Cu粉類型對銅基摩擦材料性能的影響

2019-11-06

摘要：分別以電解Cu粉、氣霧化Cu粉、水霧化Cu粉等純Cu粉，錫青Cu粉、黃Cu粉、白Cu粉等合金Cu粉為基體，通過粉末冶金熱壓燒結的方式，制備了銅基摩擦材料。結果表明，以純Cu粉為基體的摩擦材料綜合性能比要優于合金Cu粉為基體的，其中以電解Cu粉制備的試樣在6組試樣中，密度最大，為5．46g/cm3，孔隙率最小，為18.14%，硬度（HBW）最高，為23.20；采用霧化Cu粉制備的試樣，由于其球形顆粒形狀的原因，增加了粉體的表面能和界面能，起到了穩定摩擦、增大摩擦因數的作用，其摩擦因數最大，為0.33；而以合金Cu粉制備的試樣，由于基體材料的形狀結構不規則，導致材料的結合能力和流動性降低，摩擦后材料變形嚴重，磨損加劇。

關鍵詞：Cu基粉末冶金；Cu粉種類；摩擦因數；磨損量

粉末冶金摩擦材料也稱為燒結金屬摩擦材料，主要采用粉末冶金技術，通過對粉末原材料進行配比，粉末混合，壓縮成型，加壓燒結和后續機械加工處理等，使材料具有較高的強度、耐磨性、耐粘附性和穩定的高摩擦因數。粉末冶金技術按基體成分的不同分為銅基、鐵基、鋁基、鎂基等。目前，日本、法國、德國形成了鐵基、鐵銅基和銅基粉末冶金摩擦材料體系，而國內時速在300km/h以上的高速列車剎車片仍依賴進口。

銅基粉末冶金摩擦材料因其具有良好的導電性、導熱性、耐磨性及在不同干濕度條件下均能保持穩定的摩擦性能的突出特點，被廣泛應用于機械制動器中，尤其是在汽車、高鐵和航空領域，具有良好的市場前景。

銅基粉末冶金摩擦材料主要是由基體銅、摩擦組元、潤滑組元等制備的金屬基復合材料，其中作為基體相的Cu粉類型對摩擦材料的綜合性能具有顯著影響。王曄等分別采用電解Cu粉、氧化鋁彌散強化Cu粉和Fe-Co-Cu預合金化Cu粉為基體，采用粉末冶金工藝制備銅基摩擦材料，發現分散在銅基體中的氧化鋁陶瓷顆粒起到穩定摩擦和增大摩擦因數的作用，因此該材料表現出良好的摩擦穩定性，然而，脫落后的硬質顆粒增加了材料的磨損量；Fe-Co復合強化的銅基材料由于穩定的氧化膜存在，使得材料呈現出較小且穩定的磨損量。李世鵬以Cu-Sn-Zn、Cu-Sn-Ni、Cu-Sn-Zn-Ni等為研究對象，討論了Cu-Sn合金基體對材料摩擦磨損行為的影響和機理，發現在Cu-Sn合金基體中添加Zn可以改善材料耐磨性能，同時基體中加Ni比加Zn更有利于改善摩擦材料的綜合性能。姚萍屏等也發現在Cu-Sn合金基體中加入少量Zn和Ni可以增大材料的摩擦因數。雖然目前關于不同Cu粉類型對銅基材料摩擦磨損性能的影響有較多研究，然而，關于Zn和Ni在銅基粉末冶金剎車材料中作用的研究不多。本課題以電解Cu粉、氣霧化Cu粉、水霧化Cu粉、錫青銅粉、黃銅粉和白銅粉為基體，分別討論了這6種Cu粉對銅基摩擦材料的摩擦磨損性能的影響，旨在為選擇最優的Cu粉作為制動器基體提供參考。

1試驗材料及方案

1.1試樣制備
試驗采用市售的電解Cu粉（>99．0%），以及純度高于99．5%的氣霧化Cu粉、水霧化Cu粉、錫青銅粉（Cu-15.0Sn）、黃銅粉（Cu-40.0Zn）和白銅粉（Cu-18.0Zn-18.0Ni）等6種200目的Cu粉為基體。試驗用其他原料：還原性Fe粉（粒度為200目，純度為99.9%），高碳Cr-Fe（粒度為100目），鱗片石墨（為80目），MoS2（粒度為200目，純度99.9%），Sn（粒度為200目，純度為99.9%）。材料成分配比見表1。

1.2 試驗方法
通過Ｖ型混料機對原料進行均勻混合后，在ＷaＷ-600微機控制的電液伺服萬能試驗機上通過模具壓制成100mm×200mm試樣，成形壓力為600MPa，保壓時間為60s。壓制試樣在管式燒結爐中進行燒結，使用N2氣作為還原保護氣體，燒結溫度為950℃，保溫2h后隨爐冷卻。

試樣硬度采用320HBS-3000型布氏硬度計測量，載荷為250N，壓頭為硬質合金鋼，直徑為10mm，保壓30s，每個試樣測5次取平均值；采用排水法測定試樣的實際密度，同時在材料的表面涂抹上石蠟或凡士林，用于排除表面空隙對試樣數據造成的干擾；采用ＸＬ型掃描電鏡（SEM）觀察試樣的顯微組織和摩擦形貌。磨損試驗在MMW-1a立式萬能摩擦磨損試驗機上進行，采用針對環法進行摩擦，對磨盤為45鋼，試樣半徑為25mm，在100N載荷、600r/min摩擦轉速下摩擦30min。測量出來的摩擦因數圖像采用打點法求出摩擦因數的平均值。最后，使用精密電子天平稱量試驗前后的質量，得到試樣的磨損量。

2試驗結果與討論

2.1材料的微觀組織
圖1為6種試樣的SEM照片。黑色相主要是石墨和殘余空隙，大片淺色相為銅基體，鑲嵌在基體Cu中的深灰色為金屬Fe，棱角分明的暗灰色為金屬Cr-Fe，Fe粉上分布的黑色點狀物質為空隙。從圖1可以看出，以電解Cu粉、氣霧化Cu粉和水霧化Cu粉為基體的純Cu的均勻性、連續性以及Cu顆粒之間的界面結合性，優于以錫青銅、黃銅和白銅粉為基體的合金銅，這是由基體顆粒形狀決定的，Cu顆粒形狀越均勻，Cu顆粒之間的界面越容易結合。


通過對比圖1a~圖1c可以發現，以電解Cu粉為基體材料中Fe和Cr-Fe在試樣中的分布較其他兩組更加均勻，這是因為電解Cu顆粒呈樹枝狀分布，使得基體與硬質顆粒之間的接觸面積增大，從而降低材料的孔隙率；以氣霧化Cu粉為基體的Cu粉上鑲嵌著大顆粒狀的Fe和Cr-Fe，這是因為3種Cu粉顆粒的形狀不同，而氣霧化Cu粉的球形特征使得Fe和Cr-Fe的結合性能增加，同時由于潤濕性的差異，使得以氣霧化Cu粉為基體的孔隙率增加；以水霧化Cu粉為基體的試樣中，鱗片狀石墨分布較其他兩種更加均勻，硬顆粒和基體之間的結合較緊密。通過比較3組合金Cu可以發現，基體材料的不規則導致鱗片狀石墨由層狀分布逐漸變得無序，硬質顆粒與金屬基體之間結合較差。

2.2材料的物理性能
表2為6種試樣基體的密度、孔隙率和布氏硬度?？梢钥闯?，以電解Cu粉、氣霧化Cu粉、水霧化Cu粉為基體的純Cu粉的密度和硬度明顯高于基于錫青銅粉、黃銅粉和白銅粉的合金Cu粉的密度和硬度。由于純Cu粉的基體顆粒形狀是規則的，而合金Cu粉的基體顆粒形狀都是不規則的，而粉末越不規則，顆粒之間的摩擦力也就越大，這也就造成燒結材料的密度降低，孔隙率增大。



對于3組Cu粉來說，電解Cu粉為樹枝狀微粉，相比較霧化Cu粉的球狀特征，由于電解Cu粉顆粒具有良好的成形性能，粉末流動性的增加導致壓坯密度增加和孔隙率降低。3組試樣的硬度值的變化規律同燒結密度的變化保持一致，隨著燒結密度降低，硬度值呈上升趨勢。所以，以電解Cu粉為基體的1號試樣的密度最高，為5.46g/cm3，孔隙率最小，為18.14%，硬度（HBW）最大，為23.20。

對于3組合金Cu粉來說，在燒結的過程中能夠在Sn、Zn、Ni和Cu原子之間發生相互擴散，同時這些合金元素的原子在溶入Cu晶格后可以形成α固溶體。但是，3組Cu粉中含有除Cu以外的其他元素和雜質，而其他元素和雜質并不能和Cu完全互溶，從而產生一定的空隙，以至于以錫青銅為基體的4號試樣具有最大的密度，為4．96g/cm3，最小的孔隙率，為25．64%。而3組試樣硬度值的變化規律跟密度的變化規律正好相反，這是由于Ni、Zn、Sn等3種元素對于基體都有一定的固溶強化作用，然而，強化效果與固溶度有關，固溶度越大，材料的強度越高。以黃銅粉為基體的5號試樣中Zn的含量較高，具有較高的固溶度，導致5號試樣的硬度（HBW）最高，為1.84。

2.3材料的摩擦磨損性能
圖2為6組試樣的摩擦因數和磨損量?？梢钥闯?，以電解Cu粉、氣霧化Cu粉、水霧化Cu粉為基體的純Cu粉的摩擦因數明顯高于以錫青銅粉、黃銅粉和白銅粉為基體的摩擦因數。對于純Cu粉來說，以氣霧化Cu粉為基體的2號試樣具有最大的摩擦因數，為0.33；而對于合金Cu粉來說，以黃銅為基體的5號試樣具有最大的摩擦因數，為0.19。


純Cu粉的摩擦因數明顯高于合金Cu粉，主要是因為以合金銅為基體的摩擦材料含有較多的合金元素和雜質，相比于純Cu粉來說，其在與硬質顆粒的結合過程中對摩擦性能的改善效果不明顯。對于3種純Cu粉而言，由于電解Cu粉為樹枝狀微粉，試樣在摩擦的過程中表面溫度迅速升高，發生局部軟化使得表面的抗剪切強度降低，因此試樣1的摩擦因數最低。霧化Cu粉為球形微粉，在與其他粉體混合以后，霧化Cu基體的沖擊韌度高，塑性變形能力較好，所以霧化Cu粉的摩擦因數較高，同時氣霧化Cu粉比水霧化Cu粉更加規則，在摩擦的過程中組元之間的結合性能更好，對于Cu基粉末冶金摩擦材料的摩擦性能有更好的改善。而對于3種合金Cu粉而言，根據粘著摩擦和摩擦理論，對于粉末冶金摩擦材料，粘著摩擦因數計算公式為：

式中，μ為摩擦因數；Tb為摩擦材料的抗壓強度；σbc為摩擦產生的氧化膜的剪切強度。從上式可以發現，粘著摩擦時摩擦因數與抗壓強度成正比，抗壓強度與材料的硬度有關，硬度越高抗壓強度越大，所以合金Cu粉中5號試樣的摩擦因數最大。通過比較6種試樣，發現2號試樣對改進材料的摩擦因數的影響最明顯。

另外，1~3號試樣的磨損量呈現先增大后減小的趨勢，其中1號試樣的磨損量最低，為13mg；而4~6號試樣的磨損量則呈現先減小后增大的趨勢，其中5號試樣的磨損量最低，為11mg。對于6組Cu粉來說，當材料中的硬質點——摩擦組元的含量、粒度、顆粒形狀一定時，其耐磨性主要取決于基體夾持硬質點的能力。材料中的力學性能的降低，會導致基體夾持能力的下降，材料在進行摩擦的過程中硬質點就會發生松動或是脫落，加劇磨損，由表2可知，1號試樣的硬度最大，所以1號試樣的磨損量最??；6號試樣的硬度最小，磨損量最大，為19mg。

2．4　材料的摩擦表面形貌
圖3為經摩擦磨損后試樣的微觀形貌及表面特征?？梢园l現，6組摩擦試樣都有不同程度的黑色凹坑的出現，這是由于在交變循環應力作用下，在摩擦材料表面由于疲勞剝落的作用所產生。在圖3a中，摩擦表面有劃痕以及磨屑產生，此時磨損機制是以磨粒磨損為主，這是因為隨著摩擦材料與對磨盤摩擦時間的增加，在摩擦表面產生局部高溫，材料基體軟化程度增加，塑性變形程度加劇，在與對磨盤摩擦的過程中易于在摩擦表面形成犁溝，導致微凸體易于從摩擦表面脫落形成磨屑。由圖3b可以發現，摩擦材料在制動熱的作用下產生微裂紋，這是促使氣霧化Cu基體磨損量在一定程度上增加的原因。在圖3c中，摩擦表面除了有部分磨屑以及凹坑外，磨損表面比較穩定，這也使得以水霧化Cu粉為基體的材料具有比較穩定的摩擦因數。由圖3d~圖3f可知，3組材料表面裂紋痕跡較明顯，經磨損后材料的表面組織被破壞，呈無序狀。這主要與3組基體材料的硬度和密度有關。硬度較低、孔隙較大，導致材料在摩擦過程中抗剪切能力降低，耐磨性隨之降低。


圖4為1號試樣經摩擦磨損后的SEM圖像及方框區域的EDS能譜分析。從圖4a可以看出，經摩擦磨損以后，材料表面出現犁溝以及脫落的現象。通過對方框區域的犁溝進行EDS分析可知，發現除基體成分外，在摩擦表面主要是Cr和Fe元素，它表明在摩擦的過程中對偶材料表面未發生氧化作用，無氧化磨損產生。


3　結　論
（1）以電解Cu粉、氣霧化Cu粉、水霧化Cu粉為基體的3組純Cu粉的微觀組織形態、力學性能和摩擦磨損性能均優于以錫青銅粉、黃銅粉和白銅粉為基體的合金Cu粉。其中以電解Cu粉為基體的1號試樣，密度最大，為5.46g/cm3，孔隙率最低，為18.14%，硬度（HBW）最大，為23.20。
（2）霧化Cu粉由于其獨特的球形顆粒形狀，使得摩擦材料的抗剪切能力增強，材料的摩擦因數的穩定性較高，摩擦因數增大，其中以氣霧化Cu粉的摩擦因數最大，為0.33，磨損量為19mg。因此，最終確定以氣霧化Cu粉作為基體，來提高摩擦材料的摩擦磨損性能。
（3）合金Cu粉由于其形狀結構的不規則，影響其摩擦膜的成分、厚度和硬度，導致材料在摩擦過程中裂紋增大，磨損加劇，摩擦因數的穩定性降低。

水合肼化學還原硫酸銅制備納米銅粉的研究

石墨烯增強銅基復合材料的制備與性能