硼化物颗粒增强铜基复合材料的制备及耐磨性研究

作     者：龙希希 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邹军涛

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：直流电辅助热压烧结 陶瓷颗粒 复合材料 磨损机制 

摘      要：随着高端科技的不断发展,对铜合金及其复合材料的性能要求日益严格。通过向铜基体中引入第二相,可以充分发挥第二相的增强效应,从而全面提高材料的综合性能。本文旨在通过研究BN、WB和WB2硬质陶瓷颗粒在直流电辅助热压烧结和冷轧变形相结合的方式下,其致密性和耐磨性的变化规律。主要结论如下: (1)由于BN颗粒颗粒度小,比表面能大,与Cu基体不润湿,通过提高烧结温度改善BN/Cu复合材料的致密性效果不佳,仅在975℃可以达到97.4%的致密度。同时,通过对BN颗粒添加量的研究发现,当BN颗粒的含量为0.8wt.%时,BN/Cu复合材料具有较为稳定和较低的摩擦系数,其耐磨性最好。同时,当轧制变形量为30%时,致密度、硬度和强度分别为98.6%,89.7HB和384MPa,并且在摩擦过程中,轧制态的BN/Cu复合材料极易形成机械混合层,有助于减轻磨损,在此变形量下,磨损机制主要以氧化磨损和疲劳磨损为主。 (2)由直流电辅助热压烧结法制备的WB/Cu复合材料和WB2/Cu复合材料,有着较高的致密性。WB/Cu复合材料和WB2/Cu复合材料在950℃和925℃烧结时组织中缺陷最少,在此过程中无新相生成,稳定性较好,其致密度分别为99.2%和99.3%。当烧结态WB/Cu复合材料和WB2/Cu复合材料的轧制变形量为40%时,其复合材料的致密度、硬度、及强度均表现出增加的趋势,这种提升主要是由细晶强化和位错强化两种机制共同引起的。其次,通过对WB/Cu复合材料和WB2/Cu复合材料的耐磨性检测发现,其摩擦系数在轧制变形量为40%时最低且最稳定。 (3)通过研究BN/Cu复合材料、WB/Cu复合材料和WB2/Cu复合材料这三类材料与摩擦条件(外加载荷和转速)的关系,发现这三类复合材料的体积磨损率随着外加载荷和转速的增加呈现出线性增加的关系,其中WB2/Cu复合材料的磨损率最低,表现出较好的耐磨性。BN/Cu复合材料由于BN陶瓷颗粒自身所具备的润滑性,在低载荷高转速的条件下表现出较为稳定的摩擦系数。WB/Cu复合材料和WB2/Cu复合材料的摩擦系数受载荷和转速影响变化规律一致,其在5N和300r/min的条件下,表现出较低的摩擦系数分别为0.241和0.233。在低载荷和低转速的情况下,这三类复合材料受摩擦副之间实际接触面积的影响,摩擦系数有增大的趋势,其磨损机制多以磨粒磨损为主。当载荷和转速增大至某一阶段时,复合材料受摩擦热的影响,摩擦接触面塑性变形严重,磨损加剧,此时磨损机制转变为较为严重的粘着磨损和氧化磨损。