金剛石增強(qiáng)Cu-Ni-Si復(fù)合材料制備及其性能研究

徐雪霞張 哲王同賀趙 巖丁海民

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021;2.國(guó)網(wǎng)河北能源技術(shù)服務(wù)有限公司,河北 石家莊 050021;3.華北電力大學(xué),河北 保定 071003;4.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司綜合服務(wù)中心,河北 石家莊 050021;)

0 引言

電網(wǎng)規(guī)模的增大和新能源占比的大幅提升使電網(wǎng)可靠性面臨極大挑戰(zhàn),對(duì)關(guān)鍵電氣設(shè)備部件用電接觸材料也提出了更高的性能要求。銅因其優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕性能而廣泛應(yīng)用于電子、電氣、汽車和機(jī)械制造業(yè)等領(lǐng)域,且其成本較低,資源豐富[1],成為一類重要的電接觸材料。但是純銅硬度低、耐磨性差、在高溫下易變形等缺點(diǎn)限制了其應(yīng)用[2-3]。為了提高純銅的綜合性能,通常采取復(fù)合化方法來(lái)提高其性能,即通過(guò)向銅基體中添加一種或多種高熔點(diǎn)、高硬度、耐磨損和熱穩(wěn)定的陶瓷顆?；蛱疾牧显鰪?qiáng)相形成銅基復(fù)合材料,有效改善銅的力學(xué)性能及耐磨性能[45]。

金剛石作為碳增強(qiáng)相,是自然界導(dǎo)熱性能最好的材料,熱導(dǎo)率達(dá)2 500 W·m-1·K-1,熱膨脹系數(shù)為1.3×10-6K-1,熔點(diǎn)高,硬度和耐磨性也極高,莫氏硬度為10,其硬度是剛玉的150倍,比石英高1 000倍[5],且化學(xué)穩(wěn)定性好,是高強(qiáng)度高導(dǎo)電率銅合金的理想增強(qiáng)體。但是金剛石與銅熔體潤(rùn)濕性差,難以加入銅熔體中,使得金剛石與銅難以通過(guò)熔鑄法復(fù)合,限制了其在高強(qiáng)度高導(dǎo)電率銅合金中的應(yīng)用。為解決這一問(wèn)題,本文提出了利用Ti與金剛石反應(yīng)將金剛石引入銅熔體的制備策略,利用熔鑄法制備出了金剛石增強(qiáng)Cu-Ni-Si復(fù)合材料。

1 理論分析

銅基復(fù)合材料中,銅基體與增強(qiáng)體的界面結(jié)合一直是關(guān)注的焦點(diǎn),界面潤(rùn)濕性改善是制備優(yōu)良綜合性能復(fù)合材料的關(guān)鍵。如前所述,金剛石和金屬熔體之間的潤(rùn)濕性通常很差,因此金剛石很難被引入到熔體中。已有研究發(fā)現(xiàn),反應(yīng)潤(rùn)濕是改善金屬基復(fù)合材料中強(qiáng)化相和基體之間潤(rùn)濕性的一個(gè)行之有效的方法[7]。通過(guò)Ti-C 反應(yīng)進(jìn)行潤(rùn)濕,可以有效地將金剛石引入銅熔體中[8]。然而引入的金剛石容易形成嚴(yán)重的團(tuán)聚,導(dǎo)致復(fù)合材料的性能下降。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn),采用Ti-Si-C體系可以更有效地將金剛石引入銅熔體中,并使其均勻地分散在銅基體中[9]。然而多余的Si會(huì)固溶到銅基體中,嚴(yán)重地影響了復(fù)合材料的導(dǎo)電性。Ni和Si元素能夠形成強(qiáng)化相[10],同樣可以提高銅的硬度,同時(shí)可以消除Si對(duì)復(fù)合材料不利的影響。

因此,本研究以金剛石為主要增強(qiáng)相,通過(guò)Ti-Si-C反應(yīng)將金剛石引入Cu-Ni熔體,制備綜合性能優(yōu)良的銅基復(fù)合材料。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 原材料

以平均粒度為6μm 的金剛石(D)粉,平均粒度為10μm 的Si粉,平均粒度為10μm 的Ti粉,高純度Ni粉(純度>99.9%),高純度電解銅(純度>99.9%)為實(shí)驗(yàn)原料,如圖1所示。

圖1 原料粉末SEM 形貌圖

2.2 制備方法

所用實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括:JSM-IT500 掃描電子顯微鏡(SEM)、SBH-5L 三維擺動(dòng)混料機(jī)、冷壓模具、SPG-20B 分體式高頻感應(yīng)加熱設(shè)備以及HVS-1000數(shù)顯顯微硬度計(jì)和SMP10 數(shù)字便攜式渦流電導(dǎo)儀。

本實(shí)驗(yàn)分為2 個(gè)階段,第一階段制備Cu-Ti-Si-D 復(fù)合材料,第二階段在Ti-Si-D 的基礎(chǔ)上添加一定量的Ni,制備Cu-Ni-Ti-Si-D 復(fù)合材料。

Cu-Ti-Si-D 復(fù)合材料制備過(guò)程如下:

(1)原料準(zhǔn)備:首先在電子天平上分別稱取質(zhì)量比為2︰1︰1的鈦粉、硅粉和金剛石粉(D),放置在三維混料機(jī)中混料3 h,使其混合均勻,得到Ti-Si-D 混合粉末。然后將混合粉末放入壓塊模具中,在室溫20 MPa壓力下保壓15 min,冷壓成直徑為20 mm 的圓柱形預(yù)制塊。

(2)試樣制備:使用高頻感應(yīng)爐在溫度為1 100~1 250 ℃下將電解銅熔化,并將Ti-Si-D 預(yù)制塊加入到銅熔體中,保溫約3 min后,攪拌并澆鑄制備復(fù)合材料。

Cu-Ni-Ti-Si-D 復(fù)合材料制備過(guò)程如下:

(1)原料準(zhǔn)備:首先在電子天平上分別稱取質(zhì)量比為4.2︰2︰1︰1的鎳粉、鈦粉、硅粉和金剛石粉(D),并將鈦粉、硅粉和金剛石粉放置在三維混料機(jī)中混料3 h,使其混合均勻,得到Ti-Si-D 混合粉末,然后將粉末放入壓塊模具中,在室溫20 MPa壓力下保壓15 min,冷壓成直徑為20 mm 的圓柱形壓塊。將鎳粉在室溫10 MPa壓力下保壓5 min,單獨(dú)冷壓成直徑為20 mm 的圓柱形壓塊。

(2)試樣制備:使用高頻感應(yīng)爐在溫度為1 100~1 250°C 下將電解銅熔化,首先將Ti-Si-D預(yù)制塊加入到銅熔體中,待預(yù)制塊完全反應(yīng)溶解到銅熔體中,加入Ni塊,保溫約2 min后攪拌并澆鑄制備復(fù)合材料。

2.3 性能測(cè)試與表征

將已經(jīng)冷卻至室溫的鑄件進(jìn)行切割、打磨、拋光制作樣品,并通過(guò)配備有X射線能譜分析(EDS)的掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)試樣微觀組織進(jìn)行分析。為了更好的觀察增強(qiáng)相的組織形貌,將樣品通2 A電流,在18vol.%磷酸溶液中進(jìn)行60~90 s的電解腐蝕,腐蝕掉試樣表面的Cu基體,把增強(qiáng)顆粒的立體結(jié)構(gòu)展示出來(lái)。并對(duì)電解腐蝕樣品進(jìn)行SEM 分析。利用數(shù)顯顯微硬度計(jì)和數(shù)字便攜式渦流電導(dǎo)儀對(duì)試樣硬度及導(dǎo)電率進(jìn)行測(cè)量。

3 結(jié)果和討論

3.1 Cu-Ti-Si-D 復(fù)合材料的制備

鑄態(tài)Cu-2Ti-1Si-1D 復(fù)合材料的微觀組織如圖2(a)和(b)所示。由圖2(b)可以看到銅基體中分布著兩種顆粒,并且形成了核殼結(jié)構(gòu)。圖2(c)為對(duì)應(yīng)(b)圖Point 1點(diǎn)黑色物相的點(diǎn)分析結(jié)果,發(fā)現(xiàn)黑色顆粒主要含有碳元素,由于本實(shí)驗(yàn)沒(méi)有其他碳源,可以確定這是未反應(yīng)的金剛石。圖2(d)為Point 2對(duì)應(yīng)殼層物相的點(diǎn)分析結(jié)果,其主要含有Ti和C元素且原子比接近1︰1,可以確定殼層是反應(yīng)生成的TiC。

圖2 Cu-2Ti-1Si-1D復(fù)合材料顯微組織

從圖3的面分析結(jié)果可以看出,復(fù)合材料生成了金剛石@TiC 核殼顆粒,并且在銅基體中均勻地分布著Si。

圖3 Cu-2Ti-1Si-1D復(fù)合材料的EDS面分析結(jié)果

為了進(jìn)一步分析物相的形貌,將樣品進(jìn)行電解腐蝕。深腐蝕樣品的微觀結(jié)構(gòu)如圖4所示。從圖4可以看出,金剛石外表面已經(jīng)完全和鈦反應(yīng)生成了TiC殼層。同時(shí)可以觀察到,有大量的棒狀物相分布在金剛石@TiC 核殼顆粒之間,對(duì)其進(jìn)行打點(diǎn)分析,結(jié)果如圖4(c),其主要含有Ti和Si元素,并且原子比大致為5︰3,可以確定這是反應(yīng)生成的Ti5Si3。

圖4 Cu-2Ti-1Si-1D復(fù)合材料的顯微組織

進(jìn)一步利用數(shù)顯顯微硬度計(jì)和數(shù)字便攜式渦流電導(dǎo)儀分別測(cè)試了Cu-2Ti-1Si-1D復(fù)合材料的硬度與導(dǎo)電率,其硬度達(dá)到了114.18 HV,相比于純銅的59 HV,提高了93.53%,這說(shuō)明金剛石可以作為銅基復(fù)合材料的優(yōu)質(zhì)增強(qiáng)體。然而導(dǎo)電率只有16.5%IACS,這是大量的Si固溶到銅基體中造成的。

3.2 Cu-Ni-Ti-Si-D 復(fù)合材料的制備

為了消除Si對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)電率的影響,在Ti-Si-D的基礎(chǔ)上,添加了一定量的Ni。為分析添加Ni對(duì)金剛石增強(qiáng)銅基復(fù)合材料性能的影響機(jī)理,對(duì)Cu-4.2Ni-2Ti-1Si-1D復(fù)合材料進(jìn)行微觀組織分析。由圖5(a)和(b)可以看到復(fù)合材料中生成了金剛石@TiC核殼顆粒,并且發(fā)現(xiàn)了灰色物相,類似于花狀。點(diǎn)分析結(jié)果如圖6(c),其主要含有Ni、Ti、Si 3種元素,比例大致為2︰1︰1,將其定義為Ni-Ti-Si相,深腐蝕樣品的微觀結(jié)構(gòu)如圖6(c)和(d),可以看出生成了大量的樹枝狀物相,經(jīng)過(guò)EDS點(diǎn)分析,證實(shí)這就是6(b)中的灰色花狀物相,然而并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)類似于Cu-2Ti-1Si-1D復(fù)合材料中的棒狀Ti5Si3,這說(shuō)明在Ni與Si反應(yīng)的同時(shí),Ti5Si3也參與了反應(yīng)。

圖5 Cu-4.2Ni-2Ti-1Si-1D復(fù)合材料的顯微組織

對(duì)Cu-4.2Ni-2Ti-1Si-1D 復(fù)合材料的硬度與導(dǎo)電率進(jìn)行測(cè)試,為方便對(duì)比將Cu-2Ti-1Si-1D 復(fù)合材料的硬度與導(dǎo)電率一并列出,結(jié)果如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)Cu-4.2Ni-2Ti-1Si-1D 復(fù)合材料的硬度達(dá)到了203.27HV,同時(shí)導(dǎo)電率上升為27.83%IACS,較Cu-2Ti-1Si-1D 復(fù)合材料分別提高了78.03%和68.67%。這說(shuō)明Cu-Ni-Ti-Si-D 復(fù)合材料作為高強(qiáng)度高導(dǎo)電率材料是很有發(fā)展前景的。

圖6 制備的復(fù)合材料的硬度及導(dǎo)電率

4 結(jié)論

(1)利用Ti-Si-D 體系能夠成功地將金剛石引入到銅熔體中,所制備的Cu-Ni-Ti-Si-D 復(fù)合材料硬度達(dá)到了114.18 HV,然而由于Si的存在嚴(yán)重地影響了復(fù)合材料的導(dǎo)電性。

(2)在Ti-Si-C 基礎(chǔ)上,添加一定的Ni,可以反應(yīng)掉Ti5Si3和固溶在銅基體中的Si,并且,在金剛石@TiC 核殼顆粒及Ni-Ti-Si相的協(xié)同作用下,硬度有了進(jìn)一步的提高,達(dá)到了203.27 HV,而導(dǎo)電率也回升到了27.83%IACS。