纯铜机械沉积镍处理后的变化

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1引言

表面机械研磨处理（surfacemechanicalattritiontreatment，SMAT）是通过钢球任意方向不断重复对试样表面进行碰撞，引起表面层的塑性变形，导致表面层晶粒细化，表面硬度提高，并形成大量非平衡晶界［1－3］。纳米化表面的化学活性提高，加速了物质的传递，提高了合金元素的互扩散系数［4，5］。机械合金化（mechanicalalloying，MA）是常用的一种制备粉体混合物的方法，可以细化晶粒及制备亚稳相和非晶合金［6－8］。Kobayashi等［9］在机械合金化过程中发现磨球和容器壁上附着有一层厚度不等的粉末，该现象可以被用来在容器壁上形成附着层［10，11］，利用磨球的碰撞激活表面，加速粉体颗粒粘着于表面。机械合金化可利用机械沉积来强化粉末层与基体的结合［12］。通过在材料表面机械沉积硬质层，使粉末合金在机械强化的作用下压入基体表面，引起基体材料的变形甚至形成新的中间化合物［13，14］。

将SMAT处理和机械合金化处理相结合，利用材料表面纳米晶组织较高的活性和机械合金化的作用，在SMAT过程中添加某种合金元素，从而实现机械沉积，在材料的表面获得高性能的复相表层，可望使用传统金属材料取代造价昂贵的复合材料提供一种新的方法。

本文采用纯铜表面机械研磨时，在试样罐中添加镍粉，在纯铜表面形成一定厚度的机械沉积镍层，分析了机械沉积对试样组织结构、成分分布及其性能的影响。2实验材料及方法将纯铜板进行真空退火处理后，用金相砂纸将试样表面打磨平整后，用酒精清洗表面油污。机械沉积过程在SNC－1金属材料表面纳米化试验机上进行。将10g镍粉与钢球置于容器底部，在系统高频率的振荡下，钢球和镍粉不断在任意方向重复撞击试样表面，试样表面经受高应变速率和大应变量发生强烈的塑性变形，表面层在晶粒细化的同时进行机械沉积。表面机械沉积镍处理的工艺参数为：GCr15钢球直径为8mm，系统振动频率为50Hz，机械沉积处理时间分别为30、120、240和480min。

机械沉积镍试样采用Y－2000型X射线衍射仪（XRD）进行表征分析。采用CuKα靶，扫描速度为0．05°／s－1，扫描角度范围30～100°，管电压30kV，管电流20mA。采用MBA2100金相显微镜对机械沉积镍试样的组织形貌进行观察。试样表面和横截面形貌利用JSM－6700F型场发射扫描电子显微镜（SEM）进行分析。表层成分分布采用PROFILER2型辉光放电光谱仪（GDS）进行测量。利用金相显微硬度测量仪（型号M－400－H1）测量机械沉积镍试样表面及沿横截面在不同厚度处的显微硬度。施加载荷设置为10g，持续时间设置为10s。

3实验结果与讨论

3．1机械沉积镍试样的显微组织

机械沉积处理不同时间试样的X衍射图谱见图1。机械研磨处理30min后，在试样的表面已形成一定厚度的沉积镍层，从图1中可以看到铜、镍的衍射峰，并且没有其它杂质元素的出现。随着处理时间的延长，衍射峰宽化，从而证明晶粒细化。X射线衍射峰的宽化主要是由晶粒细化、微观应力增加和仪器宽化共同引起。对于不同的试样，仪器的宽化效应不变，所以X射线衍射峰的变化主要是由表面机械研磨处理试样的晶粒尺寸和微观应变引起的。根据Scherrer－Wilson方程，扣除仪器宽化效应后，试样表面的晶粒尺寸及微观应变随处理时间的变化如图2所示。表面机械研磨30min后，表面层平均晶粒尺寸为65．1nm，随着处理时间的延长，晶粒尺寸逐渐减小，240min时平均晶粒尺寸达到30．2nm。但与纯铜表面机械研磨处理相比，添加Ni粉后，试样表面的晶粒尺寸相对较大。微观应变随着处理时间的延长逐渐增加，在处理240min后，试样表面层中微观应变值为0．18％，相对于纯铜的SMAT处理，微观应变值减小。这可能是由于Ni粉的添加，使钢球在碰撞过程中，增大了弹性碰撞，减小了钢球撞击试样的动能，使试样表面的应变量及应变速率减小。

图3中显示了机械沉积镍后试样横截面的形貌，从图3（a）可以看出，机械研磨处理30min后试样表面沉积镍层的厚度达到了10μm，沉积镍层不均匀，中间有空洞，致密度不高。在机械研磨开始阶段，Ni粉微粒通过冷焊接的方式镶嵌在纯铜的表面，通过钢球的不断重复撞击试样表面，使镍粉及其微团在不断研磨的作用下逐渐压实。随着处理时间的延长，表面沉积镍层不断在重复着焊合、压延、剥落的过程，镍层厚度不断增加，但是超过240min后，沉积镍层的厚度达到42μm左右，基本上不再发生变化，如图3（b）～（d）所示。沉积镍层在表面机械研磨处理过程中受到钢球的不断撞击，发生塑性变形，晶粒不断细化，沉积镍层逐渐密实，但由于强烈的塑性变形，使压实的镍层在不断的碰撞作用下产生一些微裂纹（如图3（c）中箭头所示）。

图4为纯铜表面机械研磨处理机械沉积镍后试样的表面形貌。从图4可以看出来，机械沉积镍层的表面形貌明显地受到处理时间的影响。机械沉积镍30min后，试样表面的沉积镍层主要通过镍粉的镶嵌及机械压延镶嵌于铜基体上，镍层表面较为粗糙，主要为镍粉微团的压延状，钢球的不断碰撞，使沉积镍层出现剥落，而导致镍层质地比较疏松，有部分基体暴露于表面（如图4（a）中箭头所示）。随着处理时间的延长，钢球不断撞击试样表面，表面沉积镍层在焊合、压延、剥落的过程中越来越致密，镍层表面的粗糙度相对减小而趋于光滑，同时晶粒不断细化，但由于钢球对试样表面的不断碰撞，造成表面的加工硬化而出现裂纹及剥落现象。图5为纯铜表面机械沉积镍后试样横截面的成分分布。通过辉光放电（GDS）分析，机械沉积不同时间后Ni、Cu、Fe元素含量从表面沿着深度方向的变化情况可从图5看出，机械沉积30min后，从表面至深度10μm为沉积镍层，但由于表面粗糙，镍层厚度较薄，而且沉积镍层疏松，有部分铜基体暴露于表面，使表层中铜的含量较高。随着处理时间的延长，镍层厚度增加。

3．2机械沉积镍层对性能的影响

机械沉积镍后试样硬度沿深度方向的变化如图6所示。从图6中可以看出，表面镍层的硬度明显提高，机械研磨沉积镍30min后，从试样硬度随着深度的变化图中可以看出，在10μm内硬度的变化较小，随后急剧下降，达到变形层的深度范围时，硬度值变化不大。400μm以后硬度迅速下降，在600μm左右基本上达到与粗晶基体一致的硬度值。随着处理时间的延长，表面镍层厚度增加，密度增大，相应的硬度也随之增大，在机械研磨240min后，表面的硬度达到1．9GPa。

4结论

纯铜表面经过不同时间的机械沉积镍处理后，在试样表面上形成了厚度不同的沉积纳米晶镍层，240min后镍层厚度达到42μm左右，平均晶粒尺寸达到30．2nm。机械沉积镍后试样表面的硬度得到了提高。