【摘 要】
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当前,导轨是铜基复合材料的热门应用之一,其不但有高导电、高强度的要求,还有耐磨性、抗电弧烧蚀性及耐腐蚀性等性能的需求。现铜基复合材料大都采用合金化、固溶强化、形变强化等方式来提升力学性能、改善显微组织结构。导轨材料为适应更苛刻的工况条件（如大工作电流、高速率磨擦等）,需要更高的强度、导电性、耐磨性、抗电弧烧蚀性等性能。本文针对目前存在的需求,提出了表层颗粒增强铜基复合材料与芯部高纯铜材料进行梯度复
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当前,导轨是铜基复合材料的热门应用之一,其不但有高导电、高强度的要求,还有耐磨性、抗电弧烧蚀性及耐腐蚀性等性能的需求。现铜基复合材料大都采用合金化、固溶强化、形变强化等方式来提升力学性能、改善显微组织结构。导轨材料为适应更苛刻的工况条件（如大工作电流、高速率磨擦等）,需要更高的强度、导电性、耐磨性、抗电弧烧蚀性等性能。本文针对目前存在的需求,提出了表层颗粒增强铜基复合材料与芯部高纯铜材料进行梯度复合的方式,优选了梯度铜基复合材料制备方法,并研究了其组织与各项性能。文中重点介绍了 Cu-0.7Cr-0.12Zr-0.1Ag-0.12Nb-1SiC-0.5Gr（石墨）-2W/Cu 梯度复合材料电磁感应熔炼与真空自耗熔炼的两种制备方法,优选出了最佳制备方法,并设计了表层与芯部的结构比例,分析对比了梯度铜基复合材料在不同累积变形量下,显微组织、导电性能与力学性能的变化规律。同时,将梯度铜基复合材料与现役导轨材料Cu-0.7Cr-0.1 2Zr合金进行对比实验,测试并研究了梯度铜基复合材料与现役导轨材料的摩擦磨损性能与抗电弧烧蚀性能。根据上述实验方案和测试方法,其实验结果如下:（1）优化了梯度铜基复合材料的制备方法。根据对电磁感应熔炼与真空自耗熔炼两种方法所制备的梯度铜基复合材料显微组织、力学性能与导电性能的对比分析,优选出了显微组织中功能相无团聚、成分均匀、基体致密,且力学性能与导电性能稳定的方法。其具体制备方法为:等静压混料制坯+真空自耗熔炼+1000℃熔渗1 h+950℃固溶处理2 h+旋锻冷变形加工+450℃时效处理4 h。（2）根据欧姆定律与胡克定律,设计了梯度铜基复合材料表层与芯部的结构比例,分析对比了梯度铜基复合材料在不同累积变形量下,显微组织、导电性能与力学性能的变化规律。结果表明:随累积变形量的增大,试样中晶粒的取向一致性增强,析出相与颗粒相附近的位错密度增加;试样的导电率略有提升,抗拉强度有较大提升。性能最佳试样为表层与芯部横截面积比为1:3.8的梯度铜基复合材料,导电率为90.3%IACS,抗拉强度为468 MPa。（3）摩擦磨损实验中,当载荷5N～20N时,摩擦系数随载荷增加而降低,梯度铜基复合材料较现役导轨材料摩擦系数平均降低了 0.08,磨损率随载荷增加而增加,梯度铜基复合材料较现役导轨材料磨损率平均降低了 2.7×10-6 cm3·N-1·m-1;当摩擦速度0.0448m/s～0.1792 m/s时,摩擦系数与磨损率随摩擦速度的增加,均呈先降低、后恒定的趋势,梯度铜基复合材料较现役导轨材料摩擦系数降低了 0.08,磨损率平均降低了1.97×10-6 cm3·N-1·m-1。可以得知,摩擦过程中,随载荷与摩擦速度变化,梯度铜基复合材料相比现役导轨材料,摩擦系数与磨损率均有稳定提升。（4）电弧烧蚀实验中,当电弧烧蚀次数在30～150次时,烧蚀率随烧蚀次数的增多,呈现先逐渐增长,后略微下降的趋势,梯度铜基复合材料较现役导轨材料烧蚀率平均降低了 67.3 μg/C;当烧蚀电流密度在100A/mm2～500A/mm2时,烧蚀率随电流密度的增大,呈现先逐渐增长,后略微下降的趋势,梯度铜基复合材料较现役导轨材料烧蚀率平均降低了 73.1 μg/C。
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