一種互不固溶銅-碳過飽和固溶體的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種材料的表面加工技術(shù)，尤其涉及一種互不固溶銅-碳過飽和固溶體的制備方法，此處所述的Cu-C體系指的是兩種原子之間在相圖上互不固溶、互不反應(yīng)形成合金相，具體為用于制備Cu-C過飽和固溶體。
【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)于互不固溶Cu-C體系，二者相容性極差，界面幾乎不潤(rùn)濕(Θ =170° )，導(dǎo)致Cu-C之間既無(wú)化學(xué)反應(yīng)，也無(wú)擴(kuò)散反應(yīng)，因此Cu-C過飽和固溶體中溶解碳的數(shù)量大于處于平衡狀態(tài)時(shí)溶解度的固溶體，屬于亞穩(wěn)定狀態(tài)的固溶；在摩擦過程中固溶到銅晶格中的碳原子由于受擠壓及熱的作用，碳原子析出在摩擦表面形成一層較為穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜，通過本身的自消耗來(lái)修復(fù)潤(rùn)滑膜，從而達(dá)到潤(rùn)滑和減摩作用，由此，具有銅碳過飽和固溶體的復(fù)合材料被廣泛的應(yīng)用于電器開關(guān)觸頭、電刷、電動(dòng)機(jī)受電弓滑板、自潤(rùn)滑軸承等領(lǐng)域。
[0003]對(duì)于在平衡條件下固溶度很小或具有正混合熱的互不固溶的體系，如Cu-Cr，Cu-Nb，Cu-Fe，Cu-Ag等，通過一定手段可以形成過飽和固溶體，其固溶度提高幾十甚至上百倍，實(shí)現(xiàn)了原子級(jí)的固溶；常見的方法之一是采用機(jī)械合金化:通過高能球磨使粉末經(jīng)受反復(fù)的變形、冷焊、破碎，達(dá)到元素間原子水平合金化的復(fù)雜物理化學(xué)過程，從而得到Cu-C過飽和固溶體，而粉末冶金法由于其工序簡(jiǎn)單、材料使用率高、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，是Cu-C復(fù)合材料零部件常用的制造方法；但實(shí)際上，粉末冶金銅基復(fù)合材料銅碳之間只是機(jī)械互鎖，界面結(jié)合力非常低，其原因就是Cu-C體系屬于互不固溶體系，銅與碳之間的相溶性極差，嚴(yán)重降低了粉末的燒結(jié)性能；為了改善銅碳相溶性，可以通過晶體缺陷來(lái)促進(jìn)Cu、C原子之間的擴(kuò)散，從而獲得Cu-C過飽和固溶體，以此來(lái)增強(qiáng)銅碳界面之間的結(jié)合。理論上來(lái)講，晶體缺陷(包括位錯(cuò)、空位和晶界等)破壞了晶體結(jié)構(gòu)的完整性，下降了溶質(zhì)代為擴(kuò)散的能皇，可能為互不固溶體系原子之間擴(kuò)散提供較快的通道，從而使互不固溶體系基體原子之間擴(kuò)散成為可能。
[0004]實(shí)際上在一定溫度下，金屬工件基體中存在一定平衡的晶體缺陷濃度，但這種晶體缺陷濃度、形式是不足以支持互不固溶、互不反應(yīng)的金屬原子之間產(chǎn)生擴(kuò)散的，需要通過一定技術(shù)手段來(lái)增大晶體缺陷濃度、改變?nèi)毕菪问健?br>[0005]研究結(jié)果表明，高能電子束輻照樣品不足以使樣品表面產(chǎn)生碰撞離位，因此電子束能量主要以瞬間轉(zhuǎn)變成熱量的形式與被輻照材料產(chǎn)生相互作用而誘發(fā)應(yīng)力，在材料表面形成包括大量空位的晶體缺陷，包括晶格畸變、空位、位錯(cuò)，缺陷層內(nèi)缺陷的濃度比平衡高的多；強(qiáng)流脈沖電子書(HCPEB)技術(shù)是近年來(lái)廣泛應(yīng)用的一種表面改性技術(shù)，在輻照過程中束流能量能達(dá)到十幾千電子伏，電子束的短脈沖式加熱，使得材料中的熔化及凝固過程在十分短的時(shí)間內(nèi)完成，在表面產(chǎn)生的晶體缺陷濃度、形式將很有可能使得互不固溶、互不反應(yīng)的金屬元素之間發(fā)生擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)互不固溶體系之間固溶的效果。
[0006]鑒于以上技術(shù)問題，本發(fā)明公開一種互不固溶Cu-C過飽和固溶體的制備方法，該工藝?yán)肏CPEB輻照金屬材料表面誘發(fā)的晶體損傷和缺陷來(lái)實(shí)現(xiàn)互不固溶、互不反應(yīng)體系元素之間的擴(kuò)散，在材料表面形成一種Cu-C過飽和固溶體。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]為了解決【背景技術(shù)】中存在的問題，本發(fā)明公開一種互不固溶Cu-C過飽和固溶體的制備方法，利用HCPEB技術(shù)輻照Cu-C復(fù)合材料基體，解決粉末冶金制備的復(fù)合材料表層銅碳之間僅僅機(jī)械互鎖，界面結(jié)合的問題；輻照過程中誘發(fā)的各種晶體缺陷，如位錯(cuò)、空位和晶界等為互不固溶Cu、C原子之間提供了擴(kuò)散的通道，在材料表層形成銅碳過飽和固溶體。
[0008]本發(fā)明公開一種互不固溶Cu-C過飽和固溶體的制備方法，在所述Cu-C復(fù)合材料基體表層誘發(fā)大量晶體缺陷和超細(xì)晶，所述的Cu-C復(fù)合材料基體表層形成Cu-C過飽和固溶體，所述的晶體缺陷和超細(xì)晶是通過HCPEB輻照技術(shù)獲得，所述的Cu-C過飽和固溶體是晶體缺陷和超細(xì)晶擴(kuò)散所得，所述的Cu-C復(fù)合材料基體是通過粉末冶金制得。
[0009]本發(fā)明提供的一種互不固溶Cu-C過飽和固溶體的制備方法，主要包括以下步驟: (I)通過球磨混合銅粉和碳粉，在壓片機(jī)上壓制成模，然后通過真空燒結(jié)得到Cu-C復(fù)合材料基體。
[0010](2)對(duì)Cu-C復(fù)合材料基體進(jìn)行打磨、拋光，完成預(yù)處理。
[0011](3)利用HCPEB技術(shù)輻照處理Cu-C復(fù)合材料基體誘發(fā)各種晶體缺陷和大量超細(xì)晶晶界來(lái)促進(jìn)Cu、C原子之間的擴(kuò)散獲得過飽和固溶體。
[0012]所述步驟(I)中球磨的銅粉和碳粉顆粒度為100~500目，按照銅碳重量比100:6進(jìn)行混合得到粉末混合粉體；混合均勻的粉體倒進(jìn)壓膜的模具中，放入壓膜機(jī)，在30~300MPa的壓力下壓制l~20h ;將坯料放入真空燒結(jié)爐中進(jìn)行階段升溫?zé)Y(jié)，具體為:以50C /min升溫到400°C，達(dá)到400°C后保溫30min，之后再以10°C /min升溫到800°C，最后在800°C下保溫60min。
[0013]所述步驟(2)中所述的打磨指:依次采用400-1200目數(shù)的砂紙進(jìn)行打磨，拋光采用的金剛石拋光劑粒度為0.5Mm。
[0014]所述步驟(3)中采用的HCPEB輻照技術(shù)，選擇真空度P彡8X 10 3 Pa，束斑直徑為60cm,脈沖電子束能量為20~40keV，能量密度為4~20J/cm2，輻照次數(shù)為1~30次，靶源距離15?20cmo
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
HCPEB輻照做為一種極限加工技術(shù)，在表面改性的同時(shí)能夠引起材料表面快速而強(qiáng)烈的微觀應(yīng)力進(jìn)而造成損傷乃至破壞，在輻照過程中，HCPEB能量傳遞給晶體點(diǎn)陣可使點(diǎn)陣上原子脫離正常的晶體點(diǎn)陣位置，進(jìn)而誘發(fā)大量的晶體缺陷為Cu、C原子之間的擴(kuò)散提供了通道；并且，在極為快速的凝固條件下，電子束輻照產(chǎn)生的大量的熔體大量形核但晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大，從而輻照表面形成超細(xì)晶結(jié)構(gòu)，這些超細(xì)晶晶界也為原子之間的擴(kuò)散提供有利的通道，從而獲得大量的過飽和固溶體；此外，本發(fā)明采用的燒結(jié)處理和HCPEB處理技術(shù)都是在真空室內(nèi)進(jìn)行，避免了材料在高溫處理過程中氧化或者氮化，可以獲得純凈的處理面。
[0016]本發(fā)明中，上述公開了一種具有Cu-C過飽和固溶復(fù)合材料及其制備方法，該工藝通過改變HCPEB輻照技術(shù)參數(shù)實(shí)現(xiàn)Cu-C復(fù)合材料中互不固溶Cu、C原子之間擴(kuò)散，制備出具有的Cu-C過飽和銅碳固溶復(fù)合材料。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明具有Cu-C過飽和銅碳固溶復(fù)合材料表面X射線衍射分析(XRD)圖。
[0018]圖2為本發(fā)明輻照I次Cu-C過飽和固溶復(fù)合材料超細(xì)晶結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡(SEM)分析圖。
[0019]圖3為本發(fā)明輻照5次Cu-C過飽和固溶復(fù)合材料超細(xì)晶結(jié)構(gòu)的SEM分析圖。
[0020]圖4為本發(fā)明20次輻照后Cu-C過飽和固溶復(fù)合材料表面超細(xì)晶結(jié)構(gòu)的SEM分析圖。
[0021]圖5為本發(fā)明20次輻照后Cu-C過飽和固溶復(fù)合材料表面超細(xì)晶結(jié)構(gòu)的化學(xué)成分(EDS)能譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合具體實(shí)施實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
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