Ni含量對CuNiAl合金導(dǎo)電率及摩擦性能的影響

王永鋒，曹 靜

（西安航空學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710077）

由于具有較高的強(qiáng)度、硬度、優(yōu)異的耐腐蝕性、僅次于銀的導(dǎo)電性和良好的耐熱性，銅合金成為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要作用的一類金屬材料，且在許多領(lǐng)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(dǎo)線框架等電工材料。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和交通運(yùn)輸市場競爭的加劇，提高鐵路運(yùn)營速度已成為一個(gè)亟待解決的重要課題，其要求接觸線材料在具有良好導(dǎo)電性的同時(shí)，還應(yīng)具有高的機(jī)械強(qiáng)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(qiáng)度低，易斷線、弓網(wǎng)故障高等缺點(diǎn)。因此，制備出一種集合良好導(dǎo)電性、強(qiáng)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(dǎo)電性能，但較低強(qiáng)度大大限制了其在工程領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，在保證高導(dǎo)電性的基礎(chǔ)上，提高Cu基合金的強(qiáng)度成為目前高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的研究焦點(diǎn)。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(rèn)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(dǎo)率影響不大，使Ni－Al系金屬間化合物被認(rèn)為是Cu基體上理想的增強(qiáng)材料。鑒于CuNiAl合金潛在的優(yōu)異的力學(xué)性能、摩擦磨損性能、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性等，高性能新型CuNiAl合金材料已經(jīng)成為國內(nèi)外專家研究熱點(diǎn)。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)過程

1.1 原料

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)需要，設(shè)計(jì)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(jié)爐采用近平衡凝固實(shí)驗(yàn)制備試樣。首先，將稱量好的試樣按位置放入到預(yù)先準(zhǔn)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(jié)爐中。先對燒結(jié)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(dǎo)率測試

電導(dǎo)率的測試在7501型渦流電導(dǎo)儀（ECA）上進(jìn)行，并根據(jù)國際YS／T478－2005進(jìn)行測試和相關(guān)數(shù)據(jù)處理。測試前應(yīng)將測試面磨平、尺寸均勻，用細(xì)砂紙除去表面氧化皮，再用酒精清洗，烘干后進(jìn)行測量。將渦流電導(dǎo)儀分別用高值標(biāo)準(zhǔn)試塊和低值標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行校準(zhǔn)，測量時(shí)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(dǎo)率數(shù)值，測量7次取平均值作為材料的電導(dǎo)率值。將所測的數(shù)據(jù)用公式（導(dǎo)電率%IACS＝σ／58.0×100%）轉(zhuǎn)化為國際標(biāo)準(zhǔn)退火銅（%IACS）導(dǎo)電率。其中式中σ為材料的電導(dǎo)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(yàn)機(jī)上進(jìn)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(yàn)的準(zhǔn)確性，在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上對試樣進(jìn)行1500＃砂紙的預(yù)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(jī)清洗干凈后，稱量試樣摩擦前的質(zhì)量，再將試樣置于試驗(yàn)機(jī)上與45鋼對磨片進(jìn)行對磨，載荷為5N，對磨時(shí)間15min，摩擦半徑8mm，電機(jī)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(jìn)行高度和質(zhì)量進(jìn)行測試，對微觀形貌進(jìn)行電鏡分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 硬度分析

圖1為Cu含量95%時(shí)不同Ni、Al比的各個(gè)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(dǎo)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(zhì)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(qiáng)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(qiáng)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(xué)性能。

2.2 CuNiAl合金的導(dǎo)電率分析

Cu含量為95%時(shí)合金的導(dǎo)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(dǎo)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(zhì)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(dǎo)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(shí)不同鎳鋁比的試樣磨損微觀形貌圖。設(shè)定儀器的參數(shù)為：載荷5N，頻率7.5Hz，時(shí)間14.2min，距離為300m。整體來看，合金的表面磨損很嚴(yán)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(shí)，合金表面黏著磨損比較嚴(yán)重，黏著脫落的合金塊較多，在隨后的反復(fù)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(dāng)鎳含量增加時(shí)，合金的表面仍有比較嚴(yán)重的黏著磨損，但是有所減輕，在磨損表面產(chǎn)生塑性變形，如圖3（c）中的形貌，同時(shí)在磨損表面出現(xiàn)較小的磨粒。當(dāng)Ni／Al為3：1，Ni含量達(dá)到最大值時(shí)，合金黏著磨損進(jìn)一步減輕，脫落物明顯減少，但是在磨損表面產(chǎn)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(yīng)的對磨盤形貌。對磨盤形貌為圓形，內(nèi)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(chǎn)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(jié)語

本文采用近平衡凝固實(shí)驗(yàn)制取了不同配比的CuNiAl合金，通過對試樣的硬度、導(dǎo)電率及摩擦磨損性能進(jìn)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(dǎo)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(qiáng)化效果，減弱了合金基體的黏著磨損。

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