王永鋒，曹 靜

（西安航空學院 機械學院，陜西 西安 710077）

由于具有較高的強度、硬度、優(yōu)異的耐腐蝕性、僅次于銀的導電性和良好的耐熱性，銅合金成為國民經(jīng)濟發(fā)展中具有重要作用的一類金屬材料，且在許多領域具有其它材料不可替代的作用。在銅鎳合金中，研究較多的有Cu－Ni－Si系合金和Cu－Ni－Sn系合金等兩種合金體系。針對Cu－Ni－Si和Cu－Ni－Sn兩種合金系，研究的主要目的是開發(fā)可用作導線框架等電工材料。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和交通運輸市場競爭的加劇，提高鐵路運營速度已成為一個亟待解決的重要課題，其要求接觸線材料在具有良好導電性的同時，還應具有高的機械強度以及良好的耐磨性。目前，用作接觸線的銅合金材料普遍存在耐磨性較差強度低，易斷線、弓網(wǎng)故障高等缺點。因此，制備出一種集合良好導電性、強度和硬度以及良好耐磨性的銅合金是目前亟待解決的重要工程課題。

傳統(tǒng)的Cu基合金具有較高的導電性能，但較低強度大大限制了其在工程領域的應用。因此，在保證高導電性的基礎上，提高Cu基合金的強度成為目前高強高導銅合金的研究焦點。過渡金屬間化合物如Ni－Al系化合物具有良好的熱穩(wěn)定性，高的硬度、優(yōu)良的高溫耐磨和耐腐蝕性能等，被認為是耐磨元件的理想材料。Al原子在Cu中的固溶對Cu合金的電導率影響不大，使Ni－Al系金屬間化合物被認為是Cu基體上理想的增強材料。鑒于CuNiAl合金潛在的優(yōu)異的力學性能、摩擦磨損性能、導電性和導熱性等，高性能新型CuNiAl合金材料已經(jīng)成為國內外專家研究熱點。

1 試驗材料和試驗過程

1.1 原料

實驗所采用的原料為 Cu（99.9wt%）、Ni（99.99wt%）、Al（99wt.%）的塊狀材料。將原料先用5%的稀鹽酸溶液浸泡清洗除去表面氧化物，然后用酒精清洗、烘干。根據(jù)實驗需要，設計了以下成分配比，如表1所示。

表1 CuNiAl合金成分配比

1.2 試樣制備

通過真空燒結爐采用近平衡凝固實驗制備試樣。首先，將稱量好的試樣按位置放入到預先準備好的帶孔石墨磚中，石墨磚孔的直徑約為Φ12mm，將石墨磚放入真空燒結爐中。先對燒結爐抽真空，通入氬氣，然后以10K／min的速率升溫到1500℃，然后保溫30min，然后隨爐冷卻到室溫。

1.3 電導率測試

電導率的測試在7501型渦流電導儀（ECA）上進行，并根據(jù)國際YS／T478－2005進行測試和相關數(shù)據(jù)處理。測試前應將測試面磨平、尺寸均勻，用細砂紙除去表面氧化皮，再用酒精清洗，烘干后進行測量。將渦流電導儀分別用高值標準試塊和低值標準試塊進行校準，測量時將探頭與平穩(wěn)的與試樣表面不同區(qū)域接觸，記錄各區(qū)域電導率數(shù)值，測量7次取平均值作為材料的電導率值。將所測的數(shù)據(jù)用公式（導電率%IACS＝σ／58.0×100%）轉化為國際標準退火銅（%IACS）導電率。其中式中σ為材料的電導率。

1.4 摩擦磨損測試

摩擦磨損測試是在（MUM－5G）型銷－盤磨損試驗機上進行測試的。測試前需將試樣切割成小塊，兩對面打磨平行，用砂紙打磨使表面光滑平整。為保證試驗的準確性，在摩擦磨損試驗機上對試樣進行1500＃砂紙的預磨，以保證對磨表面的平整性。隨后，將試樣置于丙酮中，用超聲波清洗機清洗干凈后，稱量試樣摩擦前的質量，再將試樣置于試驗機上與45鋼對磨片進行對磨，載荷為5N，對磨時間15min，摩擦半徑8mm，電機頻率7.5Hz，摩擦距離為300m。對磨完成后，清洗并烘干。分別對摩擦前后的試樣進行高度和質量進行測試，對微觀形貌進行電鏡分析。

2 結果與分析

2.1 硬度分析

圖1為Cu含量95%時不同Ni、Al比的各個CuNiAl合金的布氏硬度值。在Cu含量一定的情況下，隨著Ni含量的增多，合金的布氏硬度值逐漸增大。

圖1 合金的布氏硬度

圖2 合金的導電率

從CuNiAl合金的硬度值分析來看，隨著Ni元素含量增大，合金硬度值逐漸增大。這種變化是由于Ni作為主要組元添加到銅合金中，是以溶質原子的形式溶解在銅的基體中，形成了銅鎳固溶體，對合金起到了固溶強化的作用，從而提高了銅合金的硬度。從顯微組織中可以發(fā)現(xiàn)，枝晶間存在著第二相，由于第二相硬度較高，對合金起到了第二相強化作用，隨鎳含量的增多，第二相逐漸增多同樣也提高了合金的力學性能。

2.2 CuNiAl合金的導電率分析

Cu含量為95%時合金的導電率隨鎳鋁原子比的變化如圖2所示。由圖可知，CuNiAl合金的導電率隨著鎳鋁原子比的增加而降低。主要是由于在固溶體中，溶質鎳鋁原子比逐漸增加（Ni元素含量的逐漸增加），硬度隨著增大，可以發(fā)現(xiàn)合金的導電率隨著硬度的增大而減小。

2.3 摩擦磨損分析

圖3為Cu含量為95%時不同鎳鋁比的試樣磨損微觀形貌圖。設定儀器的參數(shù)為：載荷5N，頻率7.5Hz，時間14.2min，距離為300m。整體來看，合金的表面磨損很嚴重主要為黏著磨損和磨粒磨損，隨著Ni／Al原子比的逐漸增大，合金的黏著磨損逐漸減弱，磨粒磨損加劇。Ni／Al原子比較小時，合金表面黏著磨損比較嚴重，黏著脫落的合金塊較多，在隨后的反復摩擦中，脫落的合金塊與基體分離又與基體黏著到一起，在表面形成許多凸起，如圖3（a）中的形貌。當鎳含量增加時，合金的表面仍有比較嚴重的黏著磨損，但是有所減輕，在磨損表面產生塑性變形，如圖3（c）中的形貌，同時在磨損表面出現(xiàn)較小的磨粒。當Ni／Al為3：1，Ni含量達到最大值時，合金黏著磨損進一步減輕，脫落物明顯減少，但是在磨損表面產生了較多的溝槽，磨粒磨損特征明顯，如圖3（e）中形貌所示。觀察與摩擦磨損形貌所對應的對磨盤形貌。對磨盤形貌為圓形，內圈較光滑，外圈粗糙，外圈并有黏附物和突起。黏附物是由于在摩擦過程中試樣脫落粘附上去，突起是由于試樣表面擠壓和沖擊產生塑性變形造成的。

圖3 Cu（95wt%），Ni、Al原子比分別為1：3 1：2 1：1 2：1 3：1為摩擦磨損圖

3 結語

本文采用近平衡凝固實驗制取了不同配比的CuNiAl合金，通過對試樣的硬度、導電率及摩擦磨損性能進行了一系列的檢測，發(fā)現(xiàn)：

（1）CuNiAl合金的硬度隨著Ni含量的增多而逐漸增大；導電率隨其含量增多而減小。

（2）在摩擦磨損中，隨著Ni含量的逐漸增加，合金的黏著磨損減弱，磨粒磨損現(xiàn)象明顯。其耐磨性的提高主要原因Ni含量的增加提高了合金的固溶強化效果，減弱了合金基體的黏著磨損。

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