銅粉對銅基摩擦材料性能的影響

2019-05-07

摘要：分別以電解銅粉、氧化鋁彌散強化銅粉和鐵鉆銅預合金化銅粉為基體，用粉末冶金工藝制備銅基摩擦材料，研究了銅粉對材料摩擦磨損性能的影響。結果表明，氧化物彌散相和合金元素的布在，影響摩擦膜的成分、厚度和硬度，進而影響摩擦系數。在銅基體中彌散分布的氧化鋁陶瓷粒子起穩定摩擦過程、增大摩擦系數的作用，使材料表現出良好的摩擦系數穩定性；但是，脫落的硬質磨粒使材料的磨損量較大。鐵鈷復合強化的材料摩擦后沒有明顯的機械復合形變層，而形成了穩定的氧化膜，摩擦過程始終發生在對偶件與表面氧化膜之間，因此材料的磨耗量低而穩定。

關鍵詞：金屬材料，摩擦材料，彌散強化基體，鐵鈷銅合金基體，摩擦穩定性，耐磨性

銅基摩擦材料具有良好的導熱性和自潤滑性，在干態和濕態摩擦條件下其摩擦性能穩定。但是，銅基體的強度較低，在制動過程中產生的巨大熱量使銅基摩擦材料的強度大幅度降低[坷，影響其摩擦穩定性和使用壽命。在材料中摻入第二增強相，如碳纖維叭碳納米管川、SiC、WC等，或進行合金化都能提高銅基材料的高溫強度。

CuCr合金與GCr15鋼對摩時其磨損質量損失隨著載荷和轉速的增加而增大[飛磨損以犁削磨損和粘著磨損為主；Cu-Cr-Zr合金l峰時效后在銅基體中生成了彌散分布的CrCu2（Zr，Mg）析出相，使其硬度和耐磨性能提高；銅錫復合材料的摩擦磨損特性和青銅-石墨復合材料在水潤滑條件下的摩擦行為也表明，第二相或合金元素的加入都能提高銅的摩擦磨損性能。將粒度為10-50nm的超細陶瓷粒子(如Al2O3)彌散分布于銅基體中，使其具有較高的電導率、熱導率、高強度和硬度。與純銅相比，Al2O3彌散強化銅基材料在900℃的硬度顯著提高。
鐵-鈷-銅合金中鉆含量約為10%-20%，鉆與金剛石之間有良好的化學相容性、把持力和耐磨性。本文以彌散強化銅粉和Fe-Co-Cu合金粉為原料制備銅基粉末冶金摩擦材料，研究彌散強化和合金化對銅基材料摩擦性能的影響。

1實驗方法
采用粉末冶金法，分別制備以電解銅粉(300目)、彌散強化銅粉(300目)、預合金化銅粉(300目)為基體的銅基復合摩擦材料，樣品成分列于表1。



彌散強化銅粉以納米粒度氧化鋁彌散于粉末中，預合金化銅粉為銅粉和Fe、Co元素按一定比例熔煉后，經噴霧法制得。各原料粉末經V型混料機混合均勻后冷壓成型，成型壓力600MPa，保壓時間5min。將樣品在充入保護氣氛的鐘罩式燒結爐中燒結，燒結溫度為950℃，壓力為3MPa，保溫2h后隨爐冷卻至室溫。

用MMI000-II型摩擦磨損實驗機研究樣品的摩擦磨損性能，樣品的尺寸為25mm×25mm×15mm，對偶盤材料為30CrSiMoVA。試驗條件：室溫，試驗轉速3000-6200r/min，制動慣量1kg·㎡，載荷1.25MPa。用實驗機自備軟件自動換算和記錄摩擦系數。待摩擦副溫度降至室溫后進行下一次制動，每個速度下的摩擦實驗進行5次。用精度為0.0001g的電子天平測量磨損量，取同一轉速下5次制動后樣品磨損量的總值。用LEO-1450掃描電子顯微鏡(SEM)觀察樣品摩擦后的表面形貌，用KEVEXSig-ma能譜分析(EDS)系統進行成分分析。用MH-6型顯微維氏硬度計測量摩擦膜硬度，載荷15g、保壓15s，每個試樣測試10個數據后取平均值。

2結果與討論
2.1摩擦磨損性能
從圖1可以看出，3種樣品的摩擦系數均隨轉速的提高而降低。電解銅基樣品的摩擦系數在低轉速期高于其他兩種樣品，而后隨著試驗轉速的提高而持續降低，但在5800-6200r/min階段保持穩定。彌散強化銅基樣品的摩擦系數，在試驗轉速為3000-4800r/min范圍內持續降低，5200r/min試驗轉速下摩擦系數略有升高，之后隨轉速進一步提高而降低，高于4800r/min后高于其他兩種樣品。鐵鈷銅合金基樣品的摩擦系數隨著試驗轉速的提高從0.304幾乎直線降低到0.169，在轉速達5200r/min后降幅緩和，但仍近線性降低，摩擦系數明顯低于其他兩種樣品。

圖2表明，隨著試驗轉速的提高，電解銅基樣品和彌散強化銅基樣品的磨損量均呈逐漸增大趨勢：前者的磨損量在試驗轉速3800-5200r/min范因內略有降低：后者的磨損量則始終呈增大趨勢，在低速摩擦階段磨耗較低，在高速階段(>5200r/min)磨耗大幅增加。而鐵鈷銅合金基樣品的磨損量沒有隨轉速提高而明顯增多，且在速度高于4200r/min后鐵鈷銅合金基樣品的磨損量始終低于其他兩種樣品。在試驗轉速最高的情況下，電解銅基樣品和彌散強化銅基樣品的磨損量分別是該樣品的2.6倍和5.9倍。這一結果表明，鐵鈷銅合金基體具有比其他兩種樣品更好的抗磨損性能。



圖2 不同試驗轉速下3種銅基體的磨損量

2.2摩擦膜形貌和成分
圖3a為電解銅基樣品的磨損表面形貌?？梢钥闯?，材料呈現出粘著磨損和犁削磨損形貌。在滑動摩擦過程中，樣品表面的微觀凸起承受較大的剪切應力，在高速摩擦過程中產生的大量摩擦熱和載荷的共同作用造成局部的焊合，隨后發生粘著磨損。同時，基體中的硬質顆粒受到剪切力的作用發生脫落形成磨屑，從而產生犁削磨損。圖3b為該樣品的摩擦形貌，材料表面的大部分區域均形成了表面摩擦層。圖中黑色相為石墨，與摩擦膜結合良好。圖3c和3d給出了彌散強化銅基體樣品摩擦后的表面形貌SEM像。該樣品的磨損表現出較嚴重的粘著和剝落，摩擦表面粗糙，并產生了較大尺度的裂絞(如箭頭處所示)。圖3d表明，材料摩擦表面出現較大的犁溝和裂紋，摩擦膜分布不平坦，靠近石墨周圍的摩擦膜破損，裂紋分布密集。圖3e和f給出了鐵鈷銅合金基體樣品的摩擦形貌。材料磨損主要以犁削磨損為主，表面犁溝較淺且較細。在材料表面形成了均勻且光滑平坦的摩擦膜。膜上有裂紋，但是裂紋兩側表面膜的銜接完整，且石墨與摩擦膜結合比較緊密。


圖3電解銅基體、彌散強化銅基體和鐵鉆銅 合金基體磨損后表面形貌

圖4給出了對3種樣品進行鑲樣后摩擦膜和基體以及中間機械復合形變層的形貌。摩擦試驗后，在樣品表層生成了一層光滑致密的黑色軸質層(圖4中層1)，其主要成分為Fe、Cu的氧化物、少量硫化物及石墨。摩擦產生的磨屑在剪切應力的作用下不斷被擠壓入基體中，并重復脫落、擠壓、變形的循環過程，最終形成了如層2和層3所示的機械復合形變層。電解銅基體的樣品機械復合形變層的厚度約為40μm，彌散強化銅基體樣品該層的分布不均勻。厚度為10-30μm，而銅合金基體的樣品外層摩擦膜較薄，且沒有明顯的機械變形層。3種樣品不同位置處的主要成分列于表2。隨著檢測位置逐漸向基體方向深入，氧含量逐漸降低，各成分間比例逐漸接近基體原始構成的比例，其中層2處的組織與層3處相比，較為平滑致密，沒有明顯的凹坑和縫隙，其成分更接近層1的構成成分；而層3由多相成分構成，其組織略為粗糙，部分位置有細小淺坑，成分則更與基體成分接近。在鐵鈷銅合金基樣品中，層2處的成分與基體成分近似。受能譜分析精度的限制，上述摩擦膜以及下層組織的成分分析中均未包含碳元素的定量分析結果，只能根據能譜峰圖中碳元素的峰高做定性分析：層1處的碳元素峰高明顯高于層2和層3處，黑色釉質摩擦膜中的主要潤滑組元即為石墨。


圖片4 電解銅基體、彌散強化銅基體和鐵鈷銅合金基體

3種樣品摩擦后的磨屑形貌如圖5所示。電解銅基體和彌散強化銅基體的樣品，摩擦產生的磨屑為粒度5-10μm左右不規則顆粒狀，而鐵鈷銅合金基體樣品產生的磨屑為粒度約1μm接近球形的顆粒。因此，在前兩種樣品的表面均能觀察到明顯的犁溝，而這一樣品的表面膜光滑平坦。


圖片5電解銅基體、彌散強化銅基體和鐵鈷銅合金基體 磨屑的形貌

3種樣品磨損表面以及磨屑形貌的不同，揭示了樣品具有各異摩擦磨損性能的原因。電解銅粉的耐高溫性能顯然不如其他兩種銅粉，因而以電解銅為基體的樣品，隨著摩擦速度的提高，表面迅速生成一表面潤滑層，使摩擦系數降低。當摩擦速度接近最高值時，局部發生的粘著磨損使摩擦系數的降低幅度減緩，因而在試驗轉速5800-6200r/min過程中樣品的摩擦系數變化幅度很小，接近穩定。在彌散強化銅粉中分布有納米級的陶瓷粒子，因而該粉構成的銅基體相當于經過彌散強化處理。在基體中彌散分布的陶瓷粒子起到了穩定摩擦過程、增大摩擦系數的作用，因此其摩擦系數較高，隨著轉速的增加其衰退的幅度也較小。摩擦后的表面形貌表明，與其他2種樣品相比，該樣品摩擦膜與石墨的銜接界面最差，薄弱界面作為下一步磨損的裂紋源使摩擦膜破損、基體不斷消耗，產生的大量磨屑又進一步加劇磨損，結果是摩擦結束后所形成的表面膜形貌最粗糙。但是，脫落的磨粒也進一步增加了對偶之間的摩擦力，使摩擦系數保持穩定。鐵鈷銅合金基體表現出良好的耐磨能力，在樣品表面沒有產生機械復合形變層。這表明，摩擦過程始終發生在對偶件與表面氧化膜之間，導致樣品的摩擦系數變化幾乎呈直線降低。表面膜的減摩潤滑作用明顯，有效地避免了對偶之間的直接接觸而造成的基體磨損。



2.3基體和摩擦膜硬度
表3給出了不同樣品基體處和摩擦試驗后表面膜的維氏硬度數據。在摩擦試驗前，基體的硬度均低于100HV，以電解銅基體樣品(No.l)的基體硬度最低，而其他兩種樣品由于彌散強化相和合金化的影響，基體硬度都較高。摩擦試驗后，電解銅基體樣品和彌散強化銅基體樣品(No.2)的表面膜硬度最高(均約為650HV)，而銅合金基體(No.3)的樣品表面膜硬度最低(為424.7HV)。由于摩擦后樣品表面均生成致密的氧化潤滑釉質膜，硬度均高于原始基體樣品。但是，由于鐵鈷銅合金基體樣品近表面處未產生機械復合形變層，在硬度測量時表面膜仍受到較軟基體的影響，因此其硬度比其他兩種樣品的低。



3結論
銅基體中彌散分布的氧化鋁陶瓷粒子具有穩定摩擦過程、增大摩擦系數的作用，使材料表現出最好的摩擦系數穩定性。但是，摩擦中脫落的硬質磨粒使材料表現為明顯的磨粒磨損，磨損量較大。鐵-鈷復合強化的銅基材料摩擦后沒有產生機械復合形變層而形成了穩定的氧化膜，摩擦過程始終發生在對偶件與表面氧化膜之間，因此材料呈現出低而穩定的磨耗量，表現出良好的耐磨性能。

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李尚勇任金川集團總經理、黨委副書記、董事