高强高导Cu-Cr(-TiB2)合金/复合材料的制备与性能研究

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Cu-Cr系合金是目前被广泛研究应用的高强高导铜合金,其中以Cu-Cr-Zr合金的性能最为突出。但Cu-Cr-Zr合金仍存在自身的不足,Zr属于微量合金元素且化学性质活泼,熔炼过程中极易发生烧损,导致Zr元素含量较难精确控制,这就提高了生产成本,且限制了该合金的大规模生产。为此,本文将以Cu-Cr合金为主要研究对象,从加工工艺与原位生成增强颗粒的角度出发进行研究,制备出高强高导Cu-Cr(-TiB2)合金/复合材料;并且考虑到高强高导材料的服役环境,材料的耐磨性能将直接影响其使用寿命,因此,本文还对Cu-Cr(-TiB2)合金/复合材料的耐磨性能进行分析,研究其在摩擦磨损环境下长期稳定工作的能力。本文对Cu-0.5Cr合金采用热轧+固溶+低温轧制+时效处理的加工方式,探索低温轧制及时效工艺对Cu-Cr合金组织和性能的影响。另外,通过原位生成的方法制备Cu-Cr-TiB2复合材料,并研究其最佳熔炼工艺:分别对Cu-Cr-TiB2复合材料进行固溶+时效处理和热轧+固溶+常温轧制+时效处理的加工方式,研究固溶时效处理及常温轧制时效处理过程中TiB2颗粒对材料组织及性能的影响。本文取得如下研究成果:对铸态和轧制时效态Cu-0.5Cr合金的组织结构进行研究,发现铸态组织中富Cr相较为粗大,大部分析出于晶界并呈线状分布。低温轧制Cu-Cr合金基体内位错缠结更加明显,再结晶温度由常温轧制的450℃降为400℃,经时效处理后基体内富Cr相更加细小弥散,且低温轧制能够降低富Cr相的粗化速率。从基体中析出的纳米富Cr相为fcc结构,晶格常数为0.4203nm。低温轧制Cu-0.5Cr合金经450℃时效120min后达到峰值硬度167.4HV,显著高于常温轧制合金且达到峰值硬度的时效时间更短。该工艺下合金的屈服强度和抗拉强度分别达到486MPa和531MPa,其中,富Cr相的Orowan强化机制对力学性能的提高起主要作用。经时效处理后,低温轧制Cu-0.5Cr合金电导率相比于常温轧制合金出现小幅提高,主要原因为该工艺促进Cr原子从基体中析出从而降低基体内杂质散射的程度。低温轧制Cu-0.5Cr合金磨损率明显低于常温轧制合金。两种轧制工艺合金磨损率均随载荷与滑动速度的增加而增大。在高载荷或大滑动速度下,常温轧制合金较倾向发生剥层与磨粒磨损,而低温轧制合金更倾向发生塑性变形。本文还通过原位生成的方法制备了Cu-Cr-TiB2复合材料,TiB2颗粒尺寸为数百纳米到1μm左右。在Ar气保护的熔炼氛围中,1300℃保温10min制备的Cu-Cr-TiB2复合材料中TiB2颗粒偏聚程度较低,且溶质元素的烧损率较小。对Cu-Cr-TiB2复合材料进行固溶+时效处理发现,TiB2颗粒能够明显降低富Cr相的粗化速率。对Cu-Cr-TiB2复合材料进行热轧+固溶+常温轧制+时效的加工工艺后,TiB2颗粒沿轧制方向呈条带状或分散状分布,颗粒偏聚现象得到有效改善。Cu-Cr-TiB2复合材料的硬度随TiB2含量的增加而增大。Cu-0.5Cr-1.5TiB2复合材料经常温轧制与时效处理后峰值硬度为155.6HV,屈服强度和抗拉强度分别达到446MPa和541MPa,其中,富Cr相的Orowan机制对强度的提高起主要作用,TiB2颗粒强化与形变强化对强度的提升作用也较为显著。峰值硬度时复合材料电导率为79.5%IACS,该复合材料强度与电导率获得良好匹配。固溶时效态Cu-Cr-TiB2复合材料磨损率随TiB2含量的增加而降低,并表现出由黏着与氧化磨损向塑性变形转变的趋势。Cu-0.5Cr-1.5TiB2复合材料中TiB2颗粒在基体中分布越均匀,材料的摩擦系数越小,磨损率越低。Cu-0.5Cr-1.5TiB2复合材料的磨损率随载荷增加而增大,磨损机制由黏着与氧化磨损转变为塑性变形与磨粒磨损的综合作用。
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