Conducta al desgaste de compósitos base cobre reforzados con carburo de titanio y adiciones de grafito

Abstract

Copper-based composites are advanced materials which offer an interesting combination of good electrical and thermal conductivity along with moderate to good mechanical properties and tribological behavior. They have applications mainly in the electrical and electronic industry, such is the case of thermal dissipation devices for electronic packaging and in high voltage switches. The present research work deals with the synthesis of three Cu/TiC-Gr hybrid composites, having 60% volume of the reinforcement phase plus 1, 3 and 5% volume of graphite with the purpose of keeping good thermophysical properties, and to improve the wear behavior due to its lubricating effect. During the composites fabrication, the pressureless infiltration technique was applied to infiltrate the liquid copper into a pre-sintered and porous preforms of TiC-Gr. The microstructural characterization showed that there is no formation of secondary phases, and the bond between matrix and reinforcement is good; in addition, a homogeneous distribution of TiC and graphite particles was observed. The hybrid composites have densities of 6.22 to 6.40 g/cm3 with residual porosity less than 3%. It was found that as the graphite content in the composite increases, hardness and stiffness decreased. The assessment of the thermophysical properties indicates that the coefficient of thermal expansion was approximately 40% lower than of the pure copper matrix, and thermal conductivity decreased to 55%. In a general way, thermal conductivity of the composites increases in with increasing the graphite content. The tribological characterization indicates that the friction coefficient of the composites decreases with increasing the volumetric fraction of graphite, since it is released on the surface during sliding and lubricates it. The lower friction coefficient was observed for the composites with 3 and 5% vol.

Los compósitos de base cobre son materiales avanzados que ofrecen una combinación interesante de buena conductividad eléctrica y térmica con moderada a buena respuesta mecánica y tribológica, teniendo aplicación principalmente en la industria eléctrica y electrónica, como es el caso de dispositivos de disipación térmica para empaquetamiento electrónico y en interruptores de alto voltaje. El presente trabajo de investigación consistió en la síntesis de tres compósitos híbridos Cu/TiC-Gr, donde el volumen total de la fase refuerzo es de 60% vol., representando la adición de grafito el 1, 3 y 5% vol., con el propósito de conservar buenas propiedades termofísicas, con mejora, debido al efecto lubricante, de la resistencia al desgaste por deslizamiento en seco. En la fabricación de los compósitos se utilizó la técnica de infiltración capilar de cobre líquido en preformas presinterizadas y porosas de TiC-Gr. La caracterización micro estructural muestró que no existe formación de segundas fases, existiendo buena unión entre la matriz y el refuerzo, y una distribución homogénea de partículas de TiC y grafito. Los compósitos híbridos tuvieron densidades de 6.22 a 6.40 g/cm3 con porosidad residual menor a 3%. Se encontró que conforme incrementa el porcentaje de grafito en los compósitos disminuye su dureza y rigidez. La evaluación de las propiedades termofísicas indica que el coeficiente de expansión térmico fue aproximadamente 40% menor que la matriz de cobre puro, disminuyendo la conductividad térmica hasta en 55%. De manera general, a mayor contenido de grafito mayor fue la conductividad térmica de los compósitos. La caracterización tribológica indicó que el coeficiente de fricción de los compósitos disminuye con la fracción volumétrica de grafito al liberarse éste en mayor cantidad en la superficie de desgaste, siendo los compósitos con 3 y 5 % vol.