（材料学专业论文）cu14alx喷熔层摩擦性能研究.pdf

硕士学位论文 摘要 本课题组已研制成功的减摩c u 1 4 a 1 x 合金具有高强度、优良塑性、耐磨耐蚀 性等优点，已成功应用于拉伸冲压模具当中。本文讨论了用等离子喷焊和激光熔 覆两种方法将c u 1 4 a 1 x 合金粉末加工到基体表面，在u m t 摩擦实验机上进行摩擦 磨损试验并对两种试样进行性能对比，以求进一步改善c u 1 4 a 1 x 涂层的耐磨性 能。 运用扫描电镜、x 射线衍射、电子探针等研究方法对等离子涂层和激光涂 层的显微组织进行了研究，结果表明：1 、等离子涂层和激光涂层加工技术不同 造成成分也有很大不同，等离子涂层当中f e 含量在19 ，而激光涂层中的f e 含量则不到5 。2 、等离子涂层和激光涂层的结构不同。等离子涂层中的硬质 k 相尺寸相对较大且分布不均匀。3 、等离子涂层与激光涂层在微结构上存在较 大差别。激光涂层由于快冷快热特点晶粒得到明显细化，在s e m 图当中看不到 明显的晶界且x r d 峰值宽化，但等离子涂层是典型的晶体结构。 在u m t 一2 m t 试验机上测试了等离子涂层和激光涂层的摩擦磨损性能，结 果表明在边界润滑条件下：l 、等离子涂层与激光涂层的摩擦磨损机理不同，主 要区别在于等离子涂层以磨粒磨损为主要磨损机理，而激光涂层以粘着磨损及 疲劳磨损为主要磨损机理。2 、等离子涂层耐磨性受到载荷影响较大，随着载荷 的增大破坏加剧，而激光涂层的耐磨性稳定。3 、c u 1 4 a 1 x 涂层在高摩擦频率 摩擦时的耐磨性比在以低摩擦频率摩擦时的耐磨性好。 在干摩擦条件下实验结果表明：1 、摩擦条件相同时，激光涂层的耐磨性能 要比等离子涂层的耐磨性能好。2 、激光涂层的耐磨性能较稳定，而等离子涂层 的耐磨稳定性较差。3 、与边界润滑条件下摩擦时的情况时相反，干摩擦时低摩 擦频率摩擦时的耐磨性比在高摩擦频率摩擦时的耐磨性较好。 关键词：c u 一1 4 a 卜x ；等离子涂层；激光涂层；耐磨性能 a bs t r a c t w eh a v es u c c e s s 如ld e v e l o p e dc u - 14 a l xm a t e r i a l ，i th a sg o o dp e r f o m a n c e t o r e x a m p l eh i g hs t r e n 或h 、 e x c e l l e n tp l a s t ya n dw e a rr e s i s t a n c ea n dw e a r c o n d s l v e ln e p a p e rs t u d i e do fc o n t r a s t i v ef r i c t i o np r o p e r t yo f t h el a s e rc l a d d i n gc o a t l n g sa n dt h e p l a s m as p r a yw e l d i n gc o a t i n g so fc u - 1 4 a l xw i t hu m t - 2 m tf r i c t i o nm a c h l n et o i m p r o v et h el a s e rc l a d d i n gc o a t i n g s a n dt h ep l a s m as p r a yw e l d l n gc o a t m g s o t c u 一14 a 1 xo fp e r f o r m a n c e 。 w es t u d i e dt h es t r u c t u r eo ft h el a s e rc l a d d i n gc o a t i n g sa n dt h ep l a s m as p r a y w e l d i n gc o a t i n g so fc u 14 a 1 xw i t he p m a 、j s m a n ds e m t h er e s u l t ss h o wt h a t t h el a s e rc l a d d i n gc o a t i n g s sc o m p o n e n to f f ee l e m e n ti s l9 ，b u tt h ep l a s m as p r a y w e l d i n gc o a t i n g so fc u 1 4 a 1 x sc o m p o n e n to f f ee l 啪e n ti so n l y5 s e c o n d l y t h el a s e rc l a d d i n gc o a t i n g so fc u 一1 4 a l x ss t m c t u r em a d eu po fg r e a t n e s sk 士a c e s m o r e o v e fi td i s t r i b u t i n gu n e q u a l b u tt h ep l a s m as p r a yw e l d i n gc o a t l n g s o t c u 14 a 1 x ， s t 九l c t u r ed i s t r i b u t i n ge q u a l i t y t h i r d l y ，t h ep l a s m a s p r a yw e l d l n g c o a t i n g so fc u 1 4 a 1 x m i c r o c o s m i c s t m c t u r ec r y s t a l ss i z e1 e s st h 锄i h e l a s e r c l a d d i n gc o a t i n g so fc u 1 4 a 1 x sc r y s t a l ss i z e i ti sb e c a u s e t h a tp l a s m as p r a yn a s c h a r a c t e r i s t i co fs p e e d i n e s sc o o l i n g w ee d u c et h r e ec o n c l u s i o n sb yd o i n g f r i c t i o ne x p e r i i n e n tw i t hu m t - 2 m t 衔c t i o n m a c h i n eu n d e rb o u n d a r yl u b r i c a t i o n f i r s t l y ，t h e l a s e rc l a d d i n gc o a t i n g sa n dt h e p l a s m as p r a yw e l d i n gc o a t i n g so f c u l4 a l x s 衔c t i o nm e c h a n i s mi sv e r yd l t - t e r e n t t h el a s e rc l a d d i n gc o a t i n g s sa b r a s i o nm e c h a n i s m i sm o s t l yg r a i na b r a s l o n b u tt n e p l a s m as p r a yw e l d i n gc o a t i n g s sa b r a s i o nf o m a t i sn o t 铲a i na b r a s i o n s e c o n d l y ，t h e p l a s m as p r a yw e l d i n gc o a t i n g s sw e a r r e s i s t a n c ei ss t a b i l i z a t i o n t h i r d l y ，a h i g l l f r e q u e n c yc u 1 4 a 1 x s1 a s e rc l a d d i n gc o a t i n g s 锄dp l a s m as p r a yw e l d m g c o a t l n g s s f r i c t i o np r o p e r t yg e tb e t t e r w ee d u c et h r e ec o n c l u s i o n sb yd o i n g f r i c t i o ne x p e r i m e n tw i t hu m t - 2 m t 衔c t i o nm a c h i n e 眦d c rd r yf r i c t i o n f i r s t l y ，t h el a s e rc l a d d i n gc o a t l n g s sw e a r r e s i s t a n c ei sb e t t e ft h a nt h ep l a s m as p r a yw e l d i n gc o a t i n g s sw e a r r e s i s t a n c e s e c o n d l y t h ep l a s m as p r a yw e l d i n gc o a t i n g s sw e a rr e s i s t a n c ei ss t a b i l i z a t i o n t h i r d l y ， u n l i k e n e s sw i t hb o u n d a r yl u b r i c a t i o n ，u n d e rd r y 雠c t i o na t1 0 w 行e q u e n c y c u 。14 a 1 x s c o a t i n g s sw e a rr e s i s t 锄c ei sb e t t e rt h a na th i g hf r e q u c n c y k e vw o r d ：c u 14 a 1 x ；t h el a s e rc l a d d i n gc o a t i n g s ；t h ep l a s m as p r a yw e l d l n g c o a t i n g s ；f r i c t i o np r o p e r t y i i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明。 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：金硝袈 日期：撕年月炳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 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和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：令毋蘩 导师签名：汤包伽 日期：淞年眵月杉日 醐：础钌月矿日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 铜合金粉末材料的发展现状 1 1 1 国外铜合金粉末发展概述 现代社会随着工业化的蓬勃发展，特别是上个世纪9 0 年代世界的粉末冶金工 业得到了迅猛发展，粉末冶金技术已广泛应用于交通、机械、电子、航空等领域， 尤其在汽车工业制造领域，它将直接影响世界粉末的发展趋势。另外近几年在非 汽车应用领域的粉末冶金市场也在增长，主要有除草设备、农机设备、娱乐设备 在盘 专宁。 目前世界范围内还是以铁基粉末占主导地位占整个金属粉末产量9 0 左右， 但同时其他的金属粉末也呈现出了良好的发展趋势，进入2 1 世纪，世界粉末产量 虽有所起伏，但总体趋势是增长的，现在世界粉末年总产量已超过1 0 0 万t 。 金属粉末在汽车行业上的应用将在今后能带动整个粉末行业的发展。2 0 0 4 年 北美地区生产制造的每辆典型家用轿车中使用的粉末冶金零件达到1 8 8 k g ，比2 0 0 3 年增加3 8 ，且呈现出不断增长趋势。例如通用汽车公司生产的汽车平均每辆使 用2 0 5k g 粉末冶金零件，福特公司生产的汽车中平均使用2 1k g 粉末冶金零件， 戴姆勒一克莱斯勒公司生产的汽车中平均使用1 8 6k g 粉末冶金零件，t o y o t a 公 司生产的汽车中平均使用1 4 5k g 粉末冶金零件，h o n d a 公司生产的汽车中平均使 用1 6 8k g 粉末冶金零件制品，n i s s a n 公司生产的汽车中平均使用1 4 1k g 粉末冶 金零件【1 2 1 。 但是近几年北美粉末冶金产业有些疲软，这主要是受到了北美汽车市场的影 响，使用较多粉末冶金零件制品的s u v ( 运动车) 销量下降，北美三大汽车公司继 续向海外汽车制造企业丢失北美汽车市场的份额，而海外汽车制造企业生产的汽 车中使用较少量的粉末冶金零件制品。 与欧美相比，亚洲粉末冶金工业的整体水平比较落后，但亚洲粉末冶金工业 历史较长，具有一定的生产基础，发展速度快。日本的粉末冶金工业发展在亚洲 一直处于领先地位。日本粉末产业年销售额已超过1 2 亿美元。 随着粉末冶金工业的快速发展，铜粉及铜合金粉末的发展也是非常迅速地。 2 0 0 4 年北美地区铜和铜基金属粉末的货运量比上年增加了1 1 3 ，达到2 28 8 0 t ( 2 52 0 4 短吨) ，铜粉末冶金制品的货运量比上年增加了7 5 ，达到l86 0 0t ( 2 04 8 9 短吨) 。2 0 0 4 年欧洲铜和铜基粉末的货运量比上年增长了5 ，达到1 37 9 1t ( 1 5 1 9 2 短吨) 。日本2 0 0 4 年铜粉的货运量比上年增长了6 8 ，达到76 1 8t ( 82 9 3 短 吨_ ) ，全球铜粉市场估计已经超过了5 44 6 8t ( 6 00 0 0 短吨) 1 2 1 。据估计到2 0 0 7 年 c u 一1 4 a 卜x 喷熔层摩擦性能研究 全球的铜粉及铜合金粉的产量超过6 万t ，其中约5 5 的铜粉用来制成青铜轴承， 铜粉每年消耗量的2 5 用作c u s n 粉，在自润滑轴承领域，黄铜及青铜合金的使用 将约占世界产品的5 0 6 0 。1 3 和铁混合用作粉末冶金的工业零件，1 2 用 作浸渗粉，1 0 加入黄铜，l o 用作其它。 铜不仅具有很好的耐磨耐腐蚀性能，而且还有高导电性能，所以铜粉在高导 电导热性粉末冶金产品方面有广阔的前景。潜在的应用包括插座、断路器和电动 机零件、集流环、整流器、散热片和交换器。铜粉在电子器件消耗量在世界范围 内会达到15 2 0 。又因其特殊的颜色和卓越的大气腐蚀抗力，铜广泛地应用 于装饰业、日用器具及户外建筑等方面。 表1 1 亚洲粉末冶金零件应用领域分布 1 1 2 国内铜合金粉末发展概况 现在我国是亚洲粉末冶金工业发展较快的国家。我国粉末冶金零件制造行业 的年增长率约为l9 ，总产量已位居亚洲第2 ，仅次于日本。近年来，我国汽车行 业的快速发展对粉末冶金行业起了很大的推动作用。我国现在约有7 0 0 家粉末冶 金零件生产单位，每年粉末冶金零件制品的总销售额超过了1 亿美元，在中国政府 2 硕士学位论文 的鼓励下每年约有5 0 个企业进入粉末冶金零件行业。而且国内外大的粉末公司纷 纷在中国设厂，如瑞典的赫格纳斯、加拿大的北克公司、瑞典的s a n d i v i k 公司都在 中国建立了子公司，德国的g k ns i n t e 眦e t a l s 也在上海建设分公司。就通用汽车公 司已经在我国建立了5 个工厂，雇用了超过1 0 0 0 0 名员工。 日0 - 删 钆 2 0 1 0 7 5 7 2 8 9 p 删 傲e 零 6 3 e 0 2 0 0 2 2 0 0 32 0 0 4 ，2 0 2 0 0 6 年份 图1 1 近几年我国铜合金粉末生产状况 2 0 0 22 0 0 32 0 0 4 2 0 2 0 0 6 年份 图1 2 近几年我国电解铜生产状况 我国第一条铜粉生产线建于上世纪7 0 年代，随着国民经济的快速增长，8 0 年 我国铜粉的需求量开始迅速增加，一批专门生产铜粉生产企业也相继建立起来。 我国铜基金属粉末产量稳中有升。仅北京有研粉末、重庆华浩、上海九凌、 衡水恒冠有色金属粉末厂4 家电解铜粉的总产量达l 万t 。全国铜基金属粉末的产 量已超过日本。随着粉末冶金含油轴承生产中心向我国转移，铜粉及铜合金粉的需 3 c u 一1 4 a 卜x 喷熔层摩擦性能研究 求也在增加。 1 1 2 1 我国铜基金属粉末产品结构分析 l 、铜基金属粉末世界传统生产方法：电解法、雾化法在我国亦日趋成熟，氧 化还原工艺、铜包铁工艺也走出中试阶段，已有批量上市。 2 、粉末冶金制品向着高密度、高强度、形状复杂方向发展。 3 、铜基金属粉末的生产主要考虑产品性能。如：粉末粒度、颗粒形状、松装 密度、流动性等，但同时还要考虑生产的环保、成本等因素。根据国情的不同， 北美每年2 2 万t 铜基粉末中，8 8 是采用水雾化+ 氧化还原工艺制造的。2 0 0 6 年我 国主要铜基金属粉末生产厂生产的铜基粉末品种结构基本是：电解铜粉占铜基粉 末总产量的6 0 ，雾化铜合金粉占3 0 ，其余为氧化还原铜粉、化学还原铜粉等。 随着环保工作力度加大，电解法制取铜基金属粉末的压力增大，不宜再盲目扩大 电解铜粉的生产能力。发展水雾化+ 氧化还原等新工艺制取铜粉是铜基金属粉末行 业的发展方向，目前北京有研、重庆华浩、上海九凌等厂都在研制，已有新产品 上市。 4 、粉末产业结构的扩展 中国生产的粉末冶金产品现在还没有达到美国的质量标准，但不久将会达到， 近期来自中国最具竞争力的粉末冶金制品是电动工具和空调制造用零件，这些产 品原来主要产自南美，草坪和花园设备用零件可能是下一个美国移往海外生产的 粉末冶金产品。 5 、我国铜基金属粉末与国外名牌铁粉、铜粉的差距除产量外，主要表现在产 品的品种、质量上。 ( 1 ) 在新产品的开发能力方面。如美国青铜粉末公司开发了无铅可切削黄铜粉 末，已形成c u 1 0 z n 、c u 2 0 z n 、c u 3 0 z n 三个牌号；而且国外大公司除完全合金 化的粉末外，还普遍开发部分合金化粉末和预混合粉末，为不同的产品和用户提 供特定的粉末，以提高产品性能，降低生产成本。 ( 2 ) 特种铜基粉末的研制能力不足。这类粉末对合金的成分、纯度、粒度、粒 形均有着较高的要求，如热喷涂、钎焊、化工等领域应用的铜基粉末【4 】。目前这 些高性能粉末主要是由高等学校和研究院进行研制和小批量生产试制，还未形成 成熟的牌号和批量生产能力。而且部分特殊性能的粉末还需依靠进口。就仅仅以 电解铜粉为例与国外产品相比，差距在于：( 1 ) 产品的规格少。我国大企业生产的 电解铜粉主要有4 个牌号，松装密度在1 5 2 5 9 锄3 【5 】而国外产品牌号多、品种 齐。如德国的n a 公司【3 】电解铜粉分为低松比和高松比两个系列，每个系列有5 6 个牌号，松装密度在o 9 5 3 2 c m 3 ，平均粒度从4 0 p m 以下至1 0 0 h m 等，同时 高松比铜粉还具有良好的流动性；( 2 ) 粉末的抗氧化性不足，国外电解铜粉可以保 存一年甚至数年都不氧化变色，而国内铜粉保存期一般不超过半年【6 】。 4 硕士学位论文 1 1 3 铜合金粉末分类 1 1 3 1 弥散强化铜合金粉末 弥散强化为在基体金属中加入热稳定性极高的、呈弥散分布的第二相微粒， 以阻碍位错运动，达到强化基体的目的。同时，弥散相的加入量只占基体极小的 体积分数，因而不致影响基体金属固有的物理化学性质。 目前研究较多的弥散强化铜基复合材料主要有以下几种。 1 氧化物弥散强化铜基体 这类氧化物主要有a 1 2 0 3 、z r 0 2 、y 2 0 3 等，但其中c u a 1 2 03 复合材料是目 前为止认为研究的最充分地材料，该合金不仅强度高，导电性及导热性与纯c u 相 近，且具还有良好的抗电弧侵蚀和抗磨损能力，是具有广泛应用前景的新型材料。 随着电子工业的快速发展，对高强度、高导电复合材料的需求越来越迫切，尤其 是美国s c m 公司开发了g 1 i d c o p 系列c u a 1 2 0 3 复合材料以后，这类材料导电率可达 8 0 9 2 i a c s ，强度达到5 0 0 6 2 0 m p a ，软化温度接近6 0 0 ，在美国、日本等 发达国家开发研究异常活跃，并已进入实用化阶段【7 _ l o 】。 2 c u t i 3 s i c 2 复合材料 t i 3 s i c 2 材料是结构、导电和自润滑多功能合一的新型材料体系。其固有的类 似金属材料的导电、导热和易加工等特性和类似陶瓷材料的轻质、抗氧化、耐高 温等特性，是通过晶体的结构设计或者说晶内复合得到的，不存在宏观复合的热 失配、弹性失配和电阻失配问题，所以具有好的化学稳定性和物理行为协调性。 t i 3 s i c 2 的常温电导率是9 6 l o 。6s m ，这比石墨大了近2 个数量级。在2 5 1 0 0 0 的温度范围内，t i 3 s i c 2 的热膨胀系数是( 1 0 1 1 ) 1 0 山。已报道的 t i 3 s i c 2 的抗压强度、杨氏模量以及硬度分别是9 0 0 m p a ，3 2 6 g p a ，4 g p a 。更为重 要的是，t i 3 s i c 2 在1 3 0 0 时具有很好的抗氧化能力，远高于石墨，另外，其摩擦 系数也很低，一般认为t i 3 s i c 2 材料的摩擦系数在( 2 5 ) 1 0 一，多晶t i 3 s i c 2 材 料的摩擦系数更低，可达o 1 2 1 0 一，另外随着正压力的增大，t i 3 s i c 2 材料的摩擦 系数有降低的趋势。因此，t i 3 s i c 2 对于c u 来说是一种很好的弥散强化相，可以 在对其导电性影响不大的情况下提高其硬度和其它力学性能。c t i 3 s i c 2 复合材 料作为一种新的结构功能材料而引起广泛的关注。 3 c u w c 复合材料 c u w c 复合材料是另一性能较好的弥散强化合金，将w c 颗粒加入到塑性良 好和电导率高的铜基体中，这些颗粒既不固溶于铜也不与铜合金化而得到c u w c 复合材料。该复合材料具有高强度、高硬度、高导电性和优异的热稳定性，在电 阻焊电极i c 引线框架等方面有着广阔的应用前景。 w c 的含量多少对金属组织与性能的影响比较明显，据有关研究报道w c 的体 积分数应在l 4 范围内最佳。 1 1 3 2 铜基粉末摩擦材料 5 c u 一1 4 a 卜x 喷熔层摩擦性能研究 铜基粉末摩擦材料在飞机、汽车、 展较快，使用较成熟是在7 0 年代以后。 材料的高温强度和耐磨性。 船舶、工程机械等刹车装置上的应用发 主要研究是致力于基体强化，从而提高 粉末摩擦材料主要由三大部分组成：基体组元、摩擦组元和润滑组元。 铜基摩擦材料主要是以c u s n 合金、c u p b 合金、c u a l 合金和c u f e 合金 为基体的摩擦材料为主，常用的辅助强化元素有a l 、z n 、n i 、t i 、s i 、v 等。 国外研究了s n 含量对铜基材料性能的影响，认为s n 的理想加入量在7 1 2 。 研究的铝青铜基体中铝含量l o 1 l 的材料强度、高温强度、腐蚀性能和使用 性能都优于锡青铜。 摩擦组元是由多种固态陶瓷粉末颗粒( s i 0 2 ) 或高熔点金属及其化合物组成， 它们均匀的分布于基体中，起着摩擦、抗磨、耐热、腐蚀等作用，既可提高摩 擦系数，弥补润滑组元造成的材料摩擦系数的降低，又可降低低熔点金属的粘 附，消除对偶件之间的转移。 润滑组元材料多为低熔点金属( p b 、s n 、b i 等) 、固体润滑剂( 石磨、云母 等) 。随着石墨含量的增加，涂层硬度呈下降趋势。摩擦因数随石墨含量的增加 而略有下降，从而说明，降低部分复合材料的硬度可获得一定程度的自润滑性能 ( 1 ) 石墨的加入降低了青铜涂层的硬度，但适量的石墨会改善涂层的抗磨损性，6 的石墨加入量最优。 最近日本开发的铜基粉末冶金闸片主要成分为：c u 4 0 6 0 ，f e + n i 2 2 0 ，陶瓷8 1 5 ，石墨1 6 1 5 ，锡2 7 。该合金大大提高了耐热温度， 可用于3 5 0 k m l l 的列车上，其摩擦系数相当稳定。 1 1 3 3 电接触材料 铜基电接触材料由于导电性好，价格低廉，得到广泛应用，逐步代替以银基为 主的电触头材料。这类合金主要有c u w 系、c u c r 系等，采用粉末冶金方法制造。 其中最有希望的合金是c u c r 系合金，铜、铬两相在室温时几乎不溶，可以保持 两相的特性，因此有良好的导电性和开断能力，是真空断路器的首选触头材料【l 。 目前研究进展是细化两相的组织，提高铬相在铜基体中的分布均匀性，以期进一步 提高其性能。 铜基复合材料c u w 、c u m o 材料具有优良的高密度、高结构均匀性、高导热 和导电性能，应用于大规模集成电路和功率微波器中作为基片及散热元件等【l 2 1 。 1 1 3 4 超细粉 从1 9 8 4 年德国科学家g l e i t e r 等人首次用惰性气体凝聚法成功地制得铁纳 米粒子以来，超细粉末的研究已成为材料科学领域的新热点【l3 1 。随着粉末冶金 工业的发展，超细粉和纳米粉的研究和制备已经成为重要的发展方向。超细粉 属于微观和宏观之间的过渡区域，具有的小尺寸效应、体积效应和量子隧道效 应，在国防、电子、化工、冶金、航空航天、医学和生物学等领域具有重要的 6 硕十学位论文 应用价值。 纳米铜粉在冶金和石油化工中是优良的催化剂。随着电子工业的发展，由 纳米铜粉制备的超细厚膜浆料将在大规模集成电路中有重要的应用。将纳米铜 粉用作润滑剂中的添加剂，可阻止磨损和避免润滑表面的划伤，用于汽车引擎 上，能提高运行速度，延缓发动机的使用寿命。 纳米碳管具有强度高、弹性模量大、比表面积大和耐磨性优良等特性。用 纳米碳管制备的铜基复合材料具有高强度、低线( 膨) 胀系数、良好的导电导热 性能和耐磨性能，可制备具有优异综合性能的c u p 石墨复合材料【l4 1 。 另外，纳米超微粉作为原料必须有经济的制造方法和稳定的质量，但是纳米 超微粉烧结温度特别低( 2 0 n m 的银粉烧结温度为6 0 8 0 ，2 0n m 的镍粉2 0 0 开始 熔融) ，一旦实现利用纳米超微粉工业性生产粉末冶金制品，将对粉末冶金技术带 来突破性的变革。 同时铜及其合金粉末在粉末注射成形( m i m ) 、电子、陶瓷、薄膜等高科技领 域的应用，铜粉末粒度向着微细化方向发展。m i m 需要平均粒度小2 0 “m 的球形铜 粉；电子工业需要平均粒度小于1 5 p m 或更小的球形铜合金粉；在某些领域中的应 用需要粒度小于1 0 “m 的球形粉【”】。 1 1 3 5 双金属粉末 用镍包覆树枝状的电解铜粉，这种复合粉不仅可以有效利用原始铜粉特有的枝 状结构，还可以发挥包覆层中镍的优良的界面特性，增强粉末颗粒之间的润湿性， 提高材料致密化、成分均匀化程度，大大改善了合金材料的力学性能。这种复合 粉末将会开拓良好的市场应用前景。 镍包铜粉其核心是金属铜粉颗粒，外面包裹一层镍，这种复合粉末可以替 代纯的镍粉，在粉末冶金中充当粘结剂，其物理与工艺性能和单金属铜粉或铜 镍预混合粉末制成的材料完全不同，可以显著改善混合粉末的流动性、均质性 及抗氧化性、耐腐蚀性和耐磨性，利用镍包铜复合粉末制成的合金要比铜粉镍 粉机械混合制成的合金密度高，烧成合金的速度快，而且加工时两种金属成分 不离析。开发用于粉末冶金、金刚石工具等领域的金属镍、铜包覆粉不仅可以 部分取代纯金属粉，降低成本，提高生产效率，还可带来可观的经济效益。此 外为提高铜粉的抗氧化性、抗磁性可在铜粉外包覆一层抗氧抗磁性分构成双金 属粉以提高合金性能。 铜粉的表面是不均匀的，存在许多晶体缺陷，在缺陷部位的铜原子化学活性 很高，对空气中的氧分子发生化学吸附的活化能低，铜粉表面在空气中发生氧化 的正是这些高活性的铜原子。随着铜粉粒径的减小，表面铜原子暴露程度大大增 高且表面不均匀性变得更为严重，使得高活性的原子数目增多，因此微米级铜粉常 温下极易被氧化【1 6 1 8 】。铜粉的表面包覆一层银，银具有良好的导电性，因此使用 铜一银双金属粉末比使用单一铜粉末的导电性有所提高。相对于银粉，以铜一银 双金属粉末代替单一银粉，可以降低生产成本。铜一银双金属粉末有着广泛的应 7 c u 一1 4 a 卜x 喷熔层摩擦性能研究 用前景【”】。 为了克服这一缺点，提高纳米铜粉的抗氧化能力，我们在钠米铜粉表面包覆 一层导电性和抗氧化性均佳的银，解决了纳米颗粒在聚合物基体当中的团聚问题。 由于银有良好的导电性，因而使用铜一银双金属粉末比使用单一铜粉末的导电性 有所提高，相对于银粉，以双金属粉末代替单一贵金属粉末，可以降低生产成本， 这种粉末在导电和屏蔽涂料中有着广阔的应用前景。 在电子工业高速发展的今天，随着计算机，电子医疗器械和各种通信设备的 普及，电磁波的干扰问题正越来越严重。为了保证电子设备正常操作的环境，必 须对这些设备和装置实施屏蔽，防止电磁波干扰。就目前而言屏蔽电磁波用的导 电涂料的种类主要有镍系、铜系、银系3 种。从电气特性或价格来看，铜最适合在 电磁波屏蔽中使用，可是面对容易氧化的问题又不得不使用镍系涂料。因为时间 长了，铜粉尤其是纳米铜粉表面极易形成致密的氧化层，。使它从导电体变成绝缘 体，从而失去了屏蔽电磁波的能力。 1 1 3 6 自熔性合金粉末 c u 基自熔合金一般熔点一般在9 0 0 1 2 5 0 ，具有脱氧、除渣润湿性好的粉 末。多含有s n 、m n 、n i 的c u 基合金中加入b 、s i 元素形成的。除此之外，含有 一定量p 的c u 基合金也有很好的自熔性。p 具有降低合金熔点的优点并与基体有 良好的润湿作用。，合金粉末呈球形。 1 2 材料的表面工程技术 1 2 1 表面工程技术概述 表面工程是经表面及近表面区预处理后，通过表面涂覆、表面改性及多种 表面工程技术复合处理，改变固体金属和非金属表面的形态、化学成分、组织 结构和力学性能，使表面获得所需的性能的一种系统工程【2 0 2 。 表面工程技术的发展历史悠久，我国在战国时期就已经开始运用一些表面 改性技术。但是其发展一直很慢直到1 9 世纪欧洲工业革命兴起促使表面技术的 快速发展，尤其在近几十年发展势头更为迅速。 材料的疲劳断裂、磨损、腐蚀、氧化、烧损以及辐照损伤等，一般都是从 表面开始的，而由此带来的破坏和损失是十分惊人的，统计表明，工业发达国 家因腐蚀一项造成的经济损失约占国民经济总产值的2 4 。由于摩擦磨损， 美国每年材料损失高达2 0 0 亿美元。据资料报道，在各种机电产品的过早失效 破坏约有7 0 是由腐蚀和磨损造成的【2 2 23 1 。因此，发展金属表面工程技术，改 善材料表面性能，加强材料表面保护具有十分重要的意义，也是各国普遍关心 的重大课题。 同时，随着现代高、尖端科学和现代工业的发展，对材料的要求也越来越 硕士学位论文 高，人们对各种产品抵御环境作用能力和长期运行的可靠性、稳定性提出了越 来越高的要求。机械设备及部件能在高温、高压、高速度且高度自动化和恶劣 的工况条件下长期稳定的运行成为材料发展的迫切需求。因此，对机械元件的 表面性能要求越来越高。同时，在资源日益短缺和价格不断上涨的情况下，采 用高性能的高级材料制造整体设备及零件以获得高性能，显然是不经济的，甚 至是不可能的。所以，研究和发展材料的表面工程技术就具有重大的技术和经 济意义。而表面工程技术也在这种需求的推动下获得了快速的发展和提高。 1 2 2 表面工程技术分类 表面工程技术可以从不同的角度进行归纳、分类。综合来看，表面工程技 术可以分为以下五种类型： 、 1 表面改性：通过改变基质材料成分，达到改善性能的目的，不附加膜层； 包括化学热处理、离子注入等。 2 表面处理：不改变表面材质成分，只改变基质材料的组织结构及应力，达 到改善性能的目的，不附加膜层；包括表面淬火热处理、表面变形处理以及新 发展的纳米化加工技术等。 3 表面涂覆：在基质材料表面上制备涂覆层，涂覆层的材料成分、组织结构 可以和基质材料完全不同，以满足表面性能、涂覆层与基质材料的结合强度能 适应工况要求、经济性好、环保性好为准则；包括电镀、电刷镀、化学镀、物 理气相沉积、化学气相沉积、热喷涂、堆焊、激光束或电子束表面熔覆、热浸 镀、涂装等。 4 复合表面技术：综合运用多种表面工程技术，通过发挥各表面工程技术的 协同效应达到改善表面性能的目的。 5 纳米表面工程技术：以传统表面工程技术为基础，通过引入纳米材料、纳 米技术达到进一步提升表面性能的目的。 1 2 3 表面涂覆技术 涂覆层的厚度可以是几毫米，也可以是几微米，约束条件少、技术类型和 材料的选择空间大，因此表面涂覆技术应用最为广泛。 1 2 3 1 等离子喷焊 等离子喷焊包括喷涂和重熔两个过程，在喷涂过程中，粉末通过热源的加 热，一般以半熔化状态沉积到工件上。重熔是粉末或涂层在工件上的熔融过程。 重熔后涂层中孔隙率大大降低，并与金属基材产生焊合的冶金结合，从而大幅 度提高了致密度和结合强度，使喷熔层有更优的耐腐蚀、耐磨损和抗冲击性能， 因而应用十分广泛。 当某种气体如氮、氩、氢及氦等通过一压缩直流电驱动的电弧时产生电离 9 c u 一1 4 a 卜x 喷熔层摩擦性能研究 而形成电中性的等离子体( 是物质除气、液、固态外的第四态) 【2 4 2 5 1 。等离子弧 的能量集中温度很高，其焰流的温度在万度以上，可以将所有固态工程材料熔 化，以这种高温等离子体作热源将涂层材料( 陶瓷、合金、金属等) 加热到熔 融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面 层的工艺方法就是等离子喷涂【2 6 3 0 1 。 1 2 3 2 激光熔覆 激光表面处理是新兴的激光技术与历史悠久的金属热处理相结合的产物， 是对材料表面进行高能激光处理，使表面发生物理化学变化，从而改变材料的 性能，提高表面质量，延长使用寿命的方法。激光表面处理工艺包括相变硬化、 熔凝、涂敷、合金化等3 1 3 2 1 。激光熔覆是以激光束作为热源，在工件表面上涂 覆一层金属或合金粉末，形成与基体材料不同的涂层，涂层和基体为冶金结合 的一种表面技术。 激光熔覆具有许多优点，如通过对不同的粉末的混合进行成分设计，得到 完全致密的冶金结合涂层，可能在低熔点工件上熔覆一层高熔点的合金，能精 确控制稀释，可局部熔覆，由于快速加热和冷却过程，激光涂层组织均匀致密， 微观缺陷少，具有良好的熔合界面【3 3 3 4 1 ，虽然微观结构细致，热影响区很小以 及熔敷均匀而无缺陷，具有良好的冶金结合以及均匀的化学成分和微观结构， 但激光熔覆设备一次性投资较大，能源利用率较低，造成较大的能源浪费d 瓢珀、 3 7 】 o 熔覆形成涂层在很短的时间内使预先涂敷在基体表面上的涂层熔融并浸润 基体表面，开始在涂层与基体的内界面之间形成一条狭窄的互熔区，冷凝时， 涂层与互熔区一起重结晶，并与基体牢固结合在一起从熔融、浸润、扩散、 互熔以至重结晶的整个过程就是表面冶金的全过程 1 3 摩擦磨损概述 1 3 1 摩擦磨损概述 磨损是工业领域和日常生活中常见的现象，也是造成材料和能源损失的重 要原因。如在模具中，有六成以上的失效是由于磨损造成的。为了解决磨损过 程中的各种问题，首先得掌握磨损的基本知识。目前比较通用的磨损分类方法 是以j t b u 刑e n 和c d s t r a n g 提出的按照磨损机理和磨损条件的分类方法。即 将磨损分为：磨料磨损，粘着磨损，腐蚀磨损，疲劳磨损，冲蚀磨损及微动磨 损等。 磨损失效不仅造成大量的材料和部件浪费，而且可能直接导致灾难性后果， 如机毁人亡等【38 1 。英、美等国近年来对各自国家摩擦学状况的调查结果表明： l o 硕士学位论文 由于材料磨损失效所造成的损失估计每年都在上千亿美元；改善润滑、降低磨 损可能带来的经济效益约占各国国民生产总值的2 以上【3 9 1 。我国由于技术落 后、设备老化等多方面原因，实际情况还要严重得多。因此，开展材料磨损失 效机理、失效分析和失效防治技术的研究，不仅可以加深对材料磨损失效机理 的认识，丰富和完善材料摩擦学理论；而且可以推动摩擦学新技术新材料的诞 生，使设备的摩擦学设计得到根本改善，并由此带来显著的经济效益【4 0 1 。 1 3 2 材料磨损失效主要模式 摩擦学是研究相对运动接触表面摩擦行为的科学。是研究相对运动的相互 作用表面间的摩擦、润滑和磨损，以及三者相互关系的理论和实践，包括设计 和计算、润滑材料和润滑方法，摩擦材料和表面状态以及摩擦故障诊断、检测 和预报等。磨损是由于相对运动的固体表面之间以及固体表面与周围环境介质 的相互作用而引起的材料失效形式【4 0 4 。固体表面与不同偶件材料的相互作用 会导致不同的磨损失效类型。影响表面磨损的因素通常由( 1 ) 表面性能及粗糙 度；( 2 ) 表面材质及组成( 3 ) 接触面表面的润滑等。对于一般的接触表面磨损， 根据其特征分为5 大类：磨粒磨损( a b r a s i v ew e a r ) ，粘着磨损( a d h e s i o nw e a r ) ， 表面疲劳磨损( s u r f a c ef a t i g u ew e a r ) ，腐蚀磨损( c o l l r o s i v ew e a r ) ，微动磨损 ( f r e t t i n gw e a r ) 。 1 、磨粒磨损 磨粒磨损是指由外界硬颗粒或偶件表面的硬突起物在摩擦过程中引起的摩 擦表面材料脱落或塑性变形所导致的磨损失效，前者称为三体磨粒磨损，后者 称为二体磨粒磨损，其特征在于造成部件失效的磨损来自于磨粒对摩擦副材料 表面的犁削作用和塑性挤压变形。硬质磨粒在摩擦表面上产生明显的磨粒划伤 痕迹是判断磨粒磨损失效的必要条件。这种形式的磨损失效广泛存在于各类环 境条件比较恶劣的机械设备中【4 2 5 0 1 。 2 、粘着磨损 材料的粘着磨损失效是指在摩擦过程中，摩擦副材料表面之间由于发生了 粘着剪切效应，使摩擦表面材料发生脱落或向对偶表面转移而导致的失效，其 特征在于发生了摩擦副材料由一个表面向另一个表面或彼此之间的迁移，粘着 结点强度越高，剪切深度越深，磨损越严重，直至发生胶合磨损。粘着磨损失 效发生的可能性与摩擦副材料的材质有关。化学性质相似、互溶性好的弹塑性 材料( 如同种金属) 构成的摩擦副更易发生粘着磨损；一些流体动压润滑的重载机 械，由于在起动瞬间油膜尚未形成，极有可能发生粘着磨损失效。改善润滑， 尤其是采用具有自润滑性能的固体润滑材料，或重新匹配摩擦副材料是预防或 避免粘着磨损失效的主要途径【4 0 、4 2 4 3 1 。 3 、疲劳磨损 c u 一1 4 a 卜x 喷熔层摩擦性能研究 疲劳磨损失效是指摩擦副表面在循环变化的接触应力作用下，由于材料疲 劳剥落形成凹坑而导致的失效。一般来说，即使是在良好的润滑条件下，摩擦 副表面的疲劳磨损依然不可避免，但大多表现为非扩展性的表面疲劳磨损。部 件的疲劳磨损失效主要源于扩展性的表面疲劳磨损，其过程包括由于周期性变 化的法向负载和切向摩擦力的作用( 含滚动摩擦) ，在摩擦副次表面应力集中处萌 生微裂纹，裂纹扩展到表面，形成磨损。其特征是在摩擦表面上存在痘斑状的 凹坑，这种形式的磨损与载荷性质和运动形式有密切关系，摩擦副材料中的杂 质、空穴、位错和内应力等，由于破坏了基体的连续性，在循环应力的作用下， 形成应力集中源，容易产生疲劳裂纹并导致磨损【4 0 4 2 4 3 1 。 4 、腐蚀磨损 腐蚀磨损失效是指在摩擦过程中，摩擦副材料与周围介质发生了化学或电 化学相互作用，这种作用加剧了材料的磨损过程而导致的失效。其特征是化学 腐蚀和机械磨损同时存在并互相促进。摩擦副之间存在腐蚀介质是腐蚀磨损失 效的必要条件，形成的磨屑应是摩擦副材料与介质化学作用的产物。根据介质 性质的不同，腐蚀磨损又可分为氧化磨损、特殊介质腐蚀磨损和气蚀磨损( 严格 来讲，气蚀磨损应该是另一种性质的磨损) 等。腐蚀磨损失效( 不含气蚀磨损) 主 要发生在与腐蚀性介质相接触( 含偶然接触) 的摩擦副中。一些在油润滑条件下运 行的机械，若润滑油选择不当或润滑油变质等，就有可能发生腐蚀磨损并导致 失划4 0 4 2 4 3 1 。 5 、微动磨损 微动磨损失效是指相对固定的摩擦副材料( 在设计上大多为静接触) 表面之 间，由于环境因素所带来的振幅很小的相对振动而产生磨损所导致的失效。微 动磨损是一种典型的复合磨损，其机理较复杂，包括粘着、氧化、疲劳和磨粒 作用等。一般从发生磨损部位的结构特征来判定微动磨损机理。几乎所有的机 械都存在微动磨损，但微动磨损失效通常发生在各类紧固件、定位栓、榫头、 销连接、铆接、锥套等连接件部位以及某些结构的结合部位。已有因微动磨损 失效导致航空航天灾难性事故的研究报道。改善连接部位结构、对部件的结合 面进行必要的润滑处理是防止微动磨损失效的有效途径【4 0 4 2 4 3 1 。 1 4 选题的意义和研究内容 1 4