石墨／銅復合材料的載流摩擦磨損性能

李雪飛，上官寶，張永振

（河南科技大學材料科學與工程學院，洛陽 471003）

0 引言

石墨／銅復合材料集石墨良好的接觸潤滑性和低的熱膨脹系數、密度以及銅的高電導率、熱導率和良好的延展性為一體，因而具有良好的導電、導熱、耐磨、耐電弧燒蝕和抗熔焊等性能，廣泛用作各種電焊電極、電器工程開關的觸頭、發電機的集電環、電樞、轉子、電力機車受電弓滑板和空架接觸導線等的材料［1－3］。在該復合材 料中，石墨顆粒均勻地分布于銅基體中，金屬銅連接為三維空間網狀結構，從而保證其了良好的導電性能［4］。但由于銅和石墨的潤濕性極差，即使在1 100 ℃時兩者的潤濕角也高達140°［5］，所以石墨／銅界面只能是機械互鎖，結合強度較低，導致復合材料的物理和力學性能難以滿足較高的應用要求。研究表明，改善其性能的有效途徑是在石墨表面鍍銅，從而增強銅基體與石墨的界面結合力。

目前多數相關文獻對石墨／銅復合材料的制備工藝和摩擦性能論述較多，但對其摩擦磨損機理的分析還不夠全面，而且石墨表面鍍銅對復合材料摩擦性能的影響還未見深入探討，所以在不同石墨含量條件下，研究石墨表面鍍銅處理對復合材料摩擦磨損性能的影響具有重要的實際意義。為此，作者選用同一粒徑的鍍銅與不鍍銅石墨，運用冷壓燒結法制備了不同石墨含量的石墨／銅復合材料，探討了其在載流條件下的摩擦磨損性能與磨損機理。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗原料為粒徑150μm 的高純天然鱗片狀石墨，先對其進行粗化、敏化、活化等表面處理，然后進行化學鍍銅，再用蒸餾水清洗，之后在真空干燥箱中干燥。采用計算富氧氣氛中高溫氧化鍍銅石墨質量損失的方法測定石墨的含量［6］，得到石墨的質量分數為35.4%。

將同一粒徑的鍍銅石墨粉和不鍍銅石墨粉分別與粒徑為75μm 的電解銅粉（純度為99.9%）按照石墨質量分數分別為5%，10%，15%進行配料，充分混料成為六組混合粉體，之后于380MPa壓力下壓制成坯，再在氫氣保護的鐘罩爐內燒結成型，燒結溫度為850～860℃，保溫1h，最后將燒結體加工成規格為φ9mm×25mm 的銷試樣進行載流摩擦磨損試驗。

1.2 試驗方法

在自制的HST－100型銷－盤式載流摩擦磨損試驗機上進行摩擦磨損試驗，其結構簡圖如圖1所示，銷試樣為制備得到的石墨／銅復合材料，對偶摩擦盤為QCr0.5銅合金。

圖1 銷－盤式摩擦磨損試驗機的結構簡圖Fig.1 Sketch image of the pin－disk friction and wear tester

試驗電源采用交流恒流電源，電流為50A，滑動速度分別為5，10，20，30m·s－1，載荷30N，試驗時間為10～20s。采用精度為0.1mg的LIr3200D 型電子分析天平稱量試驗前后銷試樣的質量，計算得到磨損率；摩擦力經由扭矩傳感器輸出至計算機中，經計算得到摩擦因數；用JSM－5610LV 型掃描電子顯微鏡（SEM）對磨損后銷試樣的表面形貌進行觀察。

2 試驗結果與討論

2.1 摩擦因數和磨損率

圖2中鍍銅石墨／銅復合材料（簡稱鍍銅石墨復合材料）用P 表示，不鍍銅石墨／銅復合材料（簡稱未鍍銅石墨復合材料）用UP表示，前面數字表示石墨含量。可見，兩種石墨復合材料的摩擦因數均隨石墨含量的增多而降低，隨滑動速度的提高而增大。這是因為隨復合材料中石墨含量的增多，摩擦面上石墨所占的面積也增大，而且石墨分布得更均勻，從而使得石墨能有效地為摩擦面提供潤滑介質，從而降低了摩擦因數；滑動速度的增大使得摩擦過程中的摩擦熱增多，摩擦面溫度升高，摩擦溫度會直接影響到石墨潤滑層的氧化和破壞，同時由于石墨具有耐電弧燒蝕性能，其潤滑層的破壞會增大電弧發生的幾率，從而導致摩擦面因電弧激發而產生電蝕坑，從而增大摩擦面的粗糙度，進而使摩擦因數增大［7］。

另由圖2可見，當石墨質量分數為5%和10%時，鍍銅石墨復合材料在各滑動速度下的摩擦因數均小于不鍍銅石墨復合材料的；石墨質量分數為15%時，滑動速度大于20m·s－1后，鍍銅石墨復合材料的摩擦因數大于不鍍銅石墨復合材料的。這是由于石墨鍍銅后提高了銅基體與石墨增強體的界面結合強度，在摩擦表層的石墨顆粒能夠更牢固地分布于銅基體中，在摩擦過程中能夠減少因界面結合強度小而產生的剝落，為摩擦面提供了穩定的潤滑介質，這與僅靠界面機械互鎖的不鍍銅石墨復合材料相比能有效提高潤滑質量，減小摩擦因數。

圖2 滑動速度對不同復合材料摩擦因數的影響Fig.2 Effect of sliding rate on friction coefficient of different composites

由圖3可見，當石墨質量分數為5%時，兩種石墨復合材料的磨損率隨著滑動速度的增加而變大，且其在30m·s－1滑動速度下的磨損率約為5 m·s－1下的2倍以上。這是因為滑動速度的增大會造成單位時間內摩擦產生的熱量增多，導致摩擦表面溫度顯著升高、強度降低，銅基體剝落和石墨氧化造成材料質量損失增加，磨損率加大。當石墨質量分數為10%和15%時，石墨復合材料的磨損率并未隨滑動速度的增大而增加，這是因為石墨含量達到一定值后，就能夠有效提供潤滑介質，降低摩擦熱和電弧熱的產生，從而保證材料的強度，使磨損率維持在一個較低的水平。在相同的滑動速度下，石墨含量的增多能夠有效降低材料的磨損率，這是因為石墨含量低時，復合材料的摩擦表面中石墨所占面積較小，在摩擦中提供的潤滑介質較少，從而造成了銅基體與摩擦副摩擦時產生的摩擦熱較多，同時電弧強度高而產生電弧熱，摩擦表面受熱變軟，強度下降，致使銅基體被拔出造成質量損失，磨損率較大；而在石墨含量較高時，復合材料的摩擦表面中石墨所占面積較大，能夠有效提供潤滑介質，同時石墨具有滅弧作用，能夠有效減少電弧的產生，從而減少熱量的產生，保證了復合材料的強度，使質量損失減小，磨損率降低。石墨質量分數為10%時石墨復合材料的磨損率最小，這說明可能存在一個最佳的石墨含量使得磨損率較低。

圖3 滑動速度對不同復合材料磨損率的影響Fig.3 Effect of sliding rate on wear rate of different composites

另由圖3可見，在各滑動速度下，石墨質量分數為5%的鍍銅石墨復合材料的磨損率均低于相同石墨含量不鍍銅石墨復合材料的，而石墨質量分數為10%和15%的鍍銅石墨復合材料的磨損率則大于相同石墨含量不鍍銅石墨復合材料的。可見由于石墨與銅密度相差較大，在石墨含量較大時石墨的體積分數也較大，石墨與銅在材料組織中的體積比相差不大，石墨鍍銅對提高材料力學性能的作用有限，在載流摩擦條件下出現了鍍銅石墨復合材料磨損加劇的結果；而石墨含量較低時，石墨的體積分數也較小，鍍銅后的石墨相比不鍍銅的石墨能夠更緊密地結合于三維網狀結構的銅基體中，在載流摩擦中減少剝落而提高潤滑性能，最終使材料的磨損率減小。

2.2 磨損表面形貌

圖4 不同復合材料在不同滑動速度下磨損表面的SEM 形貌Fig.4 SEM morphology of worn surface of different composites at different sliding rates：（a）composite with 15wt%graphite without copper－plating，sliding rate of 30m·s－1；（b）composite with 5wt%copper－plated graphite，sliding rate of 5m·s－1；（c）composite with 5wt%copper－plated graphite，sliding rate of 30m·s－1and（d）composite with 15wt%copper－plated graphite，sliding rate of 30m·s－1

在圖4（c）中，復合材料摩擦表面沿滑動方向出現了交替的裂口和凹穴，這是由于在摩擦熱、電阻熱和電弧熱的高溫作用下，摩擦表層的銅基體發生熔融軟化進而轉移到對磨盤上，而后又粘附到復合材料表面，如此反復造成了材料質量的損失，其主要磨損機制為粘著磨損。圖4（d）中的材料表面相對圖4（c）的表面更光滑，可見摩擦過程中摩擦面潤滑良好，這表明石墨含量的增加能夠有效改善摩擦面的潤滑條件；在滑動方向也出現了犁溝現象，說明其主要磨損機制為磨粒磨損。與圖4（c）相比，圖4（b）中電弧燒蝕銅基體形成的瘤狀物較少，這表明在較低的滑動速度下產生的電弧強度低，進而電弧侵蝕減少。圖4（a）中電弧燒蝕產生的瘤狀物數量多、尺寸大，已看不到犁溝和裂口，這說明電弧燒蝕已成為其主要的磨損機制，與圖4（d）相比可知，石墨鍍銅能夠顯著提高材料的潤滑性能，減少電弧的發生，從而提高復合材料的耐磨性能。

3 結論

（1）石墨含量的增加能夠顯著降低鍍銅石墨／銅復合材料在載流摩擦條件下的摩擦因數，且其磨損率在石墨質量分數為10%時最低。

（2）鍍銅石墨能夠有效降低復合材料的摩擦因數，從而提高載流摩擦性能，但對耐磨性能影響趨勢不明顯。

（3）石墨／銅復合材料在載流磨擦過程中同時存在粘著磨損、磨粒磨損和電弧燒蝕磨損機制，磨損機制隨摩擦條件的不同而變化。

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