闕吳梅１,黃友庭１,２,陳文哲１,３

(１．福州大學材料科學與工程學院,福州 ３５０１１６;２．福建工程學院材料科學與工程學院,福州 ３５０１１８;

３．廈門理工學院,廈門 ３６１０２４)

摘 要:通過熔滲燒結法制備 CuW８０合金,然后在１２５０ ℃下滲碳４h制備梯度結構銅鎢基碳化物復合材料;利用材料試驗機對滲碳前后合金進行了不同溫度下的壓縮試驗,采用掃描電鏡對其組織及壓縮斷口進行了觀察,研究了溫度對復合材料壓縮性能的影響規(guī)律,并分析其失效機理.結果表明:復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;抗壓強度和壓縮率隨溫度升高而降低,復合材料的壓縮性能均優(yōu)于CuW８０合金的;隨溫度升高,復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.

關鍵詞:梯度結構;銅鎢基碳化物復合材料;滲碳;高溫壓縮

中圖分類號:TG１１３．２ 文獻標志碼:A 文章編號: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)過熔滲燒結法而制備出的一種假合金,因其同時具備鎢的高熔點、高密度、高硬度、高的高溫強度、低熱膨脹系數(shù)和銅的高導電性、高導熱性及良好塑性等特點,主要應用在真空開關電器、電加工電極、電子封裝及熱沉和高溫材料等領域[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)準確地、穩(wěn)定地進入和導出軋輥孔型的裝置稱為導衛(wèi).傳統(tǒng)的導衛(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小時,直接影響到生產(chǎn)效率.最近的研究表明,將銅鎢合金作為導衛(wèi)材料,具有摩擦因數(shù)低、不炸裂、耐磨損等優(yōu)點,可以 解 決 目 前 傳 統(tǒng) 導 衛(wèi) 材 料 存 在 的 許 多 問題[５].汪合朋[６]的研究表明,銅鎢合金導衛(wèi)的使用壽命遠高于傳統(tǒng)材料導衛(wèi)的,甚至可以比 YG１５硬質(zhì)合金導衛(wèi)的高三倍以上.基于導衛(wèi)的工作環(huán)境考慮,銅鎢合金導衛(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構銅鎢基碳化物復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構銅鎢基碳化物復合材料,然后進行了不同溫度下的壓縮試驗,利用掃描電子顯微鏡觀察組織及斷口形貌,并結合能譜儀對微區(qū)成分進行分析,研究了溫度對滲碳后形成的梯度結構銅鎢基碳化物復合材料壓縮性能的影響規(guī)律,并分析其失效機理.

１ 試樣制備與試驗方法

１．１ 試樣制備

采用熔 滲 燒 結 法 制 備 CuW８０ 合 金.將 粒 徑５．６~８μm、純度９９．９８％的鎢粉在氫氣環(huán)境下進行還原處理,溫度(８６０±１０)℃,保溫１h;同時將粒徑０．０７４μm、純度９９．８％的電解銅粉也在氫氣環(huán)境下進行還原處理,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)量分數(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 進 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構的銅鎢基碳化物復合材料.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,輕輕壓實后,裝入專門的燒結碳化爐中,在１２５０ ℃下滲碳４h,然后隨爐冷卻至低于１００ ℃后出爐.

１．２ 試驗方法

將 CuW８０合金與滲碳后形成的梯度結構銅鎢基碳化物復合材料試樣經(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)對試樣進行組織及斷口形貌觀察,并用其附帶的能譜儀進行微區(qū)成分分析.

采用 D/maxＧUltimaⅢ型 X 射線衍射儀(XRD)對 CuW８０合金與滲碳后形成的梯度結構銅鎢基碳化物復合材料進行物相分析,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型顯微維氏硬度計進行硬度測試,載荷為４．９N,保載時間為１０s,壓頭為正四棱錐金剛石.各選取三個試樣,每個試樣表面測 １０ 個點,取平均值作為其維氏硬度值.

在InstronＧ１１８５型萬能材料試驗機進行高溫壓縮試 驗,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,壓縮溫度分別設置為:室溫(２５ ℃),２００,４００,６００ ℃;加熱到各個溫度時均保溫５min后進行壓縮試驗.

２ 試驗結果與討論

２．１ 顯微組織

圖１中較亮區(qū)域為鎢,較暗區(qū)域為銅,可以看出,CuW８０合金與梯度結構銅鎢基碳化物復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,梯度結構銅鎢基碳化物復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