（材料学专业论文）cucrzr合金磨损特性的研究.pdf

c u c r - z r 合金磨损特性的研究 摘要 本文研究了时效工艺对c u c r z r 合金性能的影响。结果表明：合金的最佳 热处理工艺为：9 5 0 固溶+ 4 5 0 时效3 h ，合金的硬度达到1 11 5 h b s ，导电率 达到7 7 1 5 + i a c s 。对合金的组织结构进一步分析表明：c u c r z r 合金其良好 的综合性能是析出的c r 粒子产生的弥散强化与基体内生成的大量孪晶共同作 用的结果。孪晶的存在不仅使合金具备高的抗拉强度，且对导电率的影响很小， 使得合金具有高的导电率。大量孪晶的出现与c r 元素的加入有关。c r 可以降 低合金的层错能，使合金更容易出现孪晶。c r 粒子析出初期与基体保持共格形 式，时效时间的延长，共格形式逐渐被破坏，时效3 h 后，与基体脱离共格关系， 此时以o r o w a n 机制强化。 本课题还研究设计了销轴式电接触摩擦磨损实验装置，实验表明磨损装置 满足实验的功能要求，运行可靠、稳定，实验数据重复性好，可以成功应用于 材料的电接触滑动磨损研究。对c u c r z r 合金的电接触滑动磨损性能的研究结 果表明：电接触滑动磨损的机理是熔焊粘着磨损、电侵蚀磨损及磨粒磨损，它们 的磨损量随滑动距离的增加呈线性增加。本文重点讨论了电流、速度对c u c r z r 合金4 5 钢电接触滑动磨损性能的影响。 关键词：c u c r z r 合金；时效；孪晶；滑动磨损 t h es t u d yo ft h ew e a rp r o p e r t i e sa b o u tt h ec u c r z r a l l o y a b s t r a c t t h ee f f e c t so fa g i n go np r o p e r t i e so fc u c r - z ra l l o ya r es t u d i e d t h er e s u l t s h o wt h a tt h eb e s th e a t - t r e a t m e n tp r o c e s si st h es o l i ds o l u t i o na t9 5 0 ，a n da g i n g a t4 5 0 f o r3 h ，t h eh a r d n e s sc a nr e a c ht h e111 5 h b sa n dt h ec o n d u c t i v i t yc a n r e a c h7 7 15 i a c s t h ef u r t h e rr e s e a r c ho nt h ea l l o ys h o wt h a t ：t h ee x c e l l e n t o v e r a l lp r o p e r t i e so fc u - - c r - z ra l l o yi sb e c a u s eo ft h er e s u l to fw o r k i n gt o g e t h e rb y s m a l l - s c a l ep r e c i p i t a t i o nc rp a r t i c a la n dl o t so ft w i n sg e n e r a t e di nt h eb a s e t h e e x i s to ft w i n sc a nn o to n l yi m p r o v et h es t r e n g t ha l s oh a v el i t t l ee f f e c to ne l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y t h ec rp u ti nt h ea l l o yc a nl e a dt oa p p e a r a n c eo ft w i n s b e c a u s ei t c a n e d u c et h ef a u l te n e r g yo fa l l o y ，s ot h ef a u l ti se a s yt og e n e r a t e i n t h ee a r l y t i m eo fp r e c i p i t a t i o n ，t h ec rp a r t i c a lk e e pc o h e r e n c er e l a t i o n sw i t hb a s e ，a st h e i n c r e a s eo fa g i n gt i m et h ec o h e r e n c ei sd e s t r u t e d ，a f t e ra g i n gf o r3 h ，t h e p r e c i p i t a t i o np a r t i c a lc a s to f ft h ec o h e r e n c ew i t hb a s e ，t h e ns t r e n g t ht h eb a s eb y o r o w a np r i n c i p l e t h i ss u b je c ta s l od e s i g n e dt h ep i n - - o n ，a x l ee l e c t r i c a lc o n t a c ts l i d i n gw e a r a p p a r a t u s ，w h i c hr a ns t a b l ya n dw a s d e m o n s t r a t e dt ob eu pt ot h ee l e c t r i c a lc o n t a c t s l i d i n gw e a re v a l u a t i o n t h ee l e c t r i c a lc o n t a c ts l i d i n gw e a rb e h a v i o ro fc u c r - z r a l l o yh a db e e ns t u d i e d ，a n dt h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ew e a rm e c h a n i s m sm a i n l y w e r ea d h e r ew e a r ，a r ce r o s i v ea n da b r a s i v ew e a ra n dt h a tt h e r ew a sal i n e a rr e l a t i o n b e t w e e nt h ew e a rl o s sa n ds l i d i n gd i s t a n c e t h ee x p e r i m e n t sp r e s e n t e dt h ee f f e c t s o fc u r r e n ti n t e n s i t ya n ds p e e do nw e a rp r o p e r t i e so fc u - c r z ra l l o y 4 5s t e e lw e a r b e h a v i o r k e y w o r d s ：c u - - c r - z ra l l o y ；a g i n g ；t w i n s ；s l i d i n gw e a r 插图清单 图1 1磨损量与磨损时间的关系图1 0 图1 2粘着磨损过程示意图1 1 图1 3y 1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢轴表面的粘着磨损层横截面s e m 照片1 2 图1 4y 1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢轴表面的磨粒磨损s e m 照片1 3 图1 5c u 2 0 n b 复合材料的晶格形变和n b 纤维在磨损过程中的 变形模型1 5 图2 1合金元素对铜合金导电性能的影响1 6 图2 2 拉伸试样外形尺寸一1 7 图2 3双臂电桥原理示意图1 8 图2 4电阻试样结构图l8 图2 5双喷电解减薄仪工作原理1 9 图3 1d f l 7 3 1 s l 一1 0 a ( 多路) 系列可调式直流稳压电源2 1 图3 2磨损装置总装图2 2 图3 3试样座总装图2 3 图3 - 4加载桩2 4 图3 - 5加载销2 4 图3 - 6加载杠杆2 4 图3 7试样架2 5 图3 8安装底板2 5 图3 - 9磨环2 6 图3 1 0 轴套2 6 图3 1l 试样座2 6 图3 1 2 磨损装置模拟效果图2 7 图3 1 3 加载杠杆受力分析图2 8 图3 1 4 通电试样回路示意图2 9 图3 1 5 变频器参数设置流程图2 9 图3 ：1 63 次试验中纯铜磨损量与时间的关系3 0 图4 1时效处理对合金硬度的影响3 l 图4 2时效处理对合金抗拉强度的影响3 2 图4 3合金经过4 5 0 x3 h 处理后的金相组织3 3 图4 4合金经过4 5 0 x3 h 处理后的断口形貌3 4 图4 5合金经过4 5 0 x 3 h 处理后的断口能谱分析3 4 图4 = 6时效处理对合金导电率的影响一3 6 图4 7 图4 8 图4 9 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 - 6 图5 ：7 图5 8 图5 - 9 图5 1o 图5 1 1 不同处理状态下的金相组织3 8 不同温度时效3 h 后的t e m 照片3 9 4 5 0 时效3 h 后的t e m 照片3 8 电流对c u c r z r 合金磨损量的影响4 0 合金在2 0 n 、8 0 0 r m i n 、6 a 条件下磨损后的宏观照片。4 1 转速对c u c r z r 合金磨损量的影响4 2 合金在2 0 n 、1 2 0 0 r m i n 、4 a 条件下磨损后的宏观照片4 2 合金在载荷2 0 n 、转速8 0 0 r m i n 、0 a 电流下的磨损形貌4 3 合金在载荷2 0 n 、转速8 0 0 r m i n 、4 a 和6 a 电流下的磨损形貌4 4 合金在载荷2 0 n 、转速1 0 0 0 r m i n 、4 a 电流下的磨损形貌4 4 合金在载荷2 0 n 、转速1 2 0 0 r m i n 、4 a 电流下的磨损形貌4 5 合金磨损过程实物图4 5 合金磨损后磨环的实物图4 5 合金在载荷2 0 n 、电流4 a 、1 0 0 0r m i n 下的能谱分析4 6 表格清单 表3 1砝码质量与载荷换算表2 9 表4 - 1c u c r z r 合金时效处理后硬度值与软化温度对应关系- 3 5 表4 - 2不同类型的缺陷对铜合金电导率的影响3 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文储签字：乓午 学位论文版权使用授权书 严月f7 日 本学位论文作者完全了解金胆至丝态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金目垦王些太 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 名：鲁彳 签字日期： b 产年中月f 日 i 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 名：强人虏 签字日期：矽声年午月f 7 日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在导师陈九磅副教授的悉心指导下完成的。陈老师不但在业务学 习中给予了我很大的帮助，且其严谨的治学态度、广博的知识、高尚的品德， 使我受益匪浅，享用终生。在此特向陈老师致以深深的敬意和衷心的感谢! 在课题完成过程中，还得到热处理实验室的郑玉春老师、汪冬梅老师、程 娟文老师及刘家琴老师的许多指导和帮助，在此，对他们的工作表示谢意! 同 时也要感谢师兄姜伟耐心的指导，师弟赵鹏程在试验中的积极合作! 另外，试 验能够顺利完成也离不开常健、杨丹、汪逍琴、石横玉同学的大力协助，在此 向他们表示感谢! 感谢家人对我学习阶段的支持，感谢两年一起走过的张志海、 闵文锦、张春基、江风等各位同学，谢谢! 作者：鲁萍 2 0 10 年2 月 第一章绪论 铜是一种传统而又现代的重要金属材料，在人类使用的所有材料中，铜对 人类文明历史的重大影响是任何其他材料所无法比拟的，以至于人类文明发展 史上有两个阶段以它的合金命名：青铜时代和亚青铜时代。1 8 世纪末，铜的优 异导电性能又催生了工业革命，为现代文明奠定了基础。 随着人类社会向电气化、自动化、信息化、和网络化的方向迈进，铜在生 产建设、人民生活以及高新技术上的作用日益明显。以铜合金为基础材料的微 电子工业的兴起，使铜的应用更是得到快速的发展，所以铜及铜合金不仅是一 种传统的非常有用的金属材料，而且还是重要的现代高新技术材料。 “十五”期间，在国民经济和科技发展的推动下，特别是为满足电子、通 讯、交通、宇航、能源、家电、机械工程等行业对铜合金新材料的需求，中国 铜合金新材料的研究取得了重大的进展，产业化进程迅速提高，出现了一大批 具有重要社会效益和经济意义的创新成果。其中，电子信息产业是我国的第一 支柱产业。信息化水平已成为衡量一个国家科技发展和综合国力的重要标志， 而集成电路( i c ) 则是信息产业的基础。在集成电路中，引线框架起着固定芯 片、电源分配、传递电信号并向外散发元件热量的作用，是集成电路的关键部 件。它要求引线框架材料具有一定的强度、优良的导电导热性能以及良好的焊 接性、冲制性、塑封性等一系列性能。因此，目前用于制造集成电路引线框架 的材料基本以铜合金为主，尤其以高强高导铜基合金为主。 随着电子信息产品向着小型化、薄型化、轻量化、高速化、多功能化和智 能化发展，以及集成电路( i c ) 向大规模( l i c ) 和超大规模( v l i c ) 方向发 展，进而对集成电路重要组成部分之一的引线框架的性能要求越来越高。目前， 引线框架向着引线节距微细化、多脚化的方向发展。国外预计未来集成电路端 子数将达到10 0 0 2 0 0 0 。端子数的增加要求引线框架的厚度也将从原来的 0 2 5 m m 逐渐减小到o 1 0 1 5 m m 甚至5 0 9 m 。引线框架厚度的减小对引线框架 的强度和导电性都提出了更高的要求【l 2 j 。 1 1 高强高导铜基合金研究现状及发展趋势 高强高导铜合金是一类有优良综合物理性能和力学性能的结构功能材料， 广泛应用于电力、电子、机械等工业领域，可用作电气工程开关触桥、连铸机 结晶器、集成电路引线框架、大功率异步牵引电动机转子、电气化铁路接触导 线、热核实验反应堆偏滤器垂直靶散热片、高脉冲磁场导体材料等。下面简要 介绍下高强高导铜基合金材料在引线框架材料方面的应用，以及合金的强化 机理，制备方法和发展趋势。 1 1 1 高强高导引线框架铜基合金的分类 自2 0 世纪8 0 年代以来，铜合金因其具有高导电、高导热率及价格低等优 点，逐渐取代了可伐合金，成为制造引线框架的主要材料。目前，全球开发出 来的铜引线框架材料多达7 0 余种，已形成几大主要系列：c u f e ( p ) 系、c u n i s i 系、c u z n 系、c u c r z r 系【3 ，4 l 。 1 c u - f e ( p ) 系 该系列合金是引线框架中使用最多最广的一种，占到全部用量的6 5 。它 的工艺性能优良、价格低廉，能满足引线框架的多种性能要求。这种合金是典 型的析出强化型合金，属中强高导型合金【5 】。其利用f e 在铜中的固溶度随温度 变化有较大差异来提高合金的导电导热性。在高温时，f e 在铜中的溶解度最大 可达到4 ，而在常温下f e 在铜中的溶解度几乎为零。随着温度的下降，f e 以 倪相形式析出。研究表明，若合金中含有少量的p 元素，可形成细小的f e 2 p 金 属化合物，此化合物的直径均为1 0 0 n m 以下，以o r o w a n 机制产生强化效果。 它的析出能大大提高合金的强度和导电性，因此，p 广泛应用于c u f e 合金中 形成c u f e p 系列合金。此合金中最具代表性的为k f c ( 即c 1 9 2 1 0 ) ： 2 c u n i s i 系 c u n i s i 系列是一类具有发展潜力的合金，具有优良的抗松弛性能，耐腐 蚀，属于析出强化型合金，具有很高的加工硬化特性。强度随n i 、s i 的含量增 加而升高。n i 、s i 的较合适的含量分别为9 2 5 ，3 - - - 9 。当n i 与s i 共 同溶解于铜基中时可形成n i 2 s i 金属化合物，生成强化相8 - n i 2 s i 。通过分析 c u n i 2 s i 相图可知，n i 2 s i 在基体中的溶解度变化很大，在共晶温度( 1 0 2 5 ) 时溶解度最大可达到9 ，而在室温下几乎为零。在时效处理的过程中，n i 2 s i 以非常细小的质点形式从固溶体中析出。从而极大地提高了合金的强度，同时 仍保持着良好的导电性。因此，此系列合金具有很高的强度，且能保持较高的 导电性。但它有钎焊耐热剥离性差的缺点。通常在合金中加入z n 元素，z n 的 加入。能有效改善合金的钎焊性能。在钎焊过程中，z n 元素在铜合金和焊料界面 形成偏聚层，能阻挡c u 向焊料中扩散，从而阻碍脆性较大的金属化合物c u 3 s n 的形成，改善了铜合金与焊料的结合情况，从而提高了合金的钎焊性能】。该 系列合金是美国发现的一种典型的析出强化合金，常见的牌号有c 6 4 7 10 、 k l f 1 2 5 、c 7 0 2 5 0 等等。 3 c u z n 系 c u z n 系合金的强度可达6 0 0 m p a ，其具有良好的加工性能，成本低等优点， 且还可通过常规加工方法进行大批量生产。z n 具有与c u 相同的面心立方晶格， 因此c u z n 合金在一定成分范围内为单相口固溶体，可有效的调节合金的电导 率，而对合金的强度影响不大【7 j 。但z n 在铜基体中的固溶强化效果有限，合金 的强度仍较低。而在c u z n 中加入c r 元素时，因在高温下c r 在口铜基体中有 2 一定的溶解度，温度降低时，c r 的溶解度急剧下降，从而以细小的c r 粒子沉 淀，充分在口铜基体上弥散分布，强化了合金基体，阻碍再结晶的进行。因此， c u - c r 合金具有较高的强度、再结晶及软化温度。但电阻率下降严重，难以满 足使用要求。因而，z n 、c r 的同时加入，可有效利用两种元素的有利因素，使 合金得到较高强度的同时，通过z n 来对合金的电导率进行调节，最大程度上 使合金强度和导电性兼备。但合金中含z n 量高，则无法克服应力腐蚀敏感性 高的致命缺点，因而没有太大实用价值【8 】。 4 c u c r z r 系 c u c r z r 合金作为引线框架材料商品化时间不长，属于高强高导合金，强 化方式为时效析出强化，它以其优良的性能备受人们的重视。c u c r z r 系合金 是目前研制出的唯一能满足超大规模集成电路性能要求的高强高导引线框架材 料。其抗拉强度在6 0 0 m p a 以上、导电率大于8 0 i a c s ，因而成为最具魅力的 高强高导合金，受到国内外的广泛关注。 该合金具有较高的导电率，一般都在8 0 i a c s 以上。但是c u c r 合金自 身的强度不高，仅在4 0 0 m p a 左右。当在铜基体中同时加入c r 、z r 元素时，就 能产生明显的沉淀强化效果，沉淀相为纳米级的c r 和c u 3 5 z r ，从而大大提高 了合金的强度，且保持较高的导电率。加入z r 元素后，在z r 与c r 的相互作用 下，能影响c r 在c u 中的析出行为，在细化c r 的析出相的同时，还能使其形 状更趋近于球形p 】。另外，z r 还能提高合金的晶界强度。j s z a b l e w s k i 等发现 z r 能与引起合金高温脆性的s 元素结合，生成高温不易融化的化合物，从而使 合金的脆性沿晶断裂变为韧性的穿晶断裂。 此外，为了进一步改善合金性能，还可以适量添加其他元素也有助于改善 组织结构，提高合金的综合性能。在合金中添加适量的m g ，m g 和z r 可能起 到叠加的作用，延缓了析出相的长大，并降低了析出相周围的凝聚性应力，提 高了合金的峰值强度【l 叫；加入少量的s i 则可以细化析出相，提高材料的抗软 化能力；加入少量的s n ，由于s n 在晶界和位错上的偏析，不仅抑制了热轧后 时效过程中c r 的沉淀析出，使析出物更细小，还钉扎了位错的攀移，推迟了合 金的回复和再结晶；少量的稀土元素的加入能净化基体和晶界，改善和提高合 金的强度，显著提高合金的导电率和软化温度，大大增加了合金的使用寿命。 但是c u c r - z r 在熔炼方面还存在一些问题。由于c r 、z r 元素与氧的亲和 力比较大，在熔炼时需采用真空熔炼，这无疑增加了生产成本。目前，解决 c u c r z r 合金的大气熔炼问题是铜合金生产企业和研究机构努力的方向 1 l , 1 2 】。 国内传统的c u - c r z r 合金生产方法是：真空感应熔炼一热轧开坯冷加工热处 理，这种方法成本高、工艺流程长、设备投资大。由于技术上一直没突破传统 的生产方法，只能小批量试制，很难形成规模的生产能力，集成电路用c u c r z r 合金完全依靠进口。到目前为止，c u c r z r 系铜合金引线框架带材在国内尚未 进行工业化生产。 1 。1 。2 高强高导铜基合金的强化机理与制备方法 高强高导铜基合金的基本设计原则是：1 加入适当数量的强化相；2 采用 室温下在铜中溶解度不高的合金元素；3 选择对铜合金导电率影响较小的元 素。所以，目前的强化方式基本有两种：是合金化法，即通过引进适量元素 形成固溶体合金，再通过机械加工和热处理使其组织和结构发生变化，而获得 高强高导兼备的铜合金：二是复合材料法，即引进复合材料作为第二相强化铜 基体，进而提高强度和导电率。 1 合金化法 合金化法是制备高强高导铜合金的最基本方法。该法技术较成熟、工艺简 单、成本低、适合规模生产，但是性能难以有更高突破。目前已广泛使用的强 化手段有以下几种。 ( 1 ) 固溶强化 根据m o t t n a b b a r o 理论，合金元素在铜基体中的浓度直接影响着合金的强 度，固溶在基体中的异类原子越多，强化效果越明显。由于固溶于基体中的元 素原子一方面通过钉轧位错，使其难于运动，提高合金强度；另一方面又破坏了 晶体点阵的完整性，增加对电子波的散射作用，使材料导电性直线下降。其中 t i ，p ，f e ，c o 对导电率的影响最大，b e ，m g ，s i ，c r ，s b ，s n 次之，n i ，a g ，z n ， z r 的影响最小1 1 3 1 。 ( 2 ) 细晶强化 。 晶粒细化明显提高合金强度，是由于晶界阻碍金属塑性变形和位错运动。 实验证实，晶粒尺寸与金属屈服强度满足h a l l p a t c h 公式，即屈服强度与晶粒直 径平方根的倒数呈线性关系。小晶粒的塞积位错少，产生的应力集中小，需很 大的外应力才能开动位错，大晶粒反之。由于晶体的传导性与结晶的取向无关， 所以晶粒细化仅使晶界增多。而晶界合金的导电性远不如固溶原子和第二相的 影响大，所以细化晶粒对铜合金导电性的影响很小。 ( 3 ) 析出强化 基体加入室温下固溶度很低的元素后，经高温固溶，形成过饱和固溶体， 品格严重变形，强度明显提高。常用析出强化元素有n i ，s i ，c r ，z r , b e 等。对比 固溶强化，其优点是第二相大幅度强化合金的同时，对导电率影响较小。实验 证明，强化元素每提高抗拉强度1 0 0m p a ，导电率仅仅降低其3 - 8 i a c s 。因 此，该析出强化得到了广泛的应用。经时效处理，合金元素从基体中快速析出， 形成弥散细小的沉淀相，有效阻碍晶界和位错运动，因固溶原子引起的晶格畸 变对电子的散射作用比第二相对电子的散射作用大的多，故时效后强度提高， 而导电性又恢复到较高水平。目前已开发的该类铜合金有c u c r ，c u - z r , c u t i ， 4 c u - e e 等。 ( 4 ) 形变强化 目前普遍认为，大量变形使合金硬化，与位错运动和交互作用有关，随塑 性变形进行，一方面位错不断增加，使交割加剧，产生位错塞积群、割阶等障 碍，阻止位错进一步运动，提高合金强度；另一方面对电子波产生散射，使导 电性下降。一般充分退火态的位错密度在1 0 1 01 0 1 2 m - 2 而经过剧烈塑性变形后 位错密度可达1 0 1 51 0 m m 之，强、硬度明显提高，纯铜冷变形后强度达3 5 0m p a 以 上。强度提高的同时，保持了高导电性，但较高的强度在随后退火过程中部分 或全部丧失，所以形变强化往往不单独使用，而是配合其他强化手段同时使用。 ( 5 ) 弥散强化 与析出强化一样，弥散强化也是通过第二相的产生强化合金基体，进而强 化合金。只是前者的第二相直接从基体中析出，而后者的第二相是通过人工加 入、内氧化、原位反应等方法形成的。弥散强化是一种独特的强化方法，热稳 定性极高的第二相粒子可能更为细小、坚固、分布更为均匀。这些弥散分布的 颗粒阻止了位错和晶界的运动，从而提高了合金强度，以纳米级氧化物作为增 强相所制备的弥散强化氧化铜，综合性能是其他方法制备的铜合金无法比拟的。 有人认为析出强化和弥散强化结合起来可能获得更高的强度和更好的导电性。 弥敝强化合金也属于下面将要叙述的粒子增强型复合材料。 2 复合材料法 复合材料法可大幅提高合金强度，但工艺复杂，产品性能不稳定，生产成 本高，需进一步研究。按其第二相形貌分为粒子增强型和纤维增强型。前者承 受载荷的主要是基体，第二相主要阻止位错运动。后者承受载荷的主要是纤维， 基体负责向纤维传递和分散载荷。根据引进强化相方式不同可分为人工复合材 料法和自生复合材料法。 ( 1 ) 人工复合材料法 人工复合材料法指人为加人第二相颗粒、晶须、或纤维对铜基体强化，或 依靠强化相本身强度增大材料强度的方法，是研制高强高导铜合金的发展方向。 氧化物弥散强化铜( o d s c ) 是向铜基体中引人均匀、细小、具有良好热稳定性的 氧化物颗粒，如a 1 2 0 3 ，z r 0 2 ，s i 0 2 等来强化铜而制得的材料。氧化物弥散强化 铜的强化机理和沉淀强化型铜合金类似，但其第二相颗粒高温性能稳定，抗高 温软化能力优良。除颗粒增强铜外，纤维增强铜也应用于高强高导铜合金中。 碳纤维复合材料因其优良的导电性、导热性、抗磨损性和低膨胀系数而受到重 视。2 0 石墨纤维增强铜合金已用作触头材料。 ( 2 ) 自生复合材料法 自生复合材料法是向铜中加人一定量合金元素，通过一定工艺，使铜内部 原位生成增强相，而不是加工前就存在增强体与基体铜两种材料。主要有以下 方法：塑性变形复合法、原位反应复合法、原位生长复合法。塑性变形复合法 指向铜中加人适量合金元素( o r ，f e 等) ，制成两相复合体，再进行大量拉伸变形， 使合金元素由枝晶状结构转变为纤维结构，从而生成纤维增强型复合材料。这 种合金元素具备以下特点：在铜中溶解度很小，不对铜基体导电性产生太大影 响；具有良好塑性，便于加工变形。制备过程有制坯、预变形、最终变形三个 主要阶段，主要性能指标是极限拉伸强度和电导率。2 0 世纪7 0 年代，b e c k 等制 备超导合金时发现铸态c u 2 0 n b 拉拔时抗拉强度接近2 0 0 0m p a ，引起了许多 学者重视l l 引。该法目前以c u n b ，c u f e 系研究较多。原位反应复合法是在铜中 通过元素间或元素与化合物间发生放热反应生成增强体复合材料。哈尔滨工业 大学研制的“直接接触反应法”属此类。该材料增强体无界面污染，与基体 界面互溶性良好，与传统人工外加增强体复合材料比，强度大幅提高：且保持 较好的韧性和良好的高温性能。原位生长复合法指共晶合金的定向凝固，在基 体中形成定向排列的纤维状复合材料。实际上不仅共晶成分合金，偏离共晶成 分、有包晶或偏晶转变的合金都能定向凝固生长出规则排列的增强纤维，但凝 固条件苛刻。由于原位生长难控制，适合的合金系又十分有限，因而用该法制 取高强高导铜合金的研究还处于初始阶段【l5 1 。 1 1 3 高强高导铜基合金的发展趋势 1 沉淀强化和多元微合金化是提高高强高导铜基合金性能的有效途径 合金化法制备高强高导铜合金主要是固溶强化和沉淀强化两种方法，细晶 强化和形变强化常作为辅助强化手段。由于铜与其它异种金属有良好的熔合性， 已开。发出了诸如c u z n 、c u s n 、c u a 1 和c u n i 等系列固溶强化型合金，但由 于固溶元素在金属中使导电电子散射加剧，导电、导热性大幅度下降，因此， 就高强高导电性合金来说，固溶强化型合金较少。沉淀强化型合金，经高温固 溶处理，随后时效，合金元素呈弥散相析出，固溶体贫化为纯铜基体，恢复了 由于固溶处理所降低的导电、导热性，取得了强度和导电、导热性的平衡，因 此，沉淀强化法是制备高强高导铜合金的主要途径。 为了进一步提高铜基二元合金的强度，改善其导电性，弥补其它性能上的 不足，人们在二元合金的基础上，适当添加微量的第三组元甚至第四组元。如 在c u c r 合金的基础上添加微量z r 及m g 既能显著提高其强度和电导率，同时又 能有效地防止合金过时效。在铜合金中添加适量稀土能显著细化晶粒，提高强 度、韧性及其它加工性能【l6 。目前多元微合金化技术已越来越受到重视，已成 为进一步改善高强高导铜合金综合性能的有效手段。 2 复合材料是高强高导铜基合金的发展方向 现代工业的飞速发展对铜基导电材料的综合性能提出了更高的要求。合金 化方法由于自身的局限性，在保持铜高导电性的同时，对强度的提高有一定限 6 度。复合强化能同时发挥基体和强化相的协同作用，又具有很大的设计自由度。 复合强化不会明显降低铜基体的导电性，由于强化相的作用还改善了基体的室 温及高温性能，成为获得高强度导电铜基材料的主要强化手段，代表高强高导 铜基合金的发展方向。自生复合铜合金是通过自生复合组织来强化基体机械性 能并兼顾导电性能的铜合金材料，极有可能成为现有高强高导铜基合金的替代 材料。 3 产业化、规模化趋势 研制高强高导铜合金的最终目的就是为电力、电器、机械制造等工业部门 提供高质量低成本的导电铜材。一项新成果在研究阶段为了追求高性能可以较 少地考虑成本因素，但最终要面对市场的选择，使产品具有合理的性价比。常 规合金化法生产高强高导铜合金，虽然其强化效果有限，但能够直接与常规铸 造特别是连续铸造技术相结合，可大幅度降低铜合金的生产成本，其产品不但 可以作为功能材料，而且可以作为结构材料，从而仍显视出强大的生命力。原 位复合材料等新型高强高导铜材生产成本高昂，工艺控制困难，一时难以实现 大规模产业化，仍需进一步深入研究。因此，要努力开发性能好、市场潜力大、 成本低、适合规模化生产的高强高导铜合金。 4 环境保护和可持续发展 世界铜材用量近几年维持在1 5 0 0 万吨左右的水平，并在逐年增加，人们在 不断消耗自然资源的同时，对环境的污染也在加剧。在科技不断发展的今天， 资源环境问题倍受关注，在高强高导铜基合金的研制和生产中也日益重视环保 和可持续发展。长期以来铜及其合金的光亮酸洗采用高浓度h 2 s 0 4 、h n 0 3 、h 2 0 2 等无机酸( 简称老工艺) ，产生大量氮氧化物，严重污染环境，危害操作人员健 康，而且易造成工件的过腐蚀而报废，增加生产成本，目前趋向于开发无h n 0 3 的清洁、健康的新工艺【1 7 , 1 8 】。为节约贵重金属和不加有毒元素，在添加合金元 素方面，比较重视开发无a g 、c d 、a s 等元素的合金。在研究开发生产高强高导 铜合金同时应根据我国矿产资源的储量和分布状况，合理选择原料，尽可能减 少稀缺、贵重元素的使用量，或开发其替代品，搞好高强高导铜合金研制生产 的长期规划工作。 1 2 材料的摩擦磨损及高强高导铜基合金的磨损性能 1 2 r 摩擦磨损简述 谈到摩擦磨损问题，首先要解释一下摩擦学的定义。摩擦学是研究机械系 统中两个相互运动接触表面的摩擦、磨损、润滑的现象、规律和技术的科学， 是机械工程学科的重要组成部分1 1 9 】。摩擦金属学是一门边缘学科，是利用金属 学的原理( 观点) 、方法( 手段) 研究摩擦、磨损过程中发生的各种现象，探讨 磨损的起因及其影响因素，指导设计时的选材与确定工艺，达到提高机械、仪 7 器的零部件的可靠性和延长使用寿命的目的f 2 们。这些问题具有重大经济意义， 涉及的领域大到太空船，小到家用设备。摩擦表面的相互作用非常复杂，要认 识他们需要掌握多门科学知识，例如物理学、化学、应用数学、固体力学、流 体力学、热力学、热传导、材料科学、流变学、润滑、机械设计、可靠性分析 墼1 2 l 】 可 -0 摩擦是两个相互接触的固体表面产生滑动或滚动时所遇到的阻力，与运动 方向相反的切向阻力称为摩擦力。常见的摩擦有干摩擦和流体摩擦两种类型。 干摩擦又叫库伦摩擦，顾名思义，它描述两个干燥表面发生相对运动或者有相 对运动的趋势时的接触力切向分量。流体摩擦描述相邻流体层以不同速度运动 时的接触力切向分量，就像轴承表面的液体或气体产生的摩擦。 摩擦并不是材料的固有属性，而是摩擦副的种系统响应。没有化学膜和 吸附物的两个固体洁净表面将产生很大的摩擦。表面污染物或薄膜将减小摩擦， 润滑表面通常表现出较弱的粘着和很低的摩擦。但是，界面上的少量液体会导 致润滑面的粘着，从而产生很大的摩擦力，这对两个光滑表面尤为明显。 摩擦有利有弊。没有摩擦，人们将无法行走，汽车在公路上也无法行驶， 人们无法拾起物体。在某些机械部件中，如交通工具的制动系统和离合器、摩 擦传动，还要设法增大摩擦。对于大多数的滑动和转动零件，摩擦则是不希望 岱现的，它将会引起能耗和接触表面的磨损，所以应尽量减小它们摩擦。 磨损是摩擦学( 摩擦、磨损、润滑) 三大课题之一，它是研究相互接触的 两物体表面在负荷作用下，在相对运动过程中，引起物体表面材料产生迁移现 象，使材料表面不断地消耗，最后导致机械零件失效等问题；并且研究减少材 料消耗，提高材料使用寿命的理论与实践的一门新的、独立的而且正在发展中 的学科。在大多数情况下，磨损是表面微凸体相互作用而引起的。当发生相对 运动时，接触表面材料先产生变形，表面或表面附近的固体材料性能将发生变 化，但几乎不引起材料的损失；随后，材料从表面剥离，转移到配副表面或者 以磨屑形式挣脱表面。对于材料从一个表面转移到另一个表面的情况，虽然有 个表面被磨损使其体积或质量损失，但就界面总体而言，并没有体积或质量 的净损失。在材料发生实际损耗之前，一般先产生损伤。磨损一般都被认为是 材料发生损耗，但固体材料的变形虽然不引起质量或体积的变化，也能引起磨 损。 同摩擦一样，磨损也不是材料的固有特性，而是摩擦副的一种系统响应， 运行工况影响界面的磨损。有时，人们错误的认为高摩擦因数的界面就有高的 磨损率，这是不完全正确的。例如，固体润滑材料和聚合物界面虽然有较低的 摩擦，但却出现了较大的磨损，而陶瓷界面只有中度摩擦，却能产生极低的 磨损。 磨损有益也有害。铅笔写字、车削、抛光和刨削等都是主动利用磨损的实 8 例，它们都需要对磨损过程进行主动控制。而几乎所有机械的使用过程中都不 希望发生磨损，对于轴承、密封、齿轮和凸轮等零件，出现非常少的磨损或表 面过度粗糙就需要更换维修。对于一个设计良好的摩擦系统，材料磨损是一个 非常缓慢的过程，这个过程是稳定和连续的。在机械运行中，如果磨粒尺寸大 于零件的配合间隙，那么磨屑积累及循环将是一个比磨损量更严重的问题。 1 2 2 磨损的机理及其分类 磨损源于表面的力学作用或化学作用，摩擦温升将加剧磨损。磨损有六种 主要形式：粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、冲击磨损、化学磨损( 腐蚀磨损) 、 电弧感应磨损，它们的共同特征是摩擦表面剥离固体材料。其他常见的磨损形 式还有微动磨损或微动腐蚀，但它们不是独立的磨损机理，而是粘着磨损、腐 蚀磨损和磨粒磨损的复合形式。据估计，工程中有三分之二的磨损是粘着磨损 和磨粒磨损。除了疲劳磨损之外，所有磨损机理的材料剥离都是渐进发生的。 一个摩擦副可有一种或多种磨损机理。在大多数情况中，开始的磨损是一 种机理引起的，逐渐发展成另一种磨损机理其主导作用，这使磨损失效分析变 得更加复杂，一般的分析都是面对零件最终失效的磨损机理，而不是磨损过程 中某个阶段的磨损机理。 机件正常运行的磨损过程一般分为三个阶段，如图1 1 所示。 ( 1 ) 跑合阶段如图中的o a 段，在此阶段内，无论摩擦副双方硬度如何，摩擦 表面逐渐被磨平，实际接触面积增大，故磨损速率减小。跑合阶段磨损速率减 小还和表面硬化及表面形成牢固的氧化膜有关。电子衍射证实，铸铁活塞环和 汽缸的跑合表面氧化层存在。 ( 2 ) 稳定磨损阶段如图中的ab 段，这是磨损速率稳定的阶段，线段的斜率就 是磨损速率。大多数机器零件均在此阶段内服役，实验室磨损试验也需要进行 到这一阶段。通常即根据这一阶段的时间、磨损速率或磨损量来评定不同材料 或不同工艺的耐磨性能。在跑合阶段跑合得越好，稳定磨损阶段的磨损速率就 越低。 ( 3 ) 剧烈磨损阶段如图中的bc 段，是随着机器工作时间增加，摩擦副接触表 面之间的间隙增大，机件表面质量下降，润滑膜被破坏，引起剧烈运动，磨损 重新夹具，此时机件很快失效。 9 图1 1磨损量与磨损时间的关系图 1 。粘着磨损机理 两个固体平面发生滑动接触时，无论是干摩擦还是滑动摩擦都会产生粘着 磨损。粘着起源于界面的微凸体接触，滑动使这些接触点产生剪切作用，导致 碎片从接触点一侧被剥离，粘着到另一侧的微凸体上。当滑动继续时，转移的 碎片从其粘着的表面上脱落，又转移到原来的表面上，否则就成为游离的磨粒。 经过反复的加载和卸载的疲劳作用，有些转移碎片将发生断裂，它们也能成为 游离的磨粒。 目前，有许多种理论来解释碎片的剥离过程。早期的一种滑动摩擦理论认 为剪切在初始界面或者某个表面的最薄弱区域上出现【z 引，如图1 2 ，该理论当 前被承认。在多数情况下，接触界面的粘着强度低于其附近材料的撕裂强度， 此时大多数接触点只发生界面剪切而不产生磨损，如图中的路径1 大多数接触 点可能出现断裂，如图中的路径2 ，小碎片( 图中阴影部分) 转移到另一个表 面上。这种转移碎片呈不规则块状形状。 l o 一早 转移 形成嚣属 图1 - 2 粘着磨损过程示意图 另一种理论认为产生磨损碎片的原因是微凸体接触对表层的连续塑性剪切 作用。根据这个理论，表层上的连续塑性剪切将沿着滑移线产生裂纹并扩展， 经过一定循环之后，沿着裂纹的扩展轨迹就分离出碎片 2 3 1 ，这个过程产生的 转移碎片呈薄楔形状。由于粘着效应，从一个表面剥离的碎片转移到配副表面 上。在后续滑动过程中，上述任何一种机理都能产生更多的碎片，它们可能粘 着在生成的表面上或者转移到配副表面上，也可能转移到其它已粘着的碎片上， 形成一个看似大磨粒的碎片团簇，这种磨粒在任何方向都有大致相等的尺寸。 且然碎片的粘着行为预示着碎片与转移表面之间有较强的结合力，但最终 成为松散磨粒却表明这种结合力仍比较薄弱。形成松散磨粒玩玩起因于碎片的 化学变化，碎片的表面积较大，因而很容易被氧化，这就降低了碎片的粘着强 度，使其易于挣脱表面。产生松散磨粒的第二种机理涉及到粘着碎片的残余弹 性能。夹在两个表面的碎片承受很大的应力，当滑动表面错开时，碎片保留着 残余弹性应力，如果弹性能量大于粘着能量，碎片就会挣脱表面从而成为松散 的磨粒。 在不同的材料配副中，两种材料的磨粒都可能出现，但软材料产生更多的 磨粒，而且磨粒尺寸一