺旋桨。实验采用粉末冶金法制备此复合材料，并对搅拌连续铸造方式制备的方法进行探索。本实验采用粉末冶金法制备SiC颗粒增强铜铝镁基复合材料，首先将铜粉、铝粉、镁粉以及处理好的SiC颗粒进行手动球磨混合,SiC颗粒的质量分数为0、10%、20%、30%，实现颗粒均匀混合，制备试样作为对照.2.1.2颗粒增强相的选择本实验选择SiC颗粒作为增强相，出于以下三点考虑：SiC的密度小，且具有高熔点和高硬度。使其同时具备优异的耐热性、耐蚀性和耐磨性，在高温(1400℃)下仍可维持其在室温时的强度。(2)与其它颗粒增强体相比热膨胀系数相对较小。(3)SiC具有非常显著的低成本优势，它的制备难度小，制备方法多样化，而且还可以采用冶金工艺设备对其进行二次加工。综上所述，从使用特性、相容性和成本三方面考虑，使用SiC作为增强体有着较高的性价比。增强相颗粒的大小对复合材料的微观结构和磨损性能有着很大的影响。增强相颗粒尺寸较大时容易在基体中产生偏聚，而且颗粒尺寸太大可能会在制备过程中产生较大的应力集中；然而颗粒尺寸较小可能会产生团聚现象，而且若是颗粒过小，添加增强相颗粒后对基体的强化作用也不明显。根据以上判断，选择添加尺寸为200目的SiC颗粒作为增强相。本实验研究SiC体积分数为0%、10%、20%、30%的Cu基复合材料组织及磨损性能。2.1.3制备方法的选择本实验用粉末冶金法制备SiC/Cu基复合材料，属于多组元成分。由于基体合金中各个组元的密度或熔点相差悬殊，用熔炼法制备时容易导致低熔点组元的挥发，复合材料难以制成。利用粉末冶金制备的材料性能较为优秀。比如说，利用粉末冶金法制备的材料成分比例准确、晶粒较细、成分偏析小、组织均匀。因此，本实验采用粉末冶金法制备基体合金。样品的制备过程大致可分为：称量粉末、混料、成形、烧结四个过程。本实验过程如图2-1所示：2.1.4粉末的处理实验中使用由国药集团试剂公司生产纯度为99.9%的200目的Cu粉，200目Al粉，200目Mg粉，200目SiC粉末。用型号JY5002的电子天平称量。首先按计算好的配料比，称取规定质量的各种粉末和SiC粉末，放在研钵中混合。2.1.5成形是指，通过对压力的加工，制作出具有特定大小、形状、密度、强度的砖块。粉末整容的方法大多采用整容的方法。(1)一般压力法是将金属粉末或混合粉末放入模具中，通过一定的压力形成形体。(2)非常规，其中包括静压，连续，无压力等。本实验将粉末混合放入模具中，以一定的压力压力制成具有一定形状，大小，强度的砖。混合粉末包装方式是直接填充，根据各组复合材料的成分设计，取含粉末量，将混合粉末装入冷压模具中填充，每插入一种配制材料填充均匀，再制成制冷砖。在压制过程中，模具中的粉末在受到不同方向的力的同时，会产生与毛壁垂直的压力，即侧面的压力。压膜壁及其附近粉末在加压过程中，相对位置发生变化而产生摩擦力，这种现象使压力和砖在高度方向下减低压力，使压力密度失调。烧结在此次实验中，样品高度不超过10毫米，在高度较小的情况下，压强作用不明显，压板内部密度分布比较均匀，对实验结果没有负面影响。无论是松树还是面团，密度和强度都比较低，不能直接使用。为了提高压力或少量粉末的密度和强度，使之能够应用于实际零件，要在适当的温度(一般为0.7~0.8吨绝对熔点)进行热处理，长时间保温，使压力粉末内的粉末紧密结合起来，提高压力粉末性能，这种处理过程称为燃烧过程。在试燃过程中，经过三个阶段:(1)开始阶段——黏合阶段这一阶段的主要作用是干燥，试料中回答和水分大量蒸发。在这一阶段中，要经过核与增长等过程，形成颈鸮，颗粒的外形没有变化，其内部晶体也基本不变。在这个过程中，小结体的强度和密度将显著增加。(2)中间阶段——这一阶段由于原子的移动，颗粒间距缩小，颈部扩大;在密度和强度显著提高阶段出现的主要特征是，在试验样品内部开始出现再决定现象，颗粒在颗粒中恢复了变形的晶体，产生了一种不正常的新的晶体。在性能发生明显变化的同时，表面的氧化物还可以还原。(3)最后一阶段，公极废纸的球形化和缩小阶段，由公极逐渐变成球形而不断缩小，整个试验部件逐渐收缩，使少量小空间的密度显著增加。金相金相试样的磨制①用360目的砂纸将试样进行粗磨，直到表面平整且无其他方向划痕。②用0号金相砂纸垂直上一步骤所产生的划痕单向打磨，直到0号金相砂纸的磨痕将粗砂纸的磨痕完全覆盖。③将上一步骤磨好的试样用1号金相砂纸细磨，方向垂直0号砂纸所产生的磨痕，直到完全将0号金相砂纸产生的磨痕完全覆盖，以此类推，一直细磨到5号金相砂纸，此时已无明显磨痕。④将用金相砂纸磨好的试样放在抛光机上抛光，在抛光布上加金刚石研磨膏，抛光机的线速度方向与磨痕方向垂直，在抛光过程中不断加水，最终得到平整光亮且无划痕的镜面，用棉花包起来备用。腐蚀液(2%HF)的配置①用量筒量出95mlH2O备用；②用针管吸出5mlHF(浓度为40%)；③将水倒入容器，将针管中的HF挤入水中并搅拌。金相的腐蚀①先将金相表面用无水乙醇擦洗，用棉球擦干。②用镊子夹起棉球蘸2%HF擦洗金相表面并计时(1min)，金相表面出现白色细小气泡，计时结束后迅速用无水乙醇擦洗。③最后将试样用酒精棉球擦干，放到激光共焦显微镜下观察并拍照。备注：HF剧毒，配制腐蚀液时注意防护。金相显微镜这个实验使用olivuskim显微镜观察材料的组织及颗粒分布。金相显微镜是利用微型材料进行分析的主要机构。电子显微镜的EDXA公司生产的集成电子背射系统和能动分析系统1PEGASUS2040(包括OMI400和第4时EBSD60SEDS)，其最大的特点是将仪器进行抽空扫描观察能力(1)Snm是一种传统的计算泰式(SEM的3-6倍，图像质量良好，特别是最新的数字图像处理技术，可以进行排水，将高画质图像打印到油画或存储的磁盘输出。通过Sirion次发射电子显微镜将会记录固体范例的微观编程，以及用微小的光标组成的成分分析及样品所含成分的线条分布，以及要进行表面分布分析的晶体范例的晶体结构;晶粒和警戒状态和分布等进行了分析,可以获得低的薄电压下样本扫描斗士一样的材料径貌粒形测试和机器是最有效的观察结构和性能研究材料的关系不可或缺的重要手段,物理、化学、生物、지학、矿物、金属、半导体、瓷器、高分子复合材料、纳米材料等研究和产品验证中广泛使用。光谱由探测器，电场放大器，脉冲信号，处理装置D/A，多重分析器组成。其过程是通过X射线检查，频繁捕获的晶体光子探测器，宇宙射线晶体中发生的空心电子，对它们的电子的传播是多多的多维形成电磁波，通过多维电磁波放大器对他们进行控制。用至今没有看过电磁波信号的线性放大器，放大幅度后，进入房间的电脑X光(think用能量报告过磁波强度EDS有以下特点:①探测立体角大，探测效率高;②薄样品检验效率高于厚样品;③同时可显示所有光谱线。这个性质分析速度快的实验可通过SEM和EDS观察SiC颗粒处理后的形状和成分，观察准备复合材料表面形状的特点和磨损表面形象。2.5硬度材料的局部电阻景物把表面挤入的能力称为硬度，反映固体材料的表面电阻能力。硬度的大小直接标志着材料软硬度的高低。材料机械性能的重要指标，提高同步复合材料硬度，是白银研究的方向之一。硬度对软性材料的标识比较准确，如Cu，四川等有色金属，热处理前或解火后硬度不高的钢材等。在该实验中使用的vh-slac轻度计的载重重量为30公斤，在维持15s的压力后，会自动卸载，如果取羊角船，就可以直接阅读硬度值。这是为了提高实验数据的可信度，分别选择离表面较远的5个点进行测量，得出平均值。2.6SiC颗粒碳化硅具有低密度，高强度，高弹性计量，耐磨，耐腐蚀以及成本低廉等优点，是理想的强化材料。如果将sic、高塑料和韧性好的铜的合金材料复合起来，将成为低成本、耐磨复合材料。但是sic强化的铜复合材料之间的分散性和界面湿润性的问题，是复合材料的制造关键[69]。这一章用两种不同的方法(高温氧化和表面化学镍镀金)对SiC颗粒表面进行了变性处理，优化了化学镀镍工艺因子，获得了最佳镀金技术参数，间接地表示了镀金与颗粒间的结合力。原始SiC颗粒第三章性能测试分析3.1密度测试结果与分析采用阿基米德法测量密度是最为常用的测量密度的方法，浸入液体中的物体所受的浮力=该物体所排开液体的重量。根据阿基米德原理，物体在液体中所受的浮力F等于该物体的体积V与液体密度ρ液和重力加速度g的乘积。实验设备：极细的丝线，用细铁丝圈成的小网1个，100ml烧杯1个，电子天平。实验过程(1)将试样进行表面清理及抛光以防止表面杂质、氧化皮等物质影响测量结果的精确度(2)用电子天平称量清理后试样的质量m1；(3)用极细的丝线拴住小网完全浸入水中，待示数稳定后去皮，将试样放入小网完全浸入水中，待示数稳定后记录数据m2(4)根据公式ρ=ρ水·m1/m2计算试件密度。(ρ：试样密度，ρ水：水的密度，致密度：ρ/ρ理论备注：实验过程中所使用的小网及丝线质量非常小，对实验结果影响甚微，可忽略不计。烧结体的密度低于原基体合金的密度，这可能是由于试样内部存在孔隙，烧结体与基体之间界面润湿性不好造成试样的密度较理论值低；在烧结过程中将试件放入密封的钢管隔绝空气，但未使