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随着电气化铁路的高速发展,要求其接触导线具有良好导电性的同时,还应具有高的强度、高的抗软化温度和优良的抗磨损性能。弥散强化铜基复合材料因具有优良的高强高导性能、抗磨损性能以及抗高温软化性能而备受关注。本文针对电滑动的工况条件,选用Cr含量在0.4~1.1wt.[%]之间的圆柱形实体Cu-Cr合金为研究对象。首先对圆柱形实体Cu-Cr合金进行表面内氧化处理,使合金表层Cr原位生产Cr2O3颗粒;再将内氧化处理后的表层Cr2O3弥散强化/芯部Cu-Cr合金铜基复合材料分别进行固溶处理、时效处理和冷变形处理,制备出表层Cr2O3弥散强化/芯部Cr析出强化铜基复合材料,并对其进行导电率和硬度测试;最后对复合材料进行了电滑动磨损性能测试,研究加载电流强度、Cr(Cr2O3)含量以及表面内氧化工艺对其电滑动磨损性能的影响。利用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对复合材料进行微观组织分析,为表层Cr2O3弥散强化/芯部Cr析出强化铜基复合材料的制备和在电滑动领域的工程应用提供理论依据。
主要结论如下:
1.在1173K温度下,采用包埋法对圆柱形实体Cu-Cr合金进行内氧化处理,可以制备出表层Cr2O3弥散强化/芯部Cu-Cr合金铜基复合材料。合金表层的Cr原位生成Cr2O3颗粒,弥散分布在表层Cu-Cr合金基体中,而芯部仍为Cu-Cr合金;内氧化层厚度随着合金中Cr的初始摩尔浓度增加而减薄,随着圆柱形实体合金直径增加而减薄;内氧化层硬度随复合材料中Cr2O3含量的增加而升高,且相同Cr2O3含量的复合材料其内氧化层硬度比芯部Cu-Cr合金硬度平均高20[%]左右。
2.表层Cr2O3弥散强化/芯部Cu-Cr合金铜基复合材料经固溶处理后,内氧化层硬度得到保持,芯部Cu-Cr合金硬度略有下降;时效处理后,内氧化层硬度依然保持不变,芯部Cu-Cr合金硬度急剧升高;冷变形处理后,内氧化层和芯部Cu-Cr合金的硬度均明显升高,且随着变形量的增大而增加。在试验范围内,当变形量为30.6[%]时,内氧化层和芯部Cu-Cr合金硬度急剧升高,变形量大于30.6[%]时,硬度升幅减缓。表层Cr2O3弥散强化/芯部Cu-Cr合金铜基复合材料在固溶处理后导电率明显的降低;时效处理后其导电率急剧升高;冷变形过程中复合材料导电率大致随变形量的增加而降低,但在变形量为88.9[%]时导电率有明显的升高趋势,这有待于进一步研究。经773K退火后,复合材料的内氧化层和芯部Cu-Cr合金均达到了软化温度,而内氧化层硬度随着退火温度的继续升高基本保持稳定,特别是退火温度超过973K时,内氧化层硬度比芯部Cu-Cr合金硬度高出22[%]左右,显示出了弥散强化铜基复合材料优越的高温性能。
3.在试验范围内,表层Cr2O3弥散强化铜基复合材料接触导线和Cr析出强化铜合金接触导线的磨损率均随电流强度的升高而增加;表层Cr2O3弥散强化铜基复合材料接触导线的磨损率均低于Cr析出强化铜合金接触导线的磨损率,且随着电流强度的升高表现出更优良的抗磨损性能;电滑动磨损机制均以粘着磨损为主。