牟浩瀚，馬帥，胥恩澤，王曉艷，張斌，張廷，仲洪海，蔣陽

時(shí)效處理對(duì)城市軌道交通銅基受
電弓滑板組織與性能的影響

牟浩瀚，馬帥，胥恩澤，王曉艷，張斌，張廷，仲洪海，蔣陽

(合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009)

采用粉末冶金法制備銅基受電弓滑板材料，在830 ℃下固溶2 h后水淬，然后在450~600 ℃下進(jìn)行1~4 h時(shí)效處理。通過對(duì)不同時(shí)效溫度和時(shí)間下材料的硬度、電阻率、沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度等性能的測試，以及微觀組織與物相組成的觀察與分析，研究銅基受電弓滑板材料的時(shí)效處理行為。結(jié)果表明：隨時(shí)效時(shí)間延長，銅基滑板材料的硬度、沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度都先升高后降低，電阻率先下降然后略有升高；隨時(shí)效溫度升高，材料的各項(xiàng)性能均先提高后下降。時(shí)效處理前后材料斷裂均以塑性斷裂的方式進(jìn)行，時(shí)效處理后拉伸斷口韌窩更深，材料的沖擊韌性更大。在500 ℃下時(shí)效3 h后，主要物相仍是銅和石墨，并產(chǎn)生納米級(jí)的六方Cu10Sn3析出相，對(duì)基體產(chǎn)生強(qiáng)化作用，從而提高材料的各項(xiàng)性能，電阻率為0.147 μ?·m，硬度HB為89，抗拉強(qiáng)度為355.68 MPa，沖擊韌性為47.1 J/cm2，可滿足我國銅基受電弓滑板的使用要求。

銅基復(fù)合材料；粉末冶金；軌道交通；受電弓滑板；時(shí)效處理；性能；顯微組織

受電弓滑板作為軌道電力機(jī)車供電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響電力機(jī)車的供電情況以及正常運(yùn)行，對(duì)于機(jī)車的安全運(yùn)行具有重要作用[1]。目前主流滑板材料為純碳、浸金屬碳和銅基材料。因?yàn)榧兲己徒饘偬蓟宓目箾_擊性能較差，不適合用于運(yùn)行情況較復(fù)雜的低速電力機(jī)車，而銅基滑板由于導(dǎo)電性能和抗沖擊性能方面的優(yōu)勢(shì)，在部分城市軌道交通機(jī)車和低速機(jī)車上得到廣泛應(yīng)用。隨著越來越多的城市開始修建地鐵、有軌電車等項(xiàng)目，對(duì)銅基滑板的需求量越來越大，同時(shí)對(duì)該類材料的綜合性能也提出了更高要求。熱處理是提升材料性能的一項(xiàng)重要工藝，目前國內(nèi)外已有報(bào)道指出對(duì)銅合金進(jìn)行固溶時(shí)效處理，可改善其組織結(jié)構(gòu)和起到第二相強(qiáng)化的作用，從而提高銅合金的力學(xué)性能和電學(xué)性能[2?6]。吳玉程[7]等對(duì)粉末冶金Cu-Cr-Zr/AlN復(fù)合材料進(jìn)行固溶時(shí)效處理，大幅提高了銅基材料的電導(dǎo)率和硬度等性能。但有關(guān)銅基受電弓滑板材料熱處理的研究報(bào)道較少，研究熱點(diǎn)主要為前期工藝，以提高銅基滑板性能，對(duì)后期的熱處理關(guān)注相對(duì)較少。研究表明，通過時(shí)效處理，可降低銅基復(fù)合材料基體中固溶的合金元素含量，獲得細(xì)小、均勻彌散分布的析出相，從而提高合金的強(qiáng)度并避免電阻率升高[8?15]，達(dá)到受電弓在列車運(yùn)行時(shí)的性能要求。本文作者自主研發(fā)粉末冶金銅基合金受電弓滑板材料，結(jié)合不同銅合金系的時(shí)效處理工藝特點(diǎn)，進(jìn)行固溶時(shí)效處理，研究時(shí)效溫度與時(shí)間對(duì)合金顯微組織以及硬度、沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度與電阻率等性能的影響，研究該合金的時(shí)效特性，以期為性能優(yōu)良的銅基粉末冶金受電弓滑板開發(fā)和生產(chǎn)提供參考依據(jù)[16?17]。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 銅基受電弓滑板材料體系

所用原料粉末為金屬Sn粉、Ni粉和Fe粉（粒度均≤75 μm），以及石墨粉。其中的基體材料Cu選用有研粉末新材料(北京)有限公司生產(chǎn)的電解銅粉(純度99.95%以上)，其它3種金屬粉末均為長沙天久金屬材料有限公司出售的金屬粉末，純度均在99%以上，石墨粉為國藥集團(tuán)化學(xué)有限公司生產(chǎn)的碳含量為99.5%的天然鱗片石墨，通過造粒形成團(tuán)簇狀大顆粒，過80目篩后使用。

1.2 銅基滑板材料制備

自主研發(fā)的銅基受電弓滑板材料體系，名義成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為Cu-5Sn-5Ni-Fe-(0.5%~2%)C。首先按照該材料的名義成分稱量原料粉末，在V型混料機(jī)上混料1~2 h，以確保物料混合均勻；將混合物料放入鋼模中，利用250 t雙柱液壓機(jī)，在800 MPa壓力下壓制成形，然后在分解氨保護(hù)氣氛下，890 ℃溫度下燒結(jié)1 h；隨爐冷卻至室溫，得到銅基受電弓滑板材料樣品，尺寸為100 mm×20 mm×20 mm。按照國標(biāo)GB/T 9096和GB/T 7964將試樣分別加工成標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣和拉伸試樣，用于性能測試。

1.3 固溶時(shí)效處理

將加工好的銅基受電弓滑板材料試樣在GSL-1300X真空管式爐中進(jìn)行固溶處理，在830 ℃下處理2 h，水淬；然后在BTF-1700C-Ⅲ管式爐中進(jìn)行時(shí)效處理，控溫精度在±3 ℃之內(nèi)，全程處于Ar氣保護(hù)狀態(tài)。時(shí)效工藝參數(shù)列于表1。

表1 銅基受電弓滑板材料的時(shí)效處理工藝參數(shù)Table 1 Technological parameters of aging treatment of copper-based pantograph slider materials

1.4 性能測試

利用MR5000金相顯微鏡觀察銅基受電弓滑板材料的顯微組織。采用HBV-30A布維硬度計(jì)測定材料的硬度，每個(gè)試樣測試5個(gè)點(diǎn)，取平均值。使用安捷倫34401A數(shù)字萬用表，采用四端子法測定材料的室溫((20±1) ℃)電阻率，測試電流端與電位端間距≥10 mm。

利用NI150金屬擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，按照國標(biāo)GB/T 9096進(jìn)行沖擊韌性測試。利用WE?300型萬能材料試驗(yàn)機(jī)，按照國標(biāo)GB/T 7964測定材料的抗拉強(qiáng)度，拉伸速率2 mm/min。

用JSM?6490LV型掃描電鏡對(duì)銅基滑板材料的微觀組織、沖擊斷口形貌及背散射形貌進(jìn)行觀察與分析。利用雙噴電解拋光法制備透射電鏡試樣，在日產(chǎn)JEM-2100F透射電鏡上進(jìn)一步觀察與分析材料的顯微組織以及相結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 物相組成與顯微組織

圖1所示為燒結(jié)態(tài)銅基受電弓滑板材料的XRD譜。從圖中只觀察到銅與石墨的衍射峰，無其它雜質(zhì)峰出現(xiàn)，銅基體以α-銅的形式存在，C并未與銅基體發(fā)生反應(yīng)，而是以單一的石墨相存在，由于石墨含量較少，因而C的衍射峰較弱。與銅標(biāo)準(zhǔn)峰對(duì)比，該材料中銅的衍射峰向左偏移，主要原因是其中的合金元素與銅形成固溶體，導(dǎo)致銅晶格發(fā)生畸變，從而使銅的衍射峰發(fā)生偏移。Cu與Sn之間可形成Cu6Sn和Cu3Sn等金屬間化合物，合金元素之間也可形成類似中間相，如Ni3Fe等，由于含量少而未出現(xiàn)相應(yīng)的物相衍射峰。

圖2所示為固溶前后銅基滑板材料的金相組織，圖3所示為固溶后材料的掃描電鏡背散射圖像及元素分布圖。從圖2看出固溶處理前有部分合金元素發(fā)生富集，分布不均勻，固溶后晶內(nèi)未溶的第二相減少，少量未完全固溶的灰白色組織為Fe相，說明固溶處理基本可使合金元素完全固溶于Cu基體中，但碳以石墨的形式呈團(tuán)簇狀存在，并未與銅基體形成固溶體，主要起潤滑減摩作用。圖2中均勻分布的黃色組織為α-Cu單相晶粒，銅晶粒周圍的少量黑灰色條狀與不規(guī)則形狀組織是石墨，銅基體中分散的黑色點(diǎn)狀組織是燒結(jié)后殘留的孔隙。從圖3所示的固溶處理后材料的背散射圖像及元素分布圖，也可看出Fe、Ni及Sn元素均勻分布于銅基體中，碳未與銅基體發(fā)生反應(yīng)，而是以獨(dú)立的石墨相存在。

圖1 燒結(jié)態(tài)銅基滑板材料的XRD譜Fig.1 XRD pattern of the sintered copper-based pantograph slider material

圖2 固溶前后銅基滑板材料的金相組織Fig.2 Metallographic microstructures of copper-based pantograph slider materials before and after solution treatment (a), (b) Before solution treatment; (c), (d) After solution treatment

圖3 固溶態(tài)銅基滑板材料的背散射圖像及元素分布圖Fig.3 BSE image and element distribution graph of copper-based pantograph slider materials after solution treatment (a) BSE image; (b) C element distribution; (c) Fe element distribution; (d) Ni element distribution; (e) Sn element distribution

2.2 硬度與電阻率

圖4所示為時(shí)效溫度與時(shí)間對(duì)銅基滑板材料硬度和電阻率的影響。從圖4(a)可看出，隨時(shí)效時(shí)間延長，材料的硬度升高到峰值然后下降。時(shí)效初期，第二相粒子不斷從基體中析出，析出相呈彌散分布并與基體保持著良好共格關(guān)系，故硬度升高；隨著殘余固溶體中溶質(zhì)原子的過飽和固溶度下降，第二相粒子的析出動(dòng)力下降，因此時(shí)效中期，合金的硬度上升變得緩慢；隨時(shí)效時(shí)間進(jìn)一步延長，析出顆粒長大變粗成為穩(wěn)定相，并且分散度降低，一部分析出相慢慢與基體不再保持共格或半共格關(guān)系，此時(shí)位錯(cuò)無法切過粗大的非共格析出相顆粒，只能繞過析出相顆粒，同時(shí)也因時(shí)效時(shí)間過長，晶粒長大、孿晶消失，使硬度在達(dá)到峰值后又隨時(shí)間延長而降低。時(shí)效溫度過高時(shí)，過飽和固溶體分解更快，晶粒粗化也越快，因而時(shí)效過程中硬度增加的幅度較小。

從圖4(b)可看出，時(shí)效初期(≤1 h)，合金的電阻率迅速下降。這是由于在時(shí)效初期，溶質(zhì)原子從固溶體中脫溶析出，基體晶格得到較快恢復(fù)，析出相對(duì)電子散射的能力及位錯(cuò)引起的電子散射的能力遠(yuǎn)小于固溶體對(duì)電子散射的能力，所以電阻率快速下降；隨后電阻率下降速度減緩，甚至略有增加，則是由于隨時(shí)間進(jìn)一步延長，基體中固溶元素含量減少，析出動(dòng)力減小，析出速度相應(yīng)變慢，因而電阻率下降變緩；時(shí)效時(shí)間超過3 h時(shí)，由于銅合金內(nèi)部達(dá)到相平衡，而析出相長大引起晶格畸變，增加電子散射，對(duì)電阻率產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，導(dǎo)致電阻率略有增加。從圖4所示結(jié)果可知，銅合金在500 ℃時(shí)效3 h，能獲得低電阻率和高硬度，分別為0.147 μ?·m和89 (HB)。

2.3 沖擊韌性與抗拉強(qiáng)度

圖4 時(shí)效溫度與時(shí)間對(duì)銅基滑板材料硬度和電阻率的影響Fig.4 Effects of aging time and temperature on hardness and electrical resistivity of copper-based pantograph slider materials

圖5 時(shí)效溫度與時(shí)間對(duì)銅基滑板材料抗拉強(qiáng)度與沖擊韌性的影響Fig.5 Effects of aging time and temperature on tensile strength and impact toughness of copper-based pantograph slider materials

圖5 所示為時(shí)效溫度與時(shí)間對(duì)銅基滑板材料抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性的影響。銅合金的時(shí)效強(qiáng)化滿足強(qiáng)化機(jī)制為Orowan機(jī)制和共格強(qiáng)化機(jī)制[18]。從圖5可見，時(shí)效初期，隨時(shí)效時(shí)間延長，材料的抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性快速升高，而后升高的速度變緩。這是由于時(shí)效初期，銅基體內(nèi)固溶體具有較大的過飽和度和較高的晶體缺陷密度，材料的自由能也較高，所以合金元素的熱力學(xué)析出傾向大，析出相細(xì)小且彌散分布，并與基體保持較好的共格關(guān)系，再加上過飽和空位的擴(kuò)散與部分消失，可促進(jìn)合金元素的擴(kuò)散，過飽和的溶質(zhì)元素以較快的速度析出，從而使銅基體的晶格畸變程度降低，故抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性迅速提高；隨時(shí)效時(shí)間延長，原子的擴(kuò)散能力變?nèi)?，脫溶析出?dòng)力減小，溶質(zhì)擴(kuò)散變緩，故強(qiáng)化效果減弱，合金抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性提高的速度變緩；當(dāng)時(shí)效時(shí)間超過3 h時(shí)，合金元素在基體中的溶解度增加已經(jīng)相當(dāng)緩慢，合金的過飽和度減小，溶質(zhì)原子的析出動(dòng)力減小了許多，析出相晶粒長大成為主導(dǎo)作用，與基體的共格關(guān)系受到破壞，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性出現(xiàn)下降。時(shí)效初期，時(shí)效溫度越高，強(qiáng)度提高越快。當(dāng)時(shí)效時(shí)間為3 h時(shí)，抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性達(dá)到峰值，隨時(shí)效時(shí)間繼續(xù)延長，出現(xiàn)過時(shí)效現(xiàn)象，抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性隨時(shí)間延長而降低。在500 ℃時(shí)效3 h的銅合金抗拉強(qiáng)度達(dá)到355.68 MPa，沖擊韌性為47.1 J/cm3，比未經(jīng)過時(shí)效處理的合金抗拉強(qiáng)度提高近120 MPa，沖擊韌性提高12 J/cm3左右。

表2所列為500 ℃時(shí)效3 h的銅基滑板材料性能與國家標(biāo)準(zhǔn)[19]對(duì)比?？梢娫摬牧虾芎玫貪M足我國銅基受電弓滑板的基本要求。

2.4 斷口形貌與合金強(qiáng)化相

圖6所示分別為燒結(jié)態(tài)與500 ℃時(shí)效處理3 h后的銅基滑板材料沖擊斷口SEM形貌。從圖中觀察到，

表2 500 ℃時(shí)效3 h的銅基滑板材料性能與國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比Table 2 Comparison of properties of the specimen and national standard

圖6 燒結(jié)態(tài)與500 ℃時(shí)效3 h的銅基滑板材料沖擊斷口SEM形貌Fig.6 SEM images of fracture surface of copper-based pantograph slider materials (a), (b) Sintered; (c), (d) After aging at 500 ℃ for 3 h

Standard 60~90 ≥7 ≤0.35 ≥120固溶時(shí)效處理前后材料的斷口均存在大量韌窩，韌窩的大小較一致且均勻分布于基體中。韌窩是塑性斷裂的典型微觀特征，這表明材料斷裂的方式以塑性斷裂為主，材料具有良好的塑性。但與固溶時(shí)效處理后的合金相比，未進(jìn)行固溶時(shí)效處理的銅合金韌窩較淺，斷裂時(shí)能吸收的能量較少，故沖擊韌性較低。另外，在時(shí)效過程中第二相粒子優(yōu)先在晶界析出并逐步擴(kuò)展在到晶粒內(nèi)部析出，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的釘扎作用，使晶粒間的結(jié)合力大大增強(qiáng)，故時(shí)效處理后材料的沖擊韌性較高。從圖6還觀察到一些孔隙，一定程度上使材料的強(qiáng)度降低。材料中的孔隙可能是由于材料在發(fā)生斷裂時(shí)形成縫隙、材料在燒結(jié)時(shí)由于沒來得及收縮而形成的燒結(jié)殘孔以及錫等合金元素在燒結(jié)時(shí)遷移而形成的殘孔，這表明可通過優(yōu)化材料制備工藝以及熱處理工藝來進(jìn)一步提高材料的強(qiáng)度。

圖7所示為500 ℃時(shí)效3 h后的銅基滑板材料TEM圖像、HRTEM圖像及衍射花樣標(biāo)定。由于納米級(jí)析出相的尺寸較小以及應(yīng)變而引入的襯度的影響，在100 nm尺度下仍然難以觀察到析出相具體的分布，通過圖7(a)中顏色的深淺分布，還是可以推斷出析出相在銅基體中是彌散分布的。對(duì)析出部位進(jìn)行選區(qū)電子衍射斑點(diǎn)標(biāo)定，發(fā)現(xiàn)析出相為六方相的Cu10Sn3。故以Cu10Sn3為強(qiáng)化相強(qiáng)化基體，提高銅基滑板材料的各項(xiàng)性能。

3 結(jié)論

1) 粉末冶金法制備的銅基滑板材料，Sn、Ni、Fe等元素均勻分布在基體中，經(jīng)過固溶與時(shí)效處理后，過飽和固溶體分解，第二相析出(如Cu10Sn3等)，析出相彌散分布在基體中形成沉淀相，從而提高合金強(qiáng)度和硬度以及改善組織結(jié)構(gòu)，而C以石墨的形式呈團(tuán)簇狀存在，未與銅基體發(fā)生反應(yīng)，主要起潤滑減摩作用。

圖7 銅基滑板材料500 ℃時(shí)效3 h后的TEM圖像、HRTEM圖像及衍射花樣標(biāo)定Fig.7 TEM image (a), HRTEM image (b) and diffraction pattern standardization (c) of copper-based pantograph slider materials aging treatment at 500 ℃ for 3 h

2) 隨時(shí)效時(shí)間延長，銅基滑板材料的硬度、沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度均先升高后降低，電阻率先下降后略有升高。隨時(shí)效溫度升高，銅基合金的各項(xiàng)性能都呈先增強(qiáng)后下降的趨勢(shì)。

3) 固溶態(tài)銅基滑板材料在500 ℃下時(shí)效處理3 h后，各項(xiàng)性能顯著提高，電阻率為0.147 μ?·m，硬度(HB)為89，抗拉強(qiáng)度為355.68 MPa，沖擊韌性47.1 J/cm2，可滿足我國銅基受電弓滑板的使用要求。

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(編輯 湯金芝)

Effect of aging treatment on microstructure and properties of urban rail transit copper-based pantograph slider

MOU Haohan, MA Shuai, XU Enze, WANG Xiaoyan, ZHANG Bin, ZHANG Ting, ZHONG Honghai, JIANGYang
(School of Materials Science and Engineering, Hefei University of technology, Hefei 230009, China)

Copper-based pantograph slider materials were prepared by powder metallurgy method, and proceed solution treatment at 830 ℃ for 2 h and water hardening treatment, and then aging treatment at 450 to 600 ℃ for 1?4 h. The aging treatment behaviors of copper-based pantograph slider materials were studied by testing the properties of the materials hardness, resistivity, impact toughness and tensile strength at different aging temperatures and times as well as observation and analysis of the microstructure and phase composition. The results show that, with increasing aging time, the hardness, impact toughness and tensile strength of copper-based pantograph slider materials increase firstly and then decrease, while the resistivity decreases firstly and then increases slightly. Various performance of copper-based pantograph slider materials all increase firstly and then decrease with increasing aging temperature. The fracture mechanisms of the materials both before and after aging treatment are plastic fracture, and the dimples after aging treatment are deeper, and the impact toughness is higher. After aging treatment at 500 ℃ for 3 h, the main phases are copper and graphite, and the nano hexagonal Cu10Sn3phase precipitates, which can strengthen the matrix and improve the properties of the materials. The performance of materials with electrical resistivity of 0.147 μ?·m, hardness HB of 89, tensile strength of 355.68 MPa, impact toughness of 47.1 J/cm2can be obtained, which can meet the requirements of national standards.

copper-based composite material; powder metallurgy; rail transit; pantograph slider; aging treatment; property; microstructure

TG156.92

A

1673-0224(2017)03-435-08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61076040)；教育部博士點(diǎn)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2012011111006)

2016?09?06；

2016?10?14

蔣陽，教授，博士。電話：0551-62904578；E-mail: apjiang@hfut.edu.cn