压力烧结工艺对铜石墨复合材料的性能影响03.docx
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压力烧结工艺对铜石墨复合材料的性能影响03
压力烧结工艺参数对铜-石墨复合材料性能及组织的影响
叶雨顺左孝青
（昆明理工大学材料科学与工程学院，云南，昆明，650093）
摘要：
采用粉末冶金的方法，以配比为铜89wt%、铁5wt%、锡4wt%、石墨2wt%的粉末为原料，预压成形后采用气氛保护-压力烧结技术进行铜-石墨复合材料的制备实验，探讨了不同的工艺参数如烧结温度、压制压力、烧结压力、烧结保温时间对材料物理性能如相对密度、硬度、电导率的影响，得到优化的制备工艺参数：
压制压力为400MPa，保压时间3min，烧结压力200MPa，烧结温度870℃，烧结保温时间2.5h。
最终制得了相对密度0.945，硬度66.3HB，电导率6.2MS/m的铜-石墨复合材料。
关键词：
气氛保护压力烧结铜-石墨复合材料
中图法分类号：
TG146.4文献标识码：
A
EffectionofPressureSinteringProcessParametersonCopper-GraphiteCompositeMaterialPropertiesandMicrostructure
YE-YushunZUO-Xiaoqing
（SchoolofMaterialsScienceandEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,YunNan,Kunming,650093）
Abstract:
Usingpowdermetallurgymethods,andcopper-89wt%,iron-5wt%,tin-4wt%,graphite-2wt%ofthepowderastherawmaterials,preloadafterformingtheprotectiveatmosphere-thepressuresinteringtechnologyforcopper-graphitecompositesexperimentstoexplorethedifferentprocessparameters,suchassinteringtemperatureandcompactingpressure,thesinteringpressure,sinteringholdingtimeonthephysicalpropertiesofmaterials,suchastherelativedensity,hardness,conductivity,toobtaintheoptimizedprocessparameters:
pressingpressureof400MPa,holdingpressuretime3min,sinteringpressure200MPa,sinteringtemperatureof870℃sinteringholdingtimeof2.5h.Eventuallygotrelativedensity0.945,hardness66.3HB,conductivity6.2MS/mcopper-graphitecomposites.
Keywords:
protectionoftheatmospherepressuresinteringcopper-graphitecomposites
1．引言
在实际生产中，粉末冶金法是制备铜-石墨复合材料的主要方法，常规粉末冶金方法的制备工艺较为复杂、能耗较大，制得的产品组织均匀性较差、致密度较低，性能指标远未达到使用要求。
尤其是随着铁路列车不断提速，原有的受电弓滑板零件己经不能满足现在高速和准高速机车的使用要求。
提速要求，急需开发一种新型制备技术来简化制备工艺，降低能耗，提高产品的致密度，最终制得各性能指标能够满足使用要求的铜-石墨复合材料。
为适应列车提速要求，急需开发一种新型制备技术来简化制备工艺，降低能耗，提高产品的致密度，最终制得各性能指标能够满足使用要求的铜-石墨复合材料。
利用自制气氛保护压力烧结设备制备铜-石墨复合材料，在烧结过程中引入烧结压力来提高材料的烧结活性，降低材料的烧结温度，解决铜-石墨复合材料烧结困难的问题，获得能够满足使用要求的铜-石墨复合材料。
研究了不同的压制压力、烧结压力、烧结温度对铜-石墨复合材料性能（烧结后相对密度、表面硬度、电导率等）的影响规律，以期对压力烧结制备技术的开发应用提供有益的参考。
2实验
2.1原材料
材料
质量分数wt%
M目数
纯度（%）
铜（Cu）
89
-200
≧99
铁（Fe）
5
-200
≧98
锡（Sn0
4
-200
≧99.5
碳（C）
2
-300
≧99.85
实验用材料包括电解Cu粉、Fe粉、Sn粉、石墨粉等，具体化学成分组成级性质如表1所示。
表1原材料化学成分
2.2实验设备
实验所用主要设备包括：
（1）坩埚式电阻炉，型号SG2-5-12，最高工作温度1200℃。
（2）液压式压力试验机，型号JYE-2000B，工作压力0～2000KN。
（3）高效混合机，型号V-0.0002m3。
（4）电子天平。
（5）自制烧结模具，如图1。
（6）压力模具，如图2。
辅助设备有：
托盘天平、药匙、夹钳、虎钳、打磨器等。
图1气保护气氛烧结模具
图2保压模具
2.3实验参数的确定
将原料在混料机中混合2h后，在150MPa-400MPa压力下压制成形，保压3min，然后将压坯装入特制的、可施压的模具中预加压（烧结压力，可在烧结过程中一直保持该压力），后置于氩气保护烧结炉中随炉升温，在815-870℃条件下烧结，保温1-1.5h后获得铜-石墨复合材料。
对压力烧结法制备铜-石墨复合材料过程中的压制压力、烧结温度、烧结保温时间等工艺参数进行了实验研究，工艺参数如表2所示。
依次对压制压力、烧结温度、烧结保温时间等工艺参数进行考察，当其中一个参数考察完毕后，取其最优值作为考察下一个参数对铜-石墨复合材料的组织及性能的影响。
2.4测试方法
密度测量采用阿基米德法，相对密度按式
（1）计算：
布氏硬度测试采用布氏硬度测试试验机，按照GB／T231.1-2002方法进行测试；电导率利用涡流电导仪进行测定。
表2气氛保护-压力烧结制备铜-石墨
复合材料试验参数及研究方案
工艺过程
工艺参数实验值
单位
初步实验值
最优值
压制压力
150、200、250、300、350、400
MPa
200
400
烧结温度
815、825、835、845、855、870
℃
870
870
烧结保温时间
1、1.5、2、
2.5、3、3.5
h
2
2.5
烧结压力
0、50、100、
150、200、250
MPa
200
150
3结果与讨论
3.1铜-石墨复合材料的相对密度
3.1.1烧结温度对相对密度的影响
提高材料的烧结温度，烧结驱动力增大，原子自扩散系数、互扩散系数增加，促进了烧结的进行，因而获得的试样的密度也就越大。
同时，由于低熔点组元Sn的存在，在较高的温度条件下Sn会发生熔融，这会使烧结体中出现少量液相，些许的液相填充了烧结体中的部分孔隙，一定程度上帮助消除孔隙，从而促进烧结的进行。
根据图3可以看出，烧结后所得到的样品的相对密度随着烧结温度的增加呈上升趋势。
对预压成形后的坯体进行烧结时，由于温度比较高，将加大原子振动的振幅，易发生扩散，并且在颗粒间的接触面上将会有更多的原子进入原子作用力的范围，从而形成粘结面，粘结面将不断扩大，最终称为烧结颈。
随着烧结的进行，烧结颈会不断长大，颗粒间的距离逐渐缩小，形成连续的孔隙网络；同时由于晶粒的长大，晶界将越过孔隙移动，而被晶界扫过的地方，孔隙会大量消失。
最终结果就是烧结体收缩，密度增加。
提高材料的烧结温度，烧结驱动力增大，原子自扩散系数、互扩散系数增加，促进了烧结的进行，因而获得的试样的密度也就越大。
同时，由于低熔点组元Sn的存在，在较高的温度条件下Sn会发生熔融，这会使烧结体中出现少量液相，些许的液相填充了烧结体中的部分孔隙，一定程度上帮助消除孔隙，从而促进烧结的进行。
图3烧结温度对相对密度的影响
3.1.2烧结压力对相对密度的影响
图4为不同烧结压力条件下材料相对密度变化曲线，从图可以看出烧结压力由0MPa增至50MPa时，材料的相对密度显著提高；烧结压力达到50MPa以后烧结压力对材料致密化程度的影响不大。
这表明50MPa的烧结压力已经足以保证烧结的进行，而进一步提高烧结压力对材料的致密化影响很小。
这可能是因为烧结压力增加，材料总孔隙度和开孔隙度呈降低趋势，而闭孔隙的变化则不明显。
开孔隙在烧结压力的作用下容易“垮陷”，因此受烧结压力影响较大；而闭孔隙中往往含有或多或少的气体物质，烧结时这些物质产生的气压作用会阻碍孔隙的收缩，因而闭孔隙受烧结压力的影晌较小。
当烧结压力达到一定值后，开孔隙度和闭孔隙度降低幅度非常小，材料总的孔隙度变化也很小，导致致密度不再随烧结压力增大而明显增加。
图4烧结压力对相对密度的影响
3.1.3压制压力对相对密度的影响
如图5所示，压制压力对材料的相对密度有着较大的影响，相对密度大致随着压坯成型压力的增加而提高，这表明了在较高的压力条件下更容易实现压坯的致密化[58]。
在成型过程中，基体中的颗粒发生位移与变形，相互填充孔隙，增强相颗粒与基体粉末之间因为机械嵌和力而粘合在一起，形成有一定密度和结合强度的压坯。
由压制理论得知，在进行预压成形时粉末颗粒之间机械啮合、相互移动，随着压力的逐渐升高，原子间的引力以及粉末的变形程度都将增大。
压制压力较大时，粉末颗粒间的有效面积将增大，同时压坯内能也增加，原子扩散激活能降低，从而促进烧结的进行；压制压力较小导致压坯密度较低，压坯的孔隙度增大，金属-金属界面不能充分接触，不利于烧结过程中金属的结合，降低了材料性能。
图5压制压力对相对密度的影响
3.2表面硬度
3.2.1烧结温度对表面硬度的影响
图6是试样的硬度随烧结温度的变化曲线，由图可以看出硬度的变化趋势，试样的烧结温度随烧结温度的升高而升高，这是因为在烧结过程中，随着烧结温度的升高，复合材料内铜原子的扩散越来越充分，铜颗粒之间的烧结颈的面积逐渐增大，形成致密组织，材料的硬度逐渐上升。
有资料表明[58]烧结温度过高，铜颗粒之间的烧结颈的数量减少，另外烧结过程中液态铜太多，当发生凝固时，液态铜内部溶解的气体急剧排出，在复合材料中将会留下较多气孔，从而影响材料的密度和硬度，因此过高的烧结温度会造成材料的硬度值大幅下降。
图6烧结温度对硬度的影响
3.2.2压制压力对表面硬度的影响
试样的硬度随压制压力的变化如图7，由图可以看出逐渐提高压制压力能提高试样的硬度，150~300MPa这个阶段硬度值提高的幅度明显高于300~400MPa。
对松散的粉末体施加一定的载荷时，粉末颗粒发生塑性变形，晶粒发生滑移，并出现位错的缠结，晶粒被逐渐压扁、破碎并产生纤维化，导致金属的内部产生残余应力，从而起到了加工硬化的效果。
随着压制压力的增加，基体中的孔洞及界面微裂纹逐渐减少，烧结所得试样的致密度逐渐提高，材料的硬度也相应。
图7压制压力对硬度的影响
3.2.3烧结压力对表面硬度的影响
烧结坯硬度随着烧结压力的变化曲线如图8，由图可知,当烧结压力由0MPa增至150MPa时，烧结坯的硬度逐渐增加，增加的幅度呈减小的趋势;当烧结压力大于150MPa后继续提高烧结压力,材料硬度值反而减小。
这是因为烧结压力过大,易使材料内部产生过大的残余应力,产生弹性后效,削弱了基体中组元的结合,材料抵抗外界变形能力减弱，所以烧结坯的硬度降低。
图8烧结压力对表面硬度的影响
3.3电导率
3.3.1烧结温度对电导率的影响
由图9可以看出，试样的电导率随烧结温度的升高而增大，根据金属导电的物理本质和粉末烧结理论，伴随着温度的升高，烧结的过程中晶粒不断长大，晶界和孔隙减少，金属相网络间的连通性得到极大的改善，一定程度上降低了所受“杂质散射”（晶体中的杂质、缺陷、晶界等结构上的不完整性）的影响，所以电阻率减小，电导率增大。
图9烧结温度对电导率的影响
3.3.2压制压力对电导率的影响
由图10可以看出，电导率随成型压力的增加而提高，原因可能有以下两个方面：
一方面，预压成型压力越大，材料的致密度越高，致密度高的材料破坏基体铜的网状导电结构程度相对较低，那么材料导电性能便越好，即电导率越高，另外更为致密的材料的气孔相对较少，其阻碍材料导电的能力较小，使得材料电导率更高；另一方面，对于压制压力小的试样，材料自身并没有压实，造成增强相与基体之间的界面结合较差，阻碍了金属基体中电子的传输，最终使得材料的电导率降低。
图10压制压力对电导率的影响
3.3.3烧结压力对电导率的影响
由图11可以看出，烧结压力对烧结坯电导率的影响规律曲线与相对密度随烧结压力的变化曲线很相似。
当烧结压力由0MPa增大到100MPa时，烧结坯的电导率有明显的提高；当烧结压力大于100MPa后，随着烧结压力的增大，电导率的提高幅度变小，烧结压力由200MPa增大到250MPa，电导率仅由6.2MS/m提高到6.3MS/m。
这主
图11烧结压力对电导率的影响
要是因为材料内部的孔隙对电导率有一定的影响，前面的分析结果表明，随着烧结压力的逐渐增大，孔隙度的变化也渐渐变小，电子运行受到的阻碍变化也小，所以电导率提高的逐渐缓慢。
3.2金相显微组织分析
3.2.1烧结温度对材料组织的影响
图12所示为A1、A4、A6的金相显微组织图，它们的其他工艺参数相同，烧结温度不同，分别为815℃、845℃、870℃。
从图中可以看出，烧结温度为815℃，基体上存在大量黑色的孔隙，从图中还可以发现铁与铜之间的结合比较疏松，其间存在少量的孔隙，铁粉颗粒上也有少量的点状孔隙存在；随着温度提高到845℃和870℃时，铁粉颗粒上的点状孔隙和铁与铜之间的孔隙都有减少，基体上的孔隙数量显著减少，单个孔隙也逐渐变小。
图12.不同烧结温度下试样的金相组织图
（a）:
815℃（b）：
845℃（c）：
870℃
3.2.2压制压力对材料组织的影响
图13为不同压制压力条件下烧结坯的金相照片。
由图可以看出，压制压力为150MPa时，基体材料中还分布有许多较大的孔隙，孔隙割裂了基体的连续性；当压制压力升高至300MPa时，基体中孔隙明显减少，单个孔隙也变小；当继续增加压制压力至400MPa后，发现基本没有明显的大孔隙存在，孔隙形状由狭长变为球形，石墨颗粒在基体材料中均匀分布，这说明材料的相对密度随着压力的增加逐渐提高。
图13不同压制压力下试样的金相组织图
（a）：
150MPa（b）：
300MPa（c）：
400MPa
3.2.3烧结压力对材料组织的影响
图14为不同烧结压力条件下所制备的试样显微组织图片。
从图中可以看出，当烧结压力为50MPa时，基体中存有大量的孔隙，说明此烧结压力条件下烧结尚不充分，主要原因是在该烧结压力条件下，作用在材料上的剪切应力低于材料的屈服极限，致密化过程仅能通过扩散蠕变进行；当烧结压力增大至150MPa时，孔隙数量显著减少，这是因为随着烧结压力的增大，作用在材料上的剪切应力将逐渐超过材料的屈服极限，材料发生了塑性流动所致；烧结压力增大至
200MPa，孔隙没有明显的变化，这说明进一步增大烧结压力对材料的致密化影响不
大。
图14不同烧结压力下试样的金相组织图
（a）：
50MPa（b）：
150MPa（c）：
200MPa
3.2.5烧结保温时间对材料组织的影响
由图15可以看出当烧结保温时间由1h延长至2.5h这一过程中微观组织变化较为明显，烧结保温时间为1h时，基体上存在大量孔隙，组织均匀性不好；当保温时间提高至2.5h后，与1h时的微观组织比较，孔隙数
图15不同烧结保温时间下试样的金相组织
（a）：
1h（b）：
2.5h（c）：
3h
量明显减少，组织均匀性增加；而大于2.5h后，烧结保温时间提高至3h发现材料的微观组织变化不大。
4.结论
（1）烧结温度对烧结坯相对密度、硬度和电导率有重要影响。
烧结温度由815℃逐渐升高到870℃过程中，烧结坯相对密度、硬度和电导率相应随之增大。
（2）压制压力由150MPa逐步提高至400MPa过程中，烧结坯相对密度、硬度和电导率相应随之增大。
（3）烧结坯相对密度随烧结压力的提高逐渐增大；硬度值随硬度值随着烧结压力增大先增大后减小，在150MPa时达到最大；烧结坯的电导率随烧结压力的提高逐渐增大，当烧结压力达到100MPa后，电导率的增幅逐渐变小。
（4）在气氛保护的条件下，压力烧结可明显促进铜-石墨复合材料的烧结，获得了制备铜-石墨复合材料的优化工艺参数如下：
压制压力为400MPa，保压时间3min，烧结压力为150MPa，烧结温度870℃，烧结保温时间2.5h。
参考文献
[1]刘建军,朱波,王成国.电力机车受电弓滑板的技术现状[J].机械工程师,2003（10）：
23-24.
[2]刘建军,朱波,王成国.电力机车受电弓滑板的技术现状[J].机械工程师,2003（10）：
23-24.
[3]戴春意,愈明昌.电力机车受电弓滑板的选用[J].机车电传动,1998（3）:
39-40.
[4]张钦钊,李强等.铜-石墨自润滑触头材料的研究进展[J].材料导报,2005,16（5）:
36-38．
[5]钟志刚.Fe含量对Cu基金属陶瓷摩擦材料摩擦磨损性能的影响[J].材料工程,2002,8:
44-47.
[6]韩绍昌,徐仲榆.碳/铜复合材料研究进展[J].机械工程材料,1999,23（6）:
6-7.
[7]韩绍昌,徐仲榆.含铬石墨-铜复合材料的制备及性能[J].湖南大学学报（自然科学版）,1999,26（3）:
43-47.
[8]梁若清,冯勇祥,陆木林.日本电力机车受电弓滑板的发展及浸金属碳滑板的开发[J].机车电传动,1994,（5）:
46-50．
[9]冯勇祥.国外浸金属碳-石墨材料的发展概况[J].新型碳材料,1989,
（1）:
4-6.
[10]D.H.He.Wearofrailwaycontactwiresagainstcurrentcollectormaterials.Wear，1998,215:
146-50.
[11]丁华东,浩宏奇,李雅文,金志浩.复压对铜石墨含油材料强度的影响[J].兵器材料科学与工程,1997,20（5）:
17-22.
[12]余明,张宝生,屈树岭.电力机车用新型碳基滑板材料的研制[J].机械工程材料,1995,19
（2）:
32-37.
[13]杨连威,姚广春,陆阳.新型铜-碳复合受电弓滑板的制备[J].过程工程学报,2005,5（4）:
460-463.
[14]黄英华,王兴庆.硬质合金烧结方法的新进展[J].上海金属,2005,27
（1）:
40-42.
[15]ZhiquanGuo,GurdialBlugan,ReneKirchner,etal.MicrostructureandelectricalPropertiesofSi3N4–TiNcompositessinteredbyhotpressingandsparkplasmasintering[J].CeramicsInternational,2007,33（7）:
1223-1229.
[16]詹志洪.热等静压技术和设备的应用与发展[J].中国钨业,2005,20
（1）:
45-46.
[17]王秀芬,周曦亚.放电等离子烧结技术,2006,42（7）:
15-18.
[18]张久兴,刘科高,周美玲.放电等离子烧结技术的发展和应用[J].粉末冶金技术,2002,20（3）:
130-132.
[19]MasaoTokita.TrendsinAdvancedSPSSystemsandFGMTechnology.NEDOinternationalSymposiumonFunctionallyGradedMaterials,MielparCue,Tokyo,Japan,October21-22,1999:
23-33.
[20]GeChangchun.FabricationofW/CuandMo/CuFGMasplasmafacingmaterials.JournalofuniversityofscienceandTechnologyBeijing;MineralMetallurgyMaterials（EngEd）,2000,7
（2）:
122-125.
[21]YanoToyohiko.EffectofsinteringmethodondensificationandmechanicalpropertiesofSi3N4/SiCcompositeswihnitratesassinteringadditives.NipponSeramikkusuKyokaiGakujutsuRonbunshi.JournaloftheCeramicSocietyofJapan,1998,106
（2）:
559-564.
[22]易健宏,罗述东,唐新文等.金属基粉末冶金零部件的微波烧结机理初探[J].粉末冶金工业,2003,13
（2）:
22-25.
[23]LINI-nan,LEEwa-chu,LIUKuo-shung,eta1.Onthemicrowavesinteringtechnologyforimprovingthepropertiesofsemiconductingelectronicceramics[J].JournaloftheEuropeanCemrnicSociety,2001,21:
2085-2088.
[24]刘建军,朱波,王成国.电力机车受电弓滑板的技术现状[J].机械工程师,2003（10）：
23-24.
[25]戴春意,愈明昌.电力机车受电弓滑板的选用[J].机车电传动,1998（3）:
39-40.
[26]过村太郎.滑板用材料[J].国外机车车辆工,2000
（1）:
45-46.
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