純銅機械沉積鎳處理后的變化論文

時(shí)間:2022-12-17 01:28:57 機械/重工/工業(yè)自動(dòng)化 我要投稿
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純銅機械沉積鎳處理后的變化論文

  1引言

純銅機械沉積鎳處理后的變化論文

  表面機械研磨處理(surfacemechanicalattritiontreatment,SMAT)是通過(guò)鋼球任意方向不斷重復對試樣表面進(jìn)行碰撞,引起表面層的塑性變形,導致表面層晶粒細化,表面硬度提高,并形成大量非平衡晶界[1-3]。納米化表面的化學(xué)活性提高,加速了物質(zhì)的傳遞,提高了合金元素的互擴散系數[4,5]。機械合金化(mechanicalalloying,MA)是常用的一種制備粉體混合物的方法,可以細化晶粒及制備亞穩相和非晶合金[6-8]。Kobayashi等[9]在機械合金化過(guò)程中發(fā)現磨球和容器壁上附著(zhù)有一層厚度不等的粉末,該現象可以被用來(lái)在容器壁上形成附著(zhù)層[10,11],利用磨球的碰撞激活表面,加速粉體顆粒粘著(zhù)于表面。機械合金化可利用機械沉積來(lái)強化粉末層與基體的結合[12]。通過(guò)在材料表面機械沉積硬質(zhì)層,使粉末合金在機械強化的作用下壓入基體表面,引起基體材料的變形甚至形成新的中間化合物[13,14]。

  將SMAT處理和機械合金化處理相結合,利用材料表面納米晶組織較高的活性和機械合金化的作用,在SMAT過(guò)程中添加某種合金元素,從而實(shí)現機械沉積,在材料的表面獲得高性能的復相表層,可望使用傳統金屬材料取代造價(jià)昂貴的復合材料提供一種新的方法。

  本文采用純銅表面機械研磨時(shí),在試樣罐中添加鎳粉,在純銅表面形成一定厚度的機械沉積鎳層,分析了機械沉積對試樣組織結構、成分分布及其性能的影響。

  2實(shí)驗材料及方法

  將純銅板進(jìn)行真空退火處理后,用金相砂紙將試樣表面打磨平整后,用酒精清洗表面油污。機械沉積過(guò)程在SNC-1金屬材料表面納米化試驗機上進(jìn)行。將10g鎳粉與鋼球置于容器底部,在系統高頻率的振蕩下,鋼球和鎳粉不斷在任意方向重復撞擊試樣表面,試樣表面經(jīng)受高應變速率和大應變量發(fā)生強烈的塑性變形,表面層在晶粒細化的同時(shí)進(jìn)行機械沉積。表面機械沉積鎳處理的工藝參數為:GCr15鋼球直徑為8mm,系統振動(dòng)頻率為50Hz,機械沉積處理時(shí)間分別為30、120、240和480min。

  機械沉積鎳試樣采用Y-2000型X射線(xiàn)衍射儀(XRD)進(jìn)行表征分析。采用CuKα靶,掃描速度為0.05°/s-1,掃描角度范圍30~100°,管電壓30kV,管電流20mA。采用MBA2100金相顯微鏡對機械沉積鎳試樣的組織形貌進(jìn)行觀(guān)察。試樣表面和橫截面形貌利用JSM-6700F型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行分析。表層成分分布采用PROFILER2型輝光放電光譜儀(GDS)進(jìn)行測量。利用金相顯微硬度測量?jì)x(型號M-400-H1)測量機械沉積鎳試樣表面及沿橫截面在不同厚度處的顯微硬度。施加載荷設置為10g,持續時(shí)間設置為10s。

  3實(shí)驗結果與討論

 。常睓C械沉積鎳試樣的顯微組織

  機械沉積處理不同時(shí)間試樣的X衍射圖譜見(jiàn)圖1。機械研磨處理30min后,在試樣的表面已形成一定厚度的沉積鎳層,從圖1中可以看到銅、鎳的衍射峰,并且沒(méi)有其它雜質(zhì)元素的出現。隨著(zhù)處理時(shí)間的延長(cháng),衍射峰寬化,從而證明晶粒細化。X射線(xiàn)衍射峰的寬化主要是由晶粒細化、微觀(guān)應力增加和儀器寬化共同引起。對于不同的試樣,儀器的寬化效應不變,所以X射線(xiàn)衍射峰的變化主要是由表面機械研磨處理試樣的晶粒尺寸和微觀(guān)應變引起的。根據Scherrer-Wilson方程,扣除儀器寬化效應后,試樣表面的晶粒尺寸及微觀(guān)應變隨處理時(shí)間的變化如圖2所示。表面機械研磨30min后,表面層平均晶粒尺寸為65.1nm,隨著(zhù)處理時(shí)間的延長(cháng),晶粒尺寸逐漸減小,240min時(shí)平均晶粒尺寸達到30.2nm。但與純銅表面機械研磨處理相比,添加Ni粉后,試樣表面的晶粒尺寸相對較大。微觀(guān)應變隨著(zhù)處理時(shí)間的延長(cháng)逐漸增加,在處理240min后,試樣表面層中微觀(guān)應變值為0.18%,相對于純銅的SMAT處理,微觀(guān)應變值減小。這可能是由于Ni粉的添加,使鋼球在碰撞過(guò)程中,增大了彈性碰撞,減小了鋼球撞擊試樣的動(dòng)能,使試樣表面的應變量及應變速率減小。

  圖3中顯示了機械沉積鎳后試樣橫截面的形貌,從圖3(a)可以看出,機械研磨處理30min后試樣表面沉積鎳層的厚度達到了10μm,沉積鎳層不均勻,中間有空洞,致密度不高。在機械研磨開(kāi)始階段,Ni粉微粒通過(guò)冷焊接的方式鑲嵌在純銅的表面,通過(guò)鋼球的不斷重復撞擊試樣表面,使鎳粉及其微團在不斷研磨的作用下逐漸壓實(shí)。隨著(zhù)處理時(shí)間的延長(cháng),表面沉積鎳層不斷在重復著(zhù)焊合、壓延、剝落的過(guò)程,鎳層厚度不斷增加,但是超過(guò)240min后,沉積鎳層的厚度達到42μm左右,基本上不再發(fā)生變化,如圖3(b)~(d)所示。沉積鎳層在表面機械研磨處理過(guò)程中受到鋼球的不斷撞擊,發(fā)生塑性變形,晶粒不斷細化,沉積鎳層逐漸密實(shí),但由于強烈的塑性變形,使壓實(shí)的鎳層在不斷的碰撞作用下產(chǎn)生一些微裂紋(如圖3(c)中箭頭所示)。

  圖4為純銅表面機械研磨處理機械沉積鎳后試樣的表面形貌。從圖4可以看出來(lái),機械沉積鎳層的表面形貌明顯地受到處理時(shí)間的影響。機械沉積鎳30min后,試樣表面的沉積鎳層主要通過(guò)鎳粉的鑲嵌及機械壓延鑲嵌于銅基體上,鎳層表面較為粗糙,主要為鎳粉微團的壓延狀,鋼球的不斷碰撞,使沉積鎳層出現剝落,而導致鎳層質(zhì)地比較疏松,有部分基體暴露于表面(如圖4(a)中箭頭所示)。隨著(zhù)處理時(shí)間的延長(cháng),鋼球不斷撞擊試樣表面,表面沉積鎳層在焊合、壓延、剝落的過(guò)程中越來(lái)越致密,鎳層表面的粗糙度相對減小而趨于光滑,同時(shí)晶粒不斷細化,但由于鋼球對試樣表面的不斷碰撞,造成表面的加工硬化而出現裂紋及剝落現象。圖5為純銅表面機械沉積鎳后試樣橫截面的成分分布。通過(guò)輝光放電(GDS)分析,機械沉積不同時(shí)間后Ni、Cu、Fe元素含量從表面沿著(zhù)深度方向的變化情況可從圖5看出,機械沉積30min后,從表面至深度10μm為沉積鎳層,但由于表面粗糙,鎳層厚度較薄,而且沉積鎳層疏松,有部分銅基體暴露于表面,使表層中銅的含量較高。隨著(zhù)處理時(shí)間的延長(cháng),鎳層厚度增加。

 。常矙C械沉積鎳層對性能的影響

  機械沉積鎳后試樣硬度沿深度方向的變化如圖6所示。從圖6中可以看出,表面鎳層的硬度明顯提高,機械研磨沉積鎳30min后,從試樣硬度隨著(zhù)深度的變化圖中可以看出,在10μm內硬度的變化較小,隨后急劇下降,達到變形層的深度范圍時(shí),硬度值變化不大。400μm以后硬度迅速下降,在600μm左右基本上達到與粗晶基體一致的硬度值。隨著(zhù)處理時(shí)間的延長(cháng),表面鎳層厚度增加,密度增大,相應的硬度也隨之增大,在機械研磨240min后,表面的硬度達到1.9GPa。

  4結論

  純銅表面經(jīng)過(guò)不同時(shí)間的機械沉積鎳處理后,在試樣表面上形成了厚度不同的沉積納米晶鎳層,240min后鎳層厚度達到42μm左右,平均晶粒尺寸達到30.2nm。機械沉積鎳后試樣表面的硬度得到了提高。

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