Ni含量对CuNiAl合金导电率及摩擦性能的影响

王永锋，曹 静

（西安航空学院 机械学院，陕西 西安 710077）

由于具有较高的强度、硬度、优异的耐腐蚀性、仅次于银的导电性和良好的耐热性，铜合金成为国民经济发展中具有重要作用的一类金属材料，且在许多领域具有其它材料不可替代的作用。在铜镍合金中，研究较多的有Cu－Ni－Si系合金和Cu－Ni－Sn系合金等两种合金体系。针对Cu－Ni－Si和Cu－Ni－Sn两种合金系，研究的主要目的是开发可用作导线框架等电工材料。随着国民经济的发展和交通运输市场竞争的加剧，提高铁路运营速度已成为一个亟待解决的重要课题，其要求接触线材料在具有良好导电性的同时，还应具有高的机械强度以及良好的耐磨性。目前，用作接触线的铜合金材料普遍存在耐磨性较差强度低，易断线、弓网故障高等缺点。因此，制备出一种集合良好导电性、强度和硬度以及良好耐磨性的铜合金是目前亟待解决的重要工程课题。

传统的Cu基合金具有较高的导电性能，但较低强度大大限制了其在工程领域的应用。因此，在保证高导电性的基础上，提高Cu基合金的强度成为目前高强高导铜合金的研究焦点。过渡金属间化合物如Ni－Al系化合物具有良好的热稳定性，高的硬度、优良的高温耐磨和耐腐蚀性能等，被认为是耐磨元件的理想材料。Al原子在Cu中的固溶对Cu合金的电导率影响不大，使Ni－Al系金属间化合物被认为是Cu基体上理想的增强材料。鉴于CuNiAl合金潜在的优异的力学性能、摩擦磨损性能、导电性和导热性等，高性能新型CuNiAl合金材料已经成为国内外专家研究热点。

1 试验材料和试验过程

1.1 原料

实验所采用的原料为 Cu（99.9wt%）、Ni（99.99wt%）、Al（99wt.%）的块状材料。将原料先用5%的稀盐酸溶液浸泡清洗除去表面氧化物，然后用酒精清洗、烘干。根据实验需要，设计了以下成分配比，如表1所示。

表1 CuNiAl合金成分配比

1.2 试样制备

通过真空烧结炉采用近平衡凝固实验制备试样。首先，将称量好的试样按位置放入到预先准备好的带孔石墨砖中，石墨砖孔的直径约为Φ12mm，将石墨砖放入真空烧结炉中。先对烧结炉抽真空，通入氩气，然后以10K／min的速率升温到1500℃，然后保温30min，然后随炉冷却到室温。

1.3 电导率测试

电导率的测试在7501型涡流电导仪（ECA）上进行，并根据国际YS／T478－2005进行测试和相关数据处理。测试前应将测试面磨平、尺寸均匀，用细砂纸除去表面氧化皮，再用酒精清洗，烘干后进行测量。将涡流电导仪分别用高值标准试块和低值标准试块进行校准，测量时将探头与平稳的与试样表面不同区域接触，记录各区域电导率数值，测量7次取平均值作为材料的电导率值。将所测的数据用公式（导电率%IACS＝σ／58.0×100%）转化为国际标准退火铜（%IACS）导电率。其中式中σ为材料的电导率。

1.4 摩擦磨损测试

摩擦磨损测试是在（MUM－5G）型销－盘磨损试验机上进行测试的。测试前需将试样切割成小块，两对面打磨平行，用砂纸打磨使表面光滑平整。为保证试验的准确性，在摩擦磨损试验机上对试样进行1500＃砂纸的预磨，以保证对磨表面的平整性。随后，将试样置于丙酮中，用超声波清洗机清洗干净后，称量试样摩擦前的质量，再将试样置于试验机上与45钢对磨片进行对磨，载荷为5N，对磨时间15min，摩擦半径8mm，电机频率7.5Hz，摩擦距离为300m。对磨完成后，清洗并烘干。分别对摩擦前后的试样进行高度和质量进行测试，对微观形貌进行电镜分析。

2 结果与分析

2.1 硬度分析

图1为Cu含量95%时不同Ni、Al比的各个CuNiAl合金的布氏硬度值。在Cu含量一定的情况下，随着Ni含量的增多，合金的布氏硬度值逐渐增大。

图1 合金的布氏硬度

图2 合金的导电率

从CuNiAl合金的硬度值分析来看，随着Ni元素含量增大，合金硬度值逐渐增大。这种变化是由于Ni作为主要组元添加到铜合金中，是以溶质原子的形式溶解在铜的基体中，形成了铜镍固溶体，对合金起到了固溶强化的作用，从而提高了铜合金的硬度。从显微组织中可以发现，枝晶间存在着第二相，由于第二相硬度较高，对合金起到了第二相强化作用，随镍含量的增多，第二相逐渐增多同样也提高了合金的力学性能。

2.2 CuNiAl合金的导电率分析

Cu含量为95%时合金的导电率随镍铝原子比的变化如图2所示。由图可知，CuNiAl合金的导电率随着镍铝原子比的增加而降低。主要是由于在固溶体中，溶质镍铝原子比逐渐增加（Ni元素含量的逐渐增加），硬度随着增大，可以发现合金的导电率随着硬度的增大而减小。

2.3 摩擦磨损分析

图3为Cu含量为95%时不同镍铝比的试样磨损微观形貌图。设定仪器的参数为：载荷5N，频率7.5Hz，时间14.2min，距离为300m。整体来看，合金的表面磨损很严重主要为黏着磨损和磨粒磨损，随着Ni／Al原子比的逐渐增大，合金的黏着磨损逐渐减弱，磨粒磨损加剧。Ni／Al原子比较小时，合金表面黏着磨损比较严重，黏着脱落的合金块较多，在随后的反复摩擦中，脱落的合金块与基体分离又与基体黏着到一起，在表面形成许多凸起，如图3（a）中的形貌。当镍含量增加时，合金的表面仍有比较严重的黏着磨损，但是有所减轻，在磨损表面产生塑性变形，如图3（c）中的形貌，同时在磨损表面出现较小的磨粒。当Ni／Al为3：1，Ni含量达到最大值时，合金黏着磨损进一步减轻，脱落物明显减少，但是在磨损表面产生了较多的沟槽，磨粒磨损特征明显，如图3（e）中形貌所示。观察与摩擦磨损形貌所对应的对磨盘形貌。对磨盘形貌为圆形，内圈较光滑，外圈粗糙，外圈并有黏附物和突起。黏附物是由于在摩擦过程中试样脱落粘附上去，突起是由于试样表面挤压和冲击产生塑性变形造成的。

图3 Cu（95wt%），Ni、Al原子比分别为1：3 1：2 1：1 2：1 3：1为摩擦磨损图

3 结语

本文采用近平衡凝固实验制取了不同配比的CuNiAl合金，通过对试样的硬度、导电率及摩擦磨损性能进行了一系列的检测，发现：

（1）CuNiAl合金的硬度随着Ni含量的增多而逐渐增大；导电率随其含量增多而减小。

（2）在摩擦磨损中，随着Ni含量的逐渐增加，合金的黏着磨损减弱，磨粒磨损现象明显。其耐磨性的提高主要原因Ni含量的增加提高了合金的固溶强化效果，减弱了合金基体的黏着磨损。

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