Au-7.5Ni-xCu合金组织结构及摩擦磨损性能研究

来源 :昆明贵金属研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:qiuyuwusheng
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金基合金具有良好的导电性能及耐腐蚀性能,常作为滑动电接触材料应用于航空航天精密导电滑环。但传统金基合金存在着强度、硬度低,磨损率高等缺陷,在摩擦滑动过程中极易形成塑性长条状磨屑,导致环间短路引起滑环故障,因此刺激着具有优良综合性能金基合金的进一步开发。通常来说,添加元素的种类和含量直接影响着金基合金的综合力学性能。在众多类型的金基合金中,添加Ni、Cu元素的Au-Ni-Cu合金因其具有良好稳定性与耐磨性而备受关注,其中Au-7.5Ni-1.5Cu合金是目前广泛应用于低负荷滑动电接触材料的金基合金。但随着行业应用标准日益提高,当前金基合金性能无法满足航天航空对于材料使用寿命和稳定性的严格要求,因此进行合金成分与性能优化显得极为重要。本文在Au-7.5Ni-1.5Cu合金的基础上通过调整Cu含量来改善其力学性能及耐磨性,设计Cu含量分别为3wt%、5wt%、10wt%,Ni含量保持不变。采用真空电弧熔炼制备合金铸锭,利用精密轧机进行多道次单向冷轧,加工变形量分别为50%、60%、75%及90%,然后对部分样品进行退火及时效处理,并进行机械摩擦实验。通过研究不同Cu含量、加工变形量、热处理工艺及法向载荷下合金样品的力学性能、摩擦系数、磨损率、磨损形貌等,获得Au-7.5Ni-x Cu合金摩擦磨损性能的变化规律,并分析其磨损机理。利用分子动力学对Au-7.5Ni-x Cu合金进行建模,模拟滑动摩擦过程。主要研究结论如下:(1)增加Cu含量及加工变形量均有利于提高Au-7.5Ni-x Cu合金的硬度,固溶状态下含10%Cu的合金较含1.5%Cu合金硬度增加18.75%,75%变形量加工后硬度较固溶态增加45.93%,这是Cu元素增加引起的固溶强化及冷轧后的加工硬化造成的;时效处理会增加Au-7.5Ni-x Cu合金硬度,经75%加工变形后进行250℃时效2h后强化效果最好,最高硬度值为335HV。XRD衍射分析表明Cu含量的增加导致(002)和(202)晶面向大角度偏移,加工变形、热处理和时效均未改变Au-7.5Ni-x Cu合金的面心立方结构。(2)机械摩擦实验证明Cu含量及加工变形量的增加均导致摩擦系数增加,磨损率、磨损轨道深度、宽度及粗糙度反而下降,这是因为固溶强化和位错密度增加都使得合金抗滑移能力提高,当加工变形量为90%时,合金内位错塞积导致内应力过大,能量得不到释放导致摩擦失稳;经250℃/2h时效后不同Cu含量的合金摩擦系数差量变小,各项摩擦参数随Cu含量提高先增后降,Cu含量为3%时各参数值最大,含量为10%时各参数值降低幅度最大,Cu含量高于3%时Cu含量越大时效强化效果越好;Au-7.5Ni-10Cu合金各项参数的降低幅度最大,在本研究中呈现出最好的机械摩擦性能及耐磨性。材料产生变形难度随本身强度增加而增大,导致强度高的材料摩擦系数增加,但磨损率降低。合金的各项摩擦参数均随法向载荷的增加而增加,材料的磨损率与法向载荷成正比,与材料的硬度值成反比,能较好地契合阿恰德模型。(3)不同状态下的Au-7.5Ni-x Cu合金磨损轨道形貌及表面状况不同,在本研究中低Cu含量、90%加工变形量条件下的磨损轨道均呈现出“纺锤形”磨痕,而Cu含量较高、低载荷、较低变形量下的磨损轨道呈流线型磨痕。在扫描电镜下观察到大量塑性变形及黏着磨损的形貌特征,除了存在黏着磨损外还存在部分磨粒磨损,说明当合金受到的摩擦力(剪切力)大于材料的弹性极限时产生塑性变形,金属发生转移、堆积、黏附。计算了不同状态的Au-7.5Ni-x Cu合金的磨损系数K值,后续不方便实验时可以借鉴磨损系数分析Au-7.5Ni-x Cu合金的耐磨性。(4)利用分子动力学模拟金刚石与Au-7.5Ni-x Cu合金的摩擦过程验证、补充实验,发现摩擦系数整体随Cu含量的增加而上升,磨损后基体表面原子呈“U”形堆积,当Cu含量为10%时,基体的抗变形能力最强;磨损过程后观察到晶粒的分裂与合并现象,合金基体内的位错密度明显增加;分子动力学模拟较好符合了机械摩擦实验结果。
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