一种互不固溶铜-碳过饱和固溶体的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种材料的表面加工技术，尤其涉及一种互不固溶铜-碳过饱和固溶体的制备方法，此处所述的Cu-C体系指的是两种原子之间在相图上互不固溶、互不反应形成合金相，具体为用于制备Cu-C过饱和固溶体。
【背景技术】
[0002]对于互不固溶Cu-C体系，二者相容性极差，界面几乎不润湿(Θ =170° )，导致Cu-C之间既无化学反应，也无扩散反应，因此Cu-C过饱和固溶体中溶解碳的数量大于处于平衡状态时溶解度的固溶体，属于亚稳定状态的固溶；在摩擦过程中固溶到铜晶格中的碳原子由于受挤压及热的作用，碳原子析出在摩擦表面形成一层较为稳定的润滑膜，通过本身的自消耗来修复润滑膜，从而达到润滑和减摩作用，由此，具有铜碳过饱和固溶体的复合材料被广泛的应用于电器开关触头、电刷、电动机受电弓滑板、自润滑轴承等领域。
[0003]对于在平衡条件下固溶度很小或具有正混合热的互不固溶的体系，如Cu-Cr，Cu-Nb，Cu-Fe，Cu-Ag等，通过一定手段可以形成过饱和固溶体，其固溶度提高几十甚至上百倍，实现了原子级的固溶；常见的方法之一是采用机械合金化:通过高能球磨使粉末经受反复的变形、冷焊、破碎，达到元素间原子水平合金化的复杂物理化学过程，从而得到Cu-C过饱和固溶体，而粉末冶金法由于其工序简单、材料使用率高、能耗低等优点，是Cu-C复合材料零部件常用的制造方法；但实际上，粉末冶金铜基复合材料铜碳之间只是机械互锁，界面结合力非常低，其原因就是Cu-C体系属于互不固溶体系，铜与碳之间的相溶性极差，严重降低了粉末的烧结性能；为了改善铜碳相溶性，可以通过晶体缺陷来促进Cu、C原子之间的扩散，从而获得Cu-C过饱和固溶体，以此来增强铜碳界面之间的结合。理论上来讲，晶体缺陷(包括位错、空位和晶界等)破坏了晶体结构的完整性，下降了溶质代为扩散的能皇，可能为互不固溶体系原子之间扩散提供较快的通道，从而使互不固溶体系基体原子之间扩散成为可能。
[0004]实际上在一定温度下，金属工件基体中存在一定平衡的晶体缺陷浓度，但这种晶体缺陷浓度、形式是不足以支持互不固溶、互不反应的金属原子之间产生扩散的，需要通过一定技术手段来增大晶体缺陷浓度、改变缺陷形式。
[0005]研究结果表明，高能电子束辐照样品不足以使样品表面产生碰撞离位，因此电子束能量主要以瞬间转变成热量的形式与被辐照材料产生相互作用而诱发应力，在材料表面形成包括大量空位的晶体缺陷，包括晶格畸变、空位、位错，缺陷层内缺陷的浓度比平衡高的多；强流脉冲电子书(HCPEB)技术是近年来广泛应用的一种表面改性技术，在辐照过程中束流能量能达到十几千电子伏，电子束的短脉冲式加热，使得材料中的熔化及凝固过程在十分短的时间内完成，在表面产生的晶体缺陷浓度、形式将很有可能使得互不固溶、互不反应的金属元素之间发生扩散，从而实现互不固溶体系之间固溶的效果。
[0006]鉴于以上技术问题，本发明公开一种互不固溶Cu-C过饱和固溶体的制备方法，该工艺利用HCPEB辐照金属材料表面诱发的晶体损伤和缺陷来实现互不固溶、互不反应体系元素之间的扩散，在材料表面形成一种Cu-C过饱和固溶体。
【发明内容】
[0007]为了解决【背景技术】中存在的问题，本发明公开一种互不固溶Cu-C过饱和固溶体的制备方法，利用HCPEB技术辐照Cu-C复合材料基体，解决粉末冶金制备的复合材料表层铜碳之间仅仅机械互锁，界面结合的问题；辐照过程中诱发的各种晶体缺陷，如位错、空位和晶界等为互不固溶Cu、C原子之间提供了扩散的通道，在材料表层形成铜碳过饱和固溶体。
[0008]本发明公开一种互不固溶Cu-C过饱和固溶体的制备方法，在所述Cu-C复合材料基体表层诱发大量晶体缺陷和超细晶，所述的Cu-C复合材料基体表层形成Cu-C过饱和固溶体，所述的晶体缺陷和超细晶是通过HCPEB辐照技术获得，所述的Cu-C过饱和固溶体是晶体缺陷和超细晶扩散所得，所述的Cu-C复合材料基体是通过粉末冶金制得。
[0009]本发明提供的一种互不固溶Cu-C过饱和固溶体的制备方法，主要包括以下步骤: (I)通过球磨混合铜粉和碳粉，在压片机上压制成模，然后通过真空烧结得到Cu-C复合材料基体。
[0010](2)对Cu-C复合材料基体进行打磨、抛光，完成预处理。
[0011](3)利用HCPEB技术辐照处理Cu-C复合材料基体诱发各种晶体缺陷和大量超细晶晶界来促进Cu、C原子之间的扩散获得过饱和固溶体。
[0012]所述步骤(I)中球磨的铜粉和碳粉颗粒度为100~500目，按照铜碳重量比100:6进行混合得到粉末混合粉体；混合均匀的粉体倒进压膜的模具中，放入压膜机，在30~300MPa的压力下压制l~20h ;将坯料放入真空烧结炉中进行阶段升温烧结，具体为:以50C /min升温到400°C，达到400°C后保温30min，之后再以10°C /min升温到800°C，最后在800°C下保温60min。
[0013]所述步骤(2)中所述的打磨指:依次采用400-1200目数的砂纸进行打磨，抛光采用的金刚石抛光剂粒度为0.5Mm。
[0014]所述步骤(3)中采用的HCPEB辐照技术，选择真空度P彡8X 10 3 Pa，束斑直径为60cm,脉冲电子束能量为20~40keV，能量密度为4~20J/cm2，辐照次数为1~30次，靶源距离15?20cmo
[0015]与现有技术相比，本发明的优点是:
HCPEB辐照做为一种极限加工技术，在表面改性的同时能够引起材料表面快速而强烈的微观应力进而造成损伤乃至破坏，在辐照过程中，HCPEB能量传递给晶体点阵可使点阵上原子脱离正常的晶体点阵位置，进而诱发大量的晶体缺陷为Cu、C原子之间的扩散提供了通道；并且，在极为快速的凝固条件下，电子束辐照产生的大量的熔体大量形核但晶粒来不及长大，从而辐照表面形成超细晶结构，这些超细晶晶界也为原子之间的扩散提供有利的通道，从而获得大量的过饱和固溶体；此外，本发明采用的烧结处理和HCPEB处理技术都是在真空室内进行，避免了材料在高温处理过程中氧化或者氮化，可以获得纯净的处理面。
[0016]本发明中，上述公开了一种具有Cu-C过饱和固溶复合材料及其制备方法，该工艺通过改变HCPEB辐照技术参数实现Cu-C复合材料中互不固溶Cu、C原子之间扩散，制备出具有的Cu-C过饱和铜碳固溶复合材料。
【附图说明】
[0017]图1为本发明具有Cu-C过饱和铜碳固溶复合材料表面X射线衍射分析(XRD)图。
[0018]图2为本发明辐照I次Cu-C过饱和固溶复合材料超细晶结构的扫描电子显微镜(SEM)分析图。
[0019]图3为本发明辐照5次Cu-C过饱和固溶复合材料超细晶结构的SEM分析图。
[0020]图4为本发明20次辐照后Cu-C过饱和固溶复合材料表面超细晶结构的SEM分析图。
[0021]图5为本发明20次辐照后Cu-C过饱和固溶复合材料表面超细晶结构的化学成分(EDS)能谱图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明。
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