铜基导轨材料力学性能及抗烧蚀性能研究

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铜基复合材料因其具有高强度、高导电性、高抗耐磨性和高抗烧蚀性作为导轨材料的首选,有着实际应用中不可替代的重要地位,导轨材料在使用过程中,存在着电弧烧蚀现象,为了深入研究此现象。本文设计了电弧烧蚀测试装置,搭建了电弧烧蚀测试平台,制定了导轨材料抗电弧烧蚀性能评价体系。通过三种方法制备出[Cu-0.7Cr-0.12Zr-0.1Ag-0.12Nb-1Si C-0.5Gr(石墨)-2W]铜基复合材料与现役铬锆铜材料(Cu-0.7Cr-0.12Zr)进行力学性能对比,筛选出力学性能最优的铜基复合材料。对其进行不同阳极下、不同电流密度下和不同烧蚀次数下抗烧蚀测试。其实验结果如下:(1)分析了三种方法制备的铜基复合材料力学性能,其中等静压自耗制备的铜基复合材料力学性能最优,其硬度为103.93 HB,抗拉强度550 Mpa,摩擦系数0.23、磨损率2.74×10-6cm~3·N-1·m-1。(2)根据导轨材料在使用过程中存在的电弧烧蚀现象,设计了电弧烧蚀测试装置,制定了实验测试条件,建立了铜基复合材料抗烧蚀评价体系。(3)当阳极材料为钨针时,烧蚀面电流密度为100 A/mm~2~500 A/mm~2,烧蚀次数为30~110次时,铬锆铜材料与铜基复合材料的烧蚀量、烧蚀体积随烧蚀面电流密度和烧蚀次数的增大呈现逐渐增长趋势。烧蚀形貌特征是:铬锆铜材料烧蚀形貌由烧蚀凹坑浅内部光滑转变为烧蚀凹坑大内部存在细小颗粒物,铜基复合材料烧蚀形貌由烧蚀凹坑浅内部光滑状变为烧蚀凹坑较大内部有较大颗粒物。铬锆铜材料烧蚀产物为Cu O、Cu2O、Cr O、Zr O2,铜基复合材料烧蚀产物为Cu O、Cu2O、Cr O、Zr O2、Si O2、WO3。在阳极材料为钨针烧蚀时,铜基复合材料因添加高熔点W颗粒,所以铜基复合材料比铬锆铜材料更具有抗烧蚀能力。当阳极材料为Al、Al-4Mg、Al-4Si时,烧蚀电流密度为100A/mm~2~500 A/mm~2,烧蚀次数为30~100次时,铬锆铜材料与铜基复合材料试样的质量呈现增重现象,增重的量随面电流密度和烧蚀次数增大而增加,烧蚀部位的形貌为类似有“馒头状”、“荷叶状”、“颗粒状”特征是阳极材料熔化沉积所致,此时铬锆铜材料和铜基复合材料电弧烧蚀的产物为Al2O3、Al2Cu、Cu O等。在阳极材料为Al合金烧蚀时,Al合金沉积于铜基复合材料和铬锆铜材料表面,所以铜基复合材料和铬锆铜材料具有相同抗烧蚀能力。
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