闕吳梅１,黃友庭１,２,陳文哲１,３

(１．福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,福州 ３５０１１６;２．福建工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院,福州 ３５０１１８;

３．廈門理工學(xué)院,廈門 ３６１０２４)

摘 要:通過熔滲燒結(jié)法制備 CuW８０合金,然后在１２５０ ℃下滲碳４h制備梯度結(jié)構(gòu)銅鎢基碳化物復(fù)合材料;利用材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)滲碳前后合金進(jìn)行了不同溫度下的壓縮試驗(yàn),采用掃描電鏡對(duì)其組織及壓縮斷口進(jìn)行了觀察,研究了溫度對(duì)復(fù)合材料壓縮性能的影響規(guī)律,并分析其失效機(jī)理.結(jié)果表明:復(fù)合材料的表面形成了約７０μm 厚的滲碳層,表面硬度較 CuW８０合金的提高了約９５．１％;復(fù)合材料在室溫壓縮過程中存在明顯的加工硬化現(xiàn)象,隨溫度升高,加工硬化作用逐漸減弱;抗壓強(qiáng)度和壓縮率隨溫度升高而降低,復(fù)合材料的壓縮性能均優(yōu)于CuW８０合金的;隨溫度升高,復(fù)合材料斷口形貌由以韌窩為主逐漸變成以塑性孔洞為主,壓縮斷裂方式是韌脆混合斷裂.

關(guān)鍵詞:梯度結(jié)構(gòu);銅鎢基碳化物復(fù)合材料;滲碳;高溫壓縮

中圖分類號(hào):TG１１３．２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１０００Ｇ３７３８(２０１７)０７Ｇ００５４Ｇ０６

PreparationandHighTemperatureCompressionPropertyofGradientStructure

CopperＧTungstenBasedCarbideComposite

QUE Wumei１,HUANGYouting

１,２,CHEN Wenzhe１,３

(１．CollegeofMaterialsScienceandEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou３５０１１６,China;

２．SchoolofMaterialsScienceandEngineering,FujianUniversityofTechnology,Fuzhou３５０１１８,China;

３．XiamenUniversityofTechnology,Xiamen３６１０２４,China)

Abstract:CuW８０alloywaspreparedbyinfiltrationsintering method,thenthegradientstructurecopperＧ

tungstenbasedcarbidecompositewasobtainedbycarburizingprocessfor４hat１２５０℃．Thecompressiontestsfor

alloysbeforeandaftercarburizing werecarriedoutonuniversaltesting machineatdifferenttemperatures,and

microstructureandcompressionfracturewereobservedbyscanningelectronmicroscope．Effectoftemperatureon

compressionperformanceforcompositewasresearched,andthefailuremechanism wasanalyzed．Theresultsshow

thatacarburizationlayerwith７０μmthicknesswasformedonthesurfaceofcompositeandsurfacehardnesswas

improvedby９５．１％ compared withthatofCuW８０alloy．There wasasignificantworkhardeningprocessfor

compositeduring room temperature compression process,butthe hardening effect gradually weakened as

temperatureincreased．Thecompressivestrengthandcompressionratiodeclinedastemperatureincreased．The

compressionpropertyofcompositewasbetterthanthatofCuW８０alloy．Fracturemorphologyofcompositemainly

includeddimplesandthenmostlyplasticholesastemperatureincreased,andcompressionfracturefailuremodewas

brittlefracturemixedwithductilefracture．

Keywords:gradientstructure;copperＧtungstenbasedcarbidecomposite;carburization;hightemperaturecompression

０ 引 言

銅鎢合金是由銅和鎢經(jīng)過熔滲燒結(jié)法而制備出的一種假合金,因其同時(shí)具備鎢的高熔點(diǎn)、高密度、高硬度、高的高溫強(qiáng)度、低熱膨脹系數(shù)和銅的高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性及良好塑性等特點(diǎn),主要應(yīng)用在真空開關(guān)電器、電加工電極、電子封裝及熱沉和高溫材料等領(lǐng)域[１Ｇ４].

在型鋼軋制過程中,安裝在軋輥孔型前后幫助軋件按既定的方向和狀態(tài)準(zhǔn)確地、穩(wěn)定地進(jìn)入和導(dǎo)出軋輥孔型的裝置稱為導(dǎo)衛(wèi).傳統(tǒng)的導(dǎo)衛(wèi)材料主要有灰口鑄鐵、白口鑄鐵和球墨鑄鐵,但是這些材料都不耐磨損且容易斷裂,使用壽命通常僅幾個(gè)小時(shí),直接影響到生產(chǎn)效率.最近的研究表明,將銅鎢合金作為導(dǎo)衛(wèi)材料,具有摩擦因數(shù)低、不炸裂、耐磨損等優(yōu)點(diǎn),可以 解 決 目 前 傳 統(tǒng) 導(dǎo) 衛(wèi) 材 料 存 在 的 許 多 問題[５].汪合朋[６]的研究表明,銅鎢合金導(dǎo)衛(wèi)的使用壽命遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)材料導(dǎo)衛(wèi)的,甚至可以比 YG１５硬質(zhì)合金導(dǎo)衛(wèi)的高三倍以上.基于導(dǎo)衛(wèi)的工作環(huán)境考慮,銅鎢合金導(dǎo)衛(wèi)表面在高溫和壓力的共同作用下,不可避免地存在黏鋼現(xiàn)象,從而降低其使用壽命.黃友庭[７]提出,滲碳后形成的梯度結(jié)構(gòu)銅鎢基碳化物復(fù)合材料具有高的硬度和良好的高溫摩擦磨損特性.因此,為減少銅鎢合金導(dǎo)衛(wèi)的黏鋼現(xiàn)象和提高其表面性能,作者采用此方法制備了梯度結(jié)構(gòu)銅鎢基碳化物復(fù)合材料,然后進(jìn)行了不同溫度下的壓縮試驗(yàn),利用掃描電子顯微鏡觀察組織及斷口形貌,并結(jié)合能譜儀對(duì)微區(qū)成分進(jìn)行分析,研究了溫度對(duì)滲碳后形成的梯度結(jié)構(gòu)銅鎢基碳化物復(fù)合材料壓縮性能的影響規(guī)律,并分析其失效機(jī)理.

１ 試樣制備與試驗(yàn)方法

１．１ 試樣制備

采用熔 滲 燒 結(jié) 法 制 備 CuW８０ 合 金.將 粒 徑５．６~８μm、純度９９．９８％的鎢粉在氫氣環(huán)境下進(jìn)行還原處理,溫度(８６０±１０)℃,保溫１h;同時(shí)將粒徑０．０７４μm、純度９９．８％的電解銅粉也在氫氣環(huán)境下進(jìn)行還原處理,溫度(３００±１０)℃,保溫１h;把還原后的鎢粉和銅粉按質(zhì)量比８∶２均勻混合,然后加入１％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))鈷粉作為活化劑,混合均勻后烘干;配料完成 后,用 ５０t四 柱 壓 力 機(jī) 進(jìn) 行 壓 制 成 型,CuW８０合金壓坯尺寸為２０ mm×１５ mm×８ mm

和?９mm×２２mm.采用高溫滲碳方法制備具有梯度結(jié)構(gòu)的銅鎢基碳化物復(fù)合材料.將制得的 CuW８０合金壓坯用汽

油洗凈除去表面污物,酒精沖洗后晾干,裝入石墨舟內(nèi),填滿石墨粉,輕輕壓實(shí)后,裝入專門的燒結(jié)碳化爐中,在１２５０ ℃下滲碳４h,然后隨爐冷卻至低于１００ ℃后出爐.

１．２ 試驗(yàn)方法

將 CuW８０合金與滲碳后形成的梯度結(jié)構(gòu)銅鎢基碳化物復(fù)合材料試樣經(jīng)表面拋光處理后,用氯化鐵鹽酸溶液(FeCl３、HCl、去離子水的體積比為１∶２∶２０)腐蝕５~１０s,用清水洗凈,再用酒精清洗并吹干.采用SＧ３４００N 型掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)試樣進(jìn)行組織及斷口形貌觀察,并用其附帶的能譜儀進(jìn)行微區(qū)成分分析.

采用 D/maxＧUltimaⅢ型 X 射線衍射儀(XRD)對(duì) CuW８０合金與滲碳后形成的梯度結(jié)構(gòu)銅鎢基碳化物復(fù)合材料進(jìn)行物相分析,工作電壓為４０kV,電流為２０ mA,衍射靶材為 Cu靶,掃描角度范圍為２０°~１００°,掃描速率為４ (°)??min－１,步長為０．０１°.通過Jade６．０軟件定量分析物相組成變化.采用 HXＧ１０００型顯微維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測試,載荷為４．９N,保載時(shí)間為１０s,壓頭為正四棱錐金剛石.各選取三個(gè)試樣,每個(gè)試樣表面測 １０ 個(gè)點(diǎn),取平均值作為其維氏硬度值.

在InstronＧ１１８５型萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行高溫壓縮試 驗(yàn),試 樣 尺 寸 為 ?８．５ mm ×２０ mm,采 用InstronSF３７５D 型高溫爐(最高溫度 １０００ ℃)加熱,壓縮速度為 １ mm??min－１,壓縮溫度分別設(shè)置為:室溫(２５ ℃),２００,４００,６００ ℃;加熱到各個(gè)溫度時(shí)均保溫５min后進(jìn)行壓縮試驗(yàn).

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論

２．１ 顯微組織

圖１中較亮區(qū)域?yàn)殒u,較暗區(qū)域?yàn)殂~,可以看出,CuW８０合金與梯度結(jié)構(gòu)銅鎢基碳化物復(fù)合材料中的鎢顆粒直徑大小不一,在０．５~８μm 之間,但總體分布均勻,銅均勻包覆在鎢顆粒的周圍,材料表面

并未出現(xiàn)孔洞和裂紋.由圖２可知,復(fù)合材料表面存在鎢、銅、碳三種元素,銅鑲嵌在鎢骨架內(nèi),與鎢結(jié)合良好,碳則彌散分布于材料的表面,材料表面成分分布均勻.由圖３可知,梯度結(jié)構(gòu)銅鎢基碳化物復(fù)合材料滲碳層的厚度約為７０μm,這表明碳已成功滲入到 CuW８０ 合金的表面.由 圖４可知,合金滲碳層中含有 WC、Cu、W２C和 W 等４個(gè)物相.經(jīng)分

析可得,滲 碳 層 中 各 物 相 含 量 (質(zhì) 量 分 數(shù))分 別 為６１．８％WC,２２．７％Cu,１０．１％W２C,５．４％W,其中WC