金刚石增强Cu-Ni-Si复合材料制备及其性能研究

徐雪霞张 哲王同贺赵 岩丁海民

(1.国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北 石家庄 050021;2.国网河北能源技术服务有限公司,河北 石家庄 050021;3.华北电力大学,河北 保定 071003;4.国网河北省电力有限公司综合服务中心,河北 石家庄 050021;)

0 引言

电网规模的增大和新能源占比的大幅提升使电网可靠性面临极大挑战,对关键电气设备部件用电接触材料也提出了更高的性能要求。铜因其优异的导电、导热、耐腐蚀性能而广泛应用于电子、电气、汽车和机械制造业等领域,且其成本较低,资源丰富[1],成为一类重要的电接触材料。但是纯铜硬度低、耐磨性差、在高温下易变形等缺点限制了其应用[2-3]。为了提高纯铜的综合性能,通常采取复合化方法来提高其性能,即通过向铜基体中添加一种或多种高熔点、高硬度、耐磨损和热稳定的陶瓷颗粒或碳材料增强相形成铜基复合材料,有效改善铜的力学性能及耐磨性能[45]。

金刚石作为碳增强相,是自然界导热性能最好的材料,热导率达2 500 W·m-1·K-1,热膨胀系数为1.3×10-6K-1,熔点高,硬度和耐磨性也极高,莫氏硬度为10,其硬度是刚玉的150倍,比石英高1 000倍[5],且化学稳定性好,是高强度高导电率铜合金的理想增强体。但是金刚石与铜熔体润湿性差,难以加入铜熔体中,使得金刚石与铜难以通过熔铸法复合,限制了其在高强度高导电率铜合金中的应用。为解决这一问题,本文提出了利用Ti与金刚石反应将金刚石引入铜熔体的制备策略,利用熔铸法制备出了金刚石增强Cu-Ni-Si复合材料。

1 理论分析

铜基复合材料中,铜基体与增强体的界面结合一直是关注的焦点,界面润湿性改善是制备优良综合性能复合材料的关键。如前所述,金刚石和金属熔体之间的润湿性通常很差,因此金刚石很难被引入到熔体中。已有研究发现,反应润湿是改善金属基复合材料中强化相和基体之间润湿性的一个行之有效的方法[7]。通过Ti-C 反应进行润湿,可以有效地将金刚石引入铜熔体中[8]。然而引入的金刚石容易形成严重的团聚,导致复合材料的性能下降。近年来研究发现,采用Ti-Si-C体系可以更有效地将金刚石引入铜熔体中,并使其均匀地分散在铜基体中[9]。然而多余的Si会固溶到铜基体中,严重地影响了复合材料的导电性。Ni和Si元素能够形成强化相[10],同样可以提高铜的硬度,同时可以消除Si对复合材料不利的影响。

因此,本研究以金刚石为主要增强相,通过Ti-Si-C反应将金刚石引入Cu-Ni熔体,制备综合性能优良的铜基复合材料。

2 试验材料与方法

2.1 原材料

以平均粒度为6μm 的金刚石(D)粉,平均粒度为10μm 的Si粉,平均粒度为10μm 的Ti粉,高纯度Ni粉(纯度>99.9%),高纯度电解铜(纯度>99.9%)为实验原料,如图1所示。

图1 原料粉末SEM 形貌图

2.2 制备方法

所用实验设备包括:JSM-IT500 扫描电子显微镜(SEM)、SBH-5L 三维摆动混料机、冷压模具、SPG-20B 分体式高频感应加热设备以及HVS-1000数显显微硬度计和SMP10 数字便携式涡流电导仪。

本实验分为2 个阶段,第一阶段制备Cu-Ti-Si-D 复合材料,第二阶段在Ti-Si-D 的基础上添加一定量的Ni,制备Cu-Ni-Ti-Si-D 复合材料。

Cu-Ti-Si-D 复合材料制备过程如下:

(1)原料准备:首先在电子天平上分别称取质量比为2︰1︰1的钛粉、硅粉和金刚石粉(D),放置在三维混料机中混料3 h,使其混合均匀,得到Ti-Si-D 混合粉末。然后将混合粉末放入压块模具中,在室温20 MPa压力下保压15 min,冷压成直径为20 mm 的圆柱形预制块。

(2)试样制备:使用高频感应炉在温度为1 100~1 250 ℃下将电解铜熔化,并将Ti-Si-D 预制块加入到铜熔体中,保温约3 min后,搅拌并浇铸制备复合材料。

Cu-Ni-Ti-Si-D 复合材料制备过程如下:

(1)原料准备:首先在电子天平上分别称取质量比为4.2︰2︰1︰1的镍粉、钛粉、硅粉和金刚石粉(D),并将钛粉、硅粉和金刚石粉放置在三维混料机中混料3 h,使其混合均匀,得到Ti-Si-D 混合粉末,然后将粉末放入压块模具中,在室温20 MPa压力下保压15 min,冷压成直径为20 mm 的圆柱形压块。将镍粉在室温10 MPa压力下保压5 min,单独冷压成直径为20 mm 的圆柱形压块。

(2)试样制备:使用高频感应炉在温度为1 100~1 250°C 下将电解铜熔化,首先将Ti-Si-D预制块加入到铜熔体中,待预制块完全反应溶解到铜熔体中,加入Ni块,保温约2 min后搅拌并浇铸制备复合材料。

2.3 性能测试与表征

将已经冷却至室温的铸件进行切割、打磨、抛光制作样品,并通过配备有X射线能谱分析(EDS)的扫描电子显微镜(SEM)对试样微观组织进行分析。为了更好的观察增强相的组织形貌,将样品通2 A电流,在18vol.%磷酸溶液中进行60~90 s的电解腐蚀,腐蚀掉试样表面的Cu基体,把增强颗粒的立体结构展示出来。并对电解腐蚀样品进行SEM 分析。利用数显显微硬度计和数字便携式涡流电导仪对试样硬度及导电率进行测量。

3 结果和讨论

3.1 Cu-Ti-Si-D 复合材料的制备

铸态Cu-2Ti-1Si-1D 复合材料的微观组织如图2(a)和(b)所示。由图2(b)可以看到铜基体中分布着两种颗粒,并且形成了核壳结构。图2(c)为对应(b)图Point 1点黑色物相的点分析结果,发现黑色颗粒主要含有碳元素,由于本实验没有其他碳源,可以确定这是未反应的金刚石。图2(d)为Point 2对应壳层物相的点分析结果,其主要含有Ti和C元素且原子比接近1︰1,可以确定壳层是反应生成的TiC。

图2 Cu-2Ti-1Si-1D复合材料显微组织

从图3的面分析结果可以看出,复合材料生成了金刚石@TiC 核壳颗粒,并且在铜基体中均匀地分布着Si。

图3 Cu-2Ti-1Si-1D复合材料的EDS面分析结果

为了进一步分析物相的形貌,将样品进行电解腐蚀。深腐蚀样品的微观结构如图4所示。从图4可以看出,金刚石外表面已经完全和钛反应生成了TiC壳层。同时可以观察到,有大量的棒状物相分布在金刚石@TiC 核壳颗粒之间,对其进行打点分析,结果如图4(c),其主要含有Ti和Si元素,并且原子比大致为5︰3,可以确定这是反应生成的Ti5Si3。

图4 Cu-2Ti-1Si-1D复合材料的显微组织

进一步利用数显显微硬度计和数字便携式涡流电导仪分别测试了Cu-2Ti-1Si-1D复合材料的硬度与导电率,其硬度达到了114.18 HV,相比于纯铜的59 HV,提高了93.53%,这说明金刚石可以作为铜基复合材料的优质增强体。然而导电率只有16.5%IACS,这是大量的Si固溶到铜基体中造成的。

3.2 Cu-Ni-Ti-Si-D 复合材料的制备

为了消除Si对复合材料导电率的影响,在Ti-Si-D的基础上,添加了一定量的Ni。为分析添加Ni对金刚石增强铜基复合材料性能的影响机理,对Cu-4.2Ni-2Ti-1Si-1D复合材料进行微观组织分析。由图5(a)和(b)可以看到复合材料中生成了金刚石@TiC核壳颗粒,并且发现了灰色物相,类似于花状。点分析结果如图6(c),其主要含有Ni、Ti、Si 3种元素,比例大致为2︰1︰1,将其定义为Ni-Ti-Si相,深腐蚀样品的微观结构如图6(c)和(d),可以看出生成了大量的树枝状物相,经过EDS点分析,证实这就是6(b)中的灰色花状物相,然而并没有发现类似于Cu-2Ti-1Si-1D复合材料中的棒状Ti5Si3,这说明在Ni与Si反应的同时,Ti5Si3也参与了反应。

图5 Cu-4.2Ni-2Ti-1Si-1D复合材料的显微组织

对Cu-4.2Ni-2Ti-1Si-1D 复合材料的硬度与导电率进行测试,为方便对比将Cu-2Ti-1Si-1D 复合材料的硬度与导电率一并列出,结果如图6所示。可以发现Cu-4.2Ni-2Ti-1Si-1D 复合材料的硬度达到了203.27HV,同时导电率上升为27.83%IACS,较Cu-2Ti-1Si-1D 复合材料分别提高了78.03%和68.67%。这说明Cu-Ni-Ti-Si-D 复合材料作为高强度高导电率材料是很有发展前景的。

图6 制备的复合材料的硬度及导电率

4 结论

(1)利用Ti-Si-D 体系能够成功地将金刚石引入到铜熔体中,所制备的Cu-Ni-Ti-Si-D 复合材料硬度达到了114.18 HV,然而由于Si的存在严重地影响了复合材料的导电性。

(2)在Ti-Si-C 基础上,添加一定的Ni,可以反应掉Ti5Si3和固溶在铜基体中的Si,并且,在金刚石@TiC 核壳颗粒及Ni-Ti-Si相的协同作用下,硬度有了进一步的提高,达到了203.27 HV,而导电率也回升到了27.83%IACS。