異質結構銅鉻鋯合金的摩擦磨損性能

賴振民, 黃澤雄, 揭曉華, 麥永津

(1. 廣東工業大學 材料與能源學院, 廣東 廣州 510006;2. 廣東省先進金屬材料及成形加工工程技術研究中心, 廣東 廣州 510006)

由于優良的導電、導熱性能,銅及銅合金被廣泛應用于工業的各個方面,但銅及銅合金較差的減摩耐磨性能限制了其進一步的應用。而且電子、機械、航空等領域的快速發展對銅合金的綜合性能提出了更高的要求,例如高鐵的提速要求接觸線用銅合金應具備更好的抗電弧燒蝕和耐磨損性能,這就要求銅合金在保持優良導電性能的同時又需具備良好的強度和耐磨性[1]。

近年來,由于具備優良的強度、塑性、加工硬化能力和抗疲勞能力,異質結構材料已成為國內外的研究熱點。異質結構材料通常包含較硬的區域和較軟的區域,包括雙模結構[2]、層狀結構[3]、梯度結構[4]、調和結構[5-6]等多種類別。在發生塑性變形時,材料內會產生幾何必需位錯以協調軟硬區域的應變不協調[7-8]。由此產生的幾何必需位錯能造成異質變形誘導應力[7]。而且幾何必需位錯能與其他位錯發生交互作用,提高對位錯的存儲能力,提高材料的加工硬化能力[9]。雖然人們已經對異質結構材料的強度、塑性和抗疲勞性能有了廣泛深刻的研究,但目前關于異質結構銅合金摩擦學研究的報道較少。

本文以純銅粉和銅鉻鋯合金粉為原料,通過熱壓燒結法制備了由銅鉻鋯超細晶和銅粗晶組成的異質結構銅合金。采用摩擦磨損儀研究其在干摩擦條件下的摩擦磨損行為及主要的摩擦磨損機制,為開發高導耐磨銅合金提供理論依據。

1 試驗材料與方法

1.1 異質結構和均質結構銅合金的制備

用行星球磨機將Cu-Cr-Zr合金粉(Cr、Zr質量分數分別為0.67%和0.21%)在高純氬氣氛圍中高能球磨3 h,再與球形銅粉(99.98%,34.1 μm)在行星球磨機中按3∶1質量比混合。在管式爐中通入氫-氬混合氣體,將混合粉末在450 ℃保溫1 h,以還原球磨過程產生的氧化物。將還原后的混合粉末在382 MPa壓力下冷壓成圓坯。將圓坯置于石墨模具中,并在真空熱壓燒結爐中燒結,燒結溫度為900 ℃,保溫 1 h,爐冷得到直徑φ30 mm、厚度1.2 mm的圓片,該試樣為異質結構銅鉻鋯合金,命名為CuCrZr/Cu試樣。采用相同的工藝制備了由100%銅鉻鋯合金粉燒結而成的圓片,為均質結構銅鉻鋯合金,命名為CuCrZr試樣。

1.2 材料性能測試

采用維氏顯微硬度計(Akashi MKV-H3)測量兩種試樣的顯微硬度,測量時載荷為0.5 N,保荷時間為10 s。采用FD101型渦流電導儀測量試樣的電導率,測量8次,并取其平均值。摩擦磨損試驗在WTE-2E型摩擦磨損試驗機上進行,對磨球為粒徑6 mm的ZrO2球,轉速采用200 r/min,旋轉半徑為3 mm,載荷為0.5 N,試驗時間為15 min。

1.3 顯微結構表征

樣品經電解拋光、腐蝕后,使用光學顯微鏡(Leica DMi8C)進行顯微組織觀察。使用聚焦離子束掃描電鏡(TESCAN LYRA3)在電子通道襯度成像模式下觀測試樣摩擦測試前后的微觀組織。采用透射電鏡(FEI Talos F200X) 表征CuCrZr/Cu試樣的顯微組織。分別采用掃描電鏡(Apreo 2S HiVac)和激光共聚焦顯微鏡(OLS4000)觀測試樣磨痕形貌和磨損率。

2 試驗結果及討論

2.1 異質和均質結構銅鉻鋯合金的顯微組織

圖1為CuCrZr/Cu和CuCrZr試樣的顯微組織,從圖1可以看出,CuCrZr/Cu樣品的顯微組織包含顏色較淺的純Cu粗晶區和顏色較深的CuCrZr區域(見圖1(a))。粗晶區域的晶粒平均粒徑約為15 μm,CuCrZr區域由于晶粒較小晶界較多,腐蝕后呈現較深的顏色。SEM圖進一步證實了該區域由粒徑1～2 μm的細晶和粒徑小于1 μm的超細晶組成(見圖1(c))。盡管熱壓燒結溫度高達900 ℃,CuCrZr區域的晶粒仍然很細小,這主要歸咎于Cr析出相對晶界的釘扎作用[10]。CuCrZr試樣全部由CuCrZr區域組成,而且晶粒分布特征與CuCrZr/Cu試樣的CuCrZr區域一致(見圖1(b, d))。

圖1 CuCrZr/Cu(a, c)和CuCrZr(b, d)試樣的顯微組織(a, b)和SEM圖(c, d)

圖2(a)是CuCrZr/Cu試樣的TEM明場像,可估算該區域的平均晶粒粒徑約為440 nm。大角度環形暗場像(見圖2(b))和高分辨率像(見圖2(c)),進一步證實該區域存在大量平均粒徑為12 nm的Cr析出相。從晶粒尺寸和大量的Cr析出相可以確定該區域為CuCrZr區域。顯微硬度測試表明,CuCrZr/Cu試樣的純銅粗晶區域和CuCrZr細晶區域硬度差異明顯,分別為70和164 HV0.05。CuCrZr試樣由均一的CuCrZr細晶區域組成,硬度平均值為162 HV0.05。

圖2 CuCrZr/Cu試樣CuCrZr區域的TEM圖

2.2 異質和均質結構銅鉻鋯合金的摩擦磨損性能

在0.5 N載荷下,CuCrZr/Cu試樣的摩擦因數在前500個循環從0.25快速增加到0.45,之后開始下降,再經約500個循環后穩定在0.39左右。CuCrZr試樣的摩擦因數在前2500個循環內隨循環周期單調增加,從0.18增加到0.48,隨后保持該值直到測試結束(見圖3(a))。由此可見,CuCrZr/Cu試樣具有更低更穩定的摩擦因數,約為CuCrZr試樣的81%。磨損率的測試結果表明,CuCrZr/Cu試樣的磨損率為0.65×10-6mm3·N-1·m-1,約為CuCrZr試樣的61%(見圖3(b))。此外,CuCrZr/Cu試樣和CuCrZr試樣的導電率分別為81.2%IACS和73.6%IACS。前者導電率更高主要是因為:相比于CuCrZr區域,純銅區域的晶界更少且沒析出相,對電子散射程度更小,且純銅的電阻率更小,因而純銅的加入提高了CuCrZr/Cu試樣的導電率。綜上,異質結構銅合金比均質結構銅合金具有更穩定的摩擦因數、更好的耐磨性和更好的導電性能。因此,異質結構銅合金在電接觸領域將有廣闊的應用空間。

圖3 CuCrZr/Cu試樣和CuCrZr試樣的摩擦因數曲線(a)和磨損率(b)

2.3 異質和均質結構銅鉻鋯合金的磨損機理

圖4對比了兩種試樣的磨痕表面形貌。與CuCrZr試樣相比,CuCrZr/Cu試樣的磨痕表面較為平整,粗糙度和寬度更小(見圖4(a, c))。從磨痕局部區域放大圖可以看到,兩種試樣的磨痕都分布著剝落坑,且剝落坑周邊伴有裂紋(見圖4(b, d))。鑒于對磨球上沒有明顯的轉移物,因此,剝落坑的產生主要是由于接觸表面材料發生了疲勞斷裂。即疲勞磨損主導了兩種樣品的磨損機制。然而,與CuCrZr試樣相比,CuCrZr/Cu試樣的剝落坑分布密度更低、尺寸更小。這說明CuCrZr/Cu試樣疲勞磨損程度更輕。以上觀察與其更低的磨損率相一致(見圖3(b))。

圖4 CuCrZr/Cu試樣(a, b)和CuCrZr試樣(c, d)的磨痕表面形貌

圖5對比了兩種試樣磨痕亞表層的微觀組織,其中點劃線標記了磨損表面與保護層的分界面。在磨痕下方的亞表層未發現納米機械混合層和與之相鄰的動態再結晶層。相反,兩種試樣均保留著各自的原始組織。可能的原因是所施加的載荷較小,不足以引起材料發生嚴重的塑性變形。因此,摩擦接觸界面材料的磨損是由材料的抗疲勞性能主導。CuCrZr試樣主要由超細晶組成。超細晶的加工硬化能力與位錯容納能力差,無法適應摩擦過程中持續輸入的應變,最終通過形成微裂紋來釋放累積的應變。微裂紋在摩擦力的推動下發生擴展并導致材料的剝落。相反,CuCrZr/Cu試樣由粗晶區域和超細晶區域組成。在超細晶區域萌生的裂紋擴展到粗晶區域時,塑性變形能力較好的粗晶使裂紋尖端發生鈍化[11],應力集中得到改善,阻礙裂紋的擴展,進而抑制材料的剝落。此外,材料接觸表面的剝落不可避免地造成表面粗糙化,進而增加犁削分量對摩擦力的貢獻。因此,密度更小、尺寸更細的剝落坑使得CuCrZr/Cu試樣比CuCrZr試樣具有更低更穩定的摩擦因數。

圖5 CuCrZr/Cu試樣(a, b)和CuCrZr試樣(c, d)的磨痕亞表層SEM圖

3 結論

1) 采用真空熱壓燒結法成功制備了包含細晶區域和粗晶區域的異質結構銅鉻鋯合金。細晶區域平均晶粒尺寸約為440 nm,且晶內伴有彌散鉻析出相,粗晶區域為純銅晶粒,平均晶粒尺寸約為15 μm。

2) 在0.5 N載荷下,異質結構銅鉻鋯合金的摩擦因數經短暫跑合后穩定在約0.39,磨損率為0.65×10-6mm3·N-1·m-1,分別為均質結構銅鉻鋯合金的81%和61%,疲勞磨損是主要的磨損機理。

3) 摩擦學性能提高的原因為,在摩擦過程中,異質結構銅鉻鋯合金的粗晶區域有效抑制了疲勞裂紋拓展,減少了材料的疲勞剝落和摩擦接觸界面的粗糙化。