阙吴梅１,黄友庭１,２,陈文哲１,３

(１．福州大学材料科学与工程学院,福州 ３５０１１６;２．福建工程学院材料科学与工程学院,福州 ３５０１１８;

３．厦门理工学院,厦门 ３６１０２４)

摘 要:通过熔渗烧结法制备 CuW８０合金,然后在１２５０ ℃下渗碳４h制备梯度结构铜钨基碳化物复合材料;利用材料试验机对渗碳前后合金进行了不同温度下的压缩试验,采用扫描电镜对其组织及压缩断口进行了观察,研究了温度对复合材料压缩性能的影响规律,并分析其失效机理.结果表明:复合材料的表面形成了约７０μm 厚的渗碳层,表面硬度较 CuW８０合金的提高了约９５．１％;复合材料在室温压缩过程中存在明显的加工硬化现象,随温度升高,加工硬化作用逐渐减弱;抗压强度和压缩率随温度升高而降低,复合材料的压缩性能均优于CuW８０合金的;随温度升高,复合材料断口形貌由以韧窝为主逐渐变成以塑性孔洞为主,压缩断裂方式是韧脆混合断裂.

关键词:梯度结构;铜钨基碳化物复合材料;渗碳;高温压缩

中图分类号:TG１１３．２ 文献标志码:A 文章编号: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

铜钨合金是由铜和钨经过熔渗烧结法而制备出的一种假合金,因其同时具备钨的高熔点、高密度、高硬度、高的高温强度、低热膨胀系数和铜的高导电性、高导热性及良好塑性等特点,主要应用在真空开关电器、电加工电极、电子封装及热沉和高温材料等领域[１Ｇ４].

在型钢轧制过程中,安装在轧辊孔型前后帮助轧件按既定的方向和状态准确地、稳定地进入和导出轧辊孔型的装置称为导卫.传统的导卫材料主要有灰口铸铁、白口铸铁和球墨铸铁,但是这些材料都不耐磨损且容易断裂,使用寿命通常仅几个小时,直接影响到生产效率.最近的研究表明,将铜钨合金作为导卫材料,具有摩擦因数低、不炸裂、耐磨损等优点,可以 解 决 目 前 传 统 导 卫 材 料 存 在 的 许 多 问题[５].汪合朋[６]的研究表明,铜钨合金导卫的使用寿命远高于传统材料导卫的,甚至可以比 YG１５硬质合金导卫的高三倍以上.基于导卫的工作环境考虑,铜钨合金导卫表面在高温和压力的共同作用下,不可避免地存在黏钢现象,从而降低其使用寿命.黄友庭[７]提出,渗碳后形成的梯度结构铜钨基碳化物复合材料具有高的硬度和良好的高温摩擦磨损特性.因此,为减少铜钨合金导卫的黏钢现象和提高其表面性能,作者采用此方法制备了梯度结构铜钨基碳化物复合材料,然后进行了不同温度下的压缩试验,利用扫描电子显微镜观察组织及断口形貌,并结合能谱仪对微区成分进行分析,研究了温度对渗碳后形成的梯度结构铜钨基碳化物复合材料压缩性能的影响规律,并分析其失效机理.

１ 试样制备与试验方法

１．１ 试样制备

采用熔 渗 烧 结 法 制 备 CuW８０ 合 金.将 粒 径５．６~８μm、纯度９９．９８％的钨粉在氢气环境下进行还原处理,温度(８６０±１０)℃,保温１h;同时将粒径０．０７４μm、纯度９９．８％的电解铜粉也在氢气环境下进行还原处理,温度(３００±１０)℃,保温１h;把还原后的钨粉和铜粉按质量比８∶２均匀混合,然后加入１％(质量分数)钴粉作为活化剂,混合均匀后烘干;配料完成 后,用 ５０t四 柱 压 力 机 进 行 压 制 成 型,CuW８０合金压坯尺寸为２０ mm×１５ mm×８ mm

和?９mm×２２mm.采用高温渗碳方法制备具有梯度结构的铜钨基碳化物复合材料.将制得的 CuW８０合金压坯用汽

油洗净除去表面污物,酒精冲洗后晾干,装入石墨舟内,填满石墨粉,轻轻压实后,装入专门的烧结碳化炉中,在１２５０ ℃下渗碳４h,然后随炉冷却至低于１００ ℃后出炉.

１．２ 试验方法

将 CuW８０合金与渗碳后形成的梯度结构铜钨基碳化物复合材料试样经表面抛光处理后,用氯化铁盐酸溶液(FeCl３、HCl、去离子水的体积比为１∶２∶２０)腐蚀５~１０s,用清水洗净,再用酒精清洗并吹干.采用SＧ３４００N 型扫描电子显微镜(SEM)对试样进行组织及断口形貌观察,并用其附带的能谱仪进行微区成分分析.

采用 D/maxＧUltimaⅢ型 X 射线衍射仪(XRD)对 CuW８０合金与渗碳后形成的梯度结构铜钨基碳化物复合材料进行物相分析,工作电压为４０kV,电流为２０ mA,衍射靶材为 Cu靶,扫描角度范围为２０°~１００°,扫描速率为４ (°)??min－１,步长为０．０１°.通过Jade６．０软件定量分析物相组成变化.采用 HXＧ１０００型显微维氏硬度计进行硬度测试,载荷为４．９N,保载时间为１０s,压头为正四棱锥金刚石.各选取三个试样,每个试样表面测 １０ 个点,取平均值作为其维氏硬度值.

在InstronＧ１１８５型万能材料试验机进行高温压缩试 验,试 样 尺 寸 为 ?８．５ mm ×２０ mm,采 用InstronSF３７５D 型高温炉(最高温度 １０００ ℃)加热,压缩速度为 １ mm??min－１,压缩温度分别设置为:室温(２５ ℃),２００,４００,６００ ℃;加热到各个温度时均保温５min后进行压缩试验.

２ 试验结果与讨论

２．１ 显微组织

图１中较亮区域为钨,较暗区域为铜,可以看出,CuW８０合金与梯度结构铜钨基碳化物复合材料中的钨颗粒直径大小不一,在０．５~８μm 之间,但总体分布均匀,铜均匀包覆在钨颗粒的周围,材料表面

并未出现孔洞和裂纹.由图２可知,复合材料表面存在钨、铜、碳三种元素,铜镶嵌在钨骨架内,与钨结合良好,碳则弥散分布于材料的表面,材料表面成分分布均匀.由图３可知,梯度结构铜钨基碳化物复合材料渗碳层的厚度约为７０μm,这表明碳已成功渗入到 CuW８０ 合金的表面.由 图４可知,合金渗碳层中含有 WC、Cu、W２C和 W 等４个物相.经分

析可得,渗 碳 层 中 各 物 相 含 量 (质 量 分 数)分 别 为６１．８％WC,２２．７％Cu,１０．１％W２C,５．４％W,其中WC