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(cè)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(cè) 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