SiC和石墨顆粒混雜增強銅基復合材料的摩擦磨損性能

周永欣，徐 飛，呂振林，馬 雷，程 逞，盛 錕

（1.西安理工大學材料科學與工程學院，西安710048；2.陜西華山工程機械有限公司，西安710018）

0 引 言

顆粒增強金屬基復合材料具有良好的耐磨性能和優異的力學性能，且制備工藝簡單、成本較低，在電子、機械、航空、航天等領域應用前景廣闊，因此近年來得到迅速發展［1］。將高強度、高硬度、高模量、高溫穩定性好的陶瓷顆粒加入銅基體中得到的復合材料，可以用作航天飛機高導熱機身材料、半導體元件中的電接觸材料、電刷材料、耐磨片、以及噴嘴材料等［2-5］。

目前國內外對于單一顆粒增強銅基復合材料如SiC/Cu復合材料的研究較多，對其顆粒磨損行為的研究主要集中在SiC顆粒尺寸、含量及顆粒表面處理等方面。如黎壽山［6］等研究了不同制備工藝對SiC/Cu復合材料界面結合的影響；湛永鐘［7］等研究了SiC顆粒含量及尺寸對復合材料磨損性能的影響。而關于SiC和石墨顆粒混雜增強銅基復合材料的室溫摩擦磨損行為還沒有系統的研究報道。為此，作者以SiC和石墨顆粒作為增強顆粒，采用粉末冶金方法制備顆粒增強銅基復合材料，研究其摩擦磨損性能，并探討了復合材料的磨損機理。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗以平均粒徑75μm、純度大于99.7%的電解銅粉為基體材料，增強相α-SiC顆粒平均粒徑為10μm，石墨平均粒徑為30μm。SiC和石墨顆粒混雜增強銅基復合材料（以下稱復合材料）分別按體積分數（實際操作中將體積分數用公式換算為質量分數）5%，10%，15%，20%的SiC和體積分數5%的Gr（石墨）與電解銅粉進行配比，研究SiC含量的影響；為研究石墨含量對摩擦磨損性能的影響，將體積分數10%的SiC分別和0，2%，4%，6%，8%（體積分數，下同）的石墨與電解銅粉進行配比；同時采用相同的工藝參數制備純銅試樣。將配比好的原料在機械式混粉機上干混12h，然后采用單向壓制鋼模在400MPa下冷壓成型，再置于SBG-07H型氣氛保護爐中進行燒結。燒結時以氬氣作為保護氣體，燒結溫度920℃，保溫時間60min，然后隨爐冷卻至室溫，制得不同配比的復合材料試樣。燒結前先以10℃·min-1的升溫速率分別升溫至300℃和600℃，保溫30min，以避免升溫過快導致試樣出現裂紋或變形，及消除部分殘余應力。

1.2 試驗方法

摩擦磨損試驗在HT-1000型高溫摩擦磨損試驗機上進行，摩擦方式為銷盤式，其中銷試樣為所制備的銅基復合材料，尺寸為5mm×5mm×8mm；盤試樣45鋼（840℃淬火處理，硬度為56HRC），直徑為36mm。摩擦磨損試驗在室溫下進行，摩擦半徑為8mm，轉速為400r·min-1，摩擦距離為610m，載荷分別為5，10，15，20N。每次試驗開始前預磨10min，以便使銷試樣與對磨盤間充分接觸。試驗前后，將銷試樣用無水乙醇清洗干凈，并用FA2004型（精度達0.000 1g）電子天平對試驗前后銷試樣的質量進行稱量，復合材料磨損率采用體積磨損率來表示，如式（1）所示。

式中：Vm為體積磨損率，cm3·N-1·m-1；Δm 為試驗前后的質量損失，g；N為試驗載荷，N；S為滑動距離，m；ρv為試樣體積密度，g·cm-3。

采用JSM-6700F型掃描電鏡（SEM）觀察復合材料的顯微組織及磨損表面形貌，并用其附帶的能譜儀（EDS）分析指定區域的化學成分。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

各種配比復合材料的顯微組織基本相同，下面以Cu-10%SiC-5%Gr復合材料為例分析了其顯微組織。從圖1中可以看出，顯微組織中深黑色顆粒狀物質為石墨顆粒，淺黑色顆粒狀物質為SiC顆粒，灰色部分是基體銅，SiC和石墨在基體中分布較為均勻，沒有明顯的氣孔缺陷和團聚現象產生。

圖1 Cu-10%SiC-5%Gr復合材料的顯微組織Fig.1 The microstructure of Cu-10%SiC-5%Gr composite

2.2 不同載荷下的摩擦磨損性能

以Cu-10%SiC-5%Gr和Cu-10%SiC復合材料為例，分析體積磨損率隨著載荷變化的關系曲線。從圖2可以看出，隨著載荷的增加，兩種復合材料體積磨損率逐漸增加，當載荷在5～10N之間時，兩種復合材料體積磨損率急劇增加，而載荷在15～20N之間時體積磨損率緩慢增加，對載荷的變化不是特別敏感，主要原因是石墨此時發揮了固體潤滑作用。在不同載荷作用下復合材料具有不同的磨損機制，在低載荷下復合材料磨損機制主要以磨粒磨損為主，在高載荷作用下復合材料磨損機制以磨粒磨損和粘著磨損共同作用為主。因此，復合材料在低載荷和高載荷作用下體積磨損率相差較大。對比可以發現，SiC和石墨混雜增強復合材料的體積磨損率明顯比SiC單一增強復合材料的體積磨損率低。這是因為在磨損的過程中石墨作為固體潤滑劑從磨損表面向摩擦表面轉移，有的與夾在對磨面表面之間的磨屑顆粒相混合，并在正壓力的作用下形成機械混合層［8］，混合層的存在減小了復合材料和對磨盤的直接接觸面積，因此石墨在摩擦過程中可以起到自潤滑減磨作用。

圖2 不同載荷下不同復合材料的體積磨損率Fig.2 Volume wear rates of the composites at different loads

以Cu-10%SiC-5%Gr和Cu-10%SiC復合材料為例，分析相同載荷（10N）作用下摩擦因數隨時間變化的關系曲線。從圖3中可以看出，混雜增強復合材料的摩擦因數比單一增強復合材料的低得多，隨著磨損時間的延長，混雜增強復合材料的摩擦因數變化幅度較小，趨于某一值，這表明石墨顆粒賦予了復合材料優良的減磨特性，使摩擦過程更加平穩。

圖3 在10N載荷下不同復合材料的摩擦因數隨時間的變化曲線Fig.3 Friction coefficient vs time for the composites at 10N

2.3 SiC含量對摩擦磨損性能的影響

從圖4可以看出，復合材料的體積磨損率明顯比純銅的體積磨損率低很多，且隨著SiC含量的增加復合材料磨損率逐漸降低。這是由于鑲嵌于銅基體中的SiC顆粒具有很高的硬度和彈性模量，在復合材料的摩擦過程中是主要的承載單元，可以起到硬質承載支點，保護銅基體材料，使磨損率下降。

圖4 在10N載荷下SiC含量不同的復合材料的體積磨損率Fig.4 Volume wear rate of the composite with different SiC contents at 10N

圖5 在10N載荷下不同材料磨損表面的SEM形貌Fig.5 SEM morphology of the worn surface of pure copper（a）and Cu-10%SiC composite（b）at 10N

從圖5中可以看出，純銅的磨損表面呈現嚴重的粘著磨損和塑性變形跡象，而添加SiC后，粘著磨損和塑性變形跡象有所緩解，磨損表面的特征主要為平行于滑動方向的犁削溝槽，且犁溝較淺和窄，試樣表面呈現磨粒磨損特征［9-10］。

2.4 石墨含量對摩擦磨損性能的影響

從圖6中可以看出，隨著石墨含量的增加，復合材料體積磨損率和摩擦因數均呈先下降后升高的趨勢；石墨含量在6%時體積磨損率和摩擦因數最小，此時材料的耐磨性最好；而當石墨繼續增加到8%時，磨損率和摩擦因數反而又上升。這是因為少量的石墨在摩擦過程中可以滲出到摩擦接觸表面作為自潤滑劑，與SiC硬質增強顆粒發揮協同作用保護銅基體，從而提高復合材料的耐磨性，但含量過高會使材料表層的SiC硬質支點的密度減少，造成載荷主要承載單元不足，從而表現為體積磨損率的增大。

從圖7中可以看出，Cu-10%SiC-6%Gr復合材料磨損表面比較平整，犁溝較淺且較少，不存在明顯的剝落現象，同時磨損表面被一層機械混合層覆蓋；經EDS分析可以看出，混合層中含有碳元素，表明混合層中含有石墨，另有銅、鐵、硅、氧等成分，其中鐵和氧含量較多，說明這一試驗條件下復合材料主要受到對磨鋼環凸起的刮擦作用，并在復合材料表面形成了一層光滑致密的氧化膜，該氧化膜的存在起到了一定的耐磨和減摩作用，這一階段磨損機制主要以磨粒磨損為主［11］。

圖6 在10N載荷下不同石墨含量復合材料的摩擦磨損性能Fig.6 Friction and wear properties of the composite with different graphite contents at 10N：（a）volume wear rate and（b）friction coefficient

圖7 Cu-10%SiC-6%Gr復合材料磨損表面SEM形貌和EDS譜Fig.7 SEM morphology（a）and EDS pattern（b）of the worn surface of Cu-10%SiC-6%Gr composite

在磨損的初期階段，復合材料的亞表層在載荷作用下沿相對滑動方向產生塑性變形，其內的石墨顆粒被擠出并分布在偶件表面上，有的與夾在對磨表面之間的磨屑顆粒相混合，在對磨表面連續機械混合作用下而形成富含石墨、細小磨屑的顆粒混合物。在摩擦表面正壓力的作用下，這些原來較為疏松的顆粒混合物被擠壓而形成致密機械混合層。由于石墨本身具有較強的粘附性，因此其微粒主要粘附在摩擦副接觸表面上，很少隨其它磨屑拋出，因此添加適量的石墨顆粒可以提高復合材料的耐磨性能。

3 結 論

（1）混雜增強復合材料的體積磨損率比單一增強復合材料的體積磨損率低，并且隨著載荷的增大該復合材料的摩擦過程趨于更平穩狀態。

（2）混雜增強的復合材料耐磨性明顯優于純銅材料，隨著SiC含量的增加，體積磨損率逐漸減少，SiC顆粒作為增強相可以起到硬質承載作用，減輕基體與偶件之間的粘著作用及塑性變形從而顯著改善復合材料的耐磨性能。

（3）石墨顆粒的加入發揮了自潤滑減摩的作用，并在摩擦過程中形成機械混合層，復合材料的磨損機理主要以磨粒磨損為主。

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