SiC和石墨顆粒混雜增強(qiáng)銅基復(fù)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710048；2.陜西華山工程機(jī)械有限公司，西安710018）

0 引 言

顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有良好的耐磨性能和優(yōu)異的力學(xué)性能，且制備工藝簡(jiǎn)單、成本較低，在電子、機(jī)械、航空、航天等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，因此近年來得到迅速發(fā)展［1］。將高強(qiáng)度、高硬度、高模量、高溫穩(wěn)定性好的陶瓷顆粒加入銅基體中得到的復(fù)合材料，可以用作航天飛機(jī)高導(dǎo)熱機(jī)身材料、半導(dǎo)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(guó)內(nèi)外對(duì)于單一顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料如SiC/Cu復(fù)合材料的研究較多，對(duì)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(duì)SiC/Cu復(fù)合材料界面結(jié)合的影響；湛永鐘［7］等研究了SiC顆粒含量及尺寸對(duì)復(fù)合材料磨損性能的影響。而關(guān)于SiC和石墨顆粒混雜增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的室溫摩擦磨損行為還沒有系統(tǒng)的研究報(bào)道。為此，作者以SiC和石墨顆粒作為增強(qiáng)顆粒，采用粉末冶金方法制備顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，研究其摩擦磨損性能，并探討了復(fù)合材料的磨損機(jī)理。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)以平均粒徑75μm、純度大于99.7%的電解銅粉為基體材料，增強(qiáng)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(qiáng)銅基復(fù)合材料（以下稱復(fù)合材料）分別按體積分?jǐn)?shù)（實(shí)際操作中將體積分?jǐn)?shù)用公式換算為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）5%，10%，15%，20%的SiC和體積分?jǐn)?shù)5%的Gr（石墨）與電解銅粉進(jìn)行配比，研究SiC含量的影響；為研究石墨含量對(duì)摩擦磨損性能的影響，將體積分?jǐn)?shù)10%的SiC分別和0，2%，4%，6%，8%（體積分?jǐn)?shù)，下同）的石墨與電解銅粉進(jìn)行配比；同時(shí)采用相同的工藝參數(shù)制備純銅試樣。將配比好的原料在機(jī)械式混粉機(jī)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(hù)爐中進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)時(shí)以氬氣作為保護(hù)氣體，燒結(jié)溫度920℃，保溫時(shí)間60min，然后隨爐冷卻至室溫，制得不同配比的復(fù)合材料試樣。燒結(jié)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(dǎo)致試樣出現(xiàn)裂紋或變形，及消除部分殘余應(yīng)力。

1.2 試驗(yàn)方法

摩擦磨損試驗(yàn)在HT-1000型高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，摩擦方式為銷盤式，其中銷試樣為所制備的銅基復(fù)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(yàn)在室溫下進(jìn)行，摩擦半徑為8mm，轉(zhuǎn)速為400r·min-1，摩擦距離為610m，載荷分別為5，10，15，20N。每次試驗(yàn)開始前預(yù)磨10min，以便使銷試樣與對(duì)磨盤間充分接觸。試驗(yàn)前后，將銷試樣用無水乙醇清洗干凈，并用FA2004型（精度達(dá)0.000 1g）電子天平對(duì)試驗(yàn)前后銷試樣的質(zhì)量進(jìn)行稱量，復(fù)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(yàn)前后的質(zhì)量損失，g；N為試驗(yàn)載荷，N；S為滑動(dòng)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(fù)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(qū)域的化學(xué)成分。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

各種配比復(fù)合材料的顯微組織基本相同，下面以Cu-10%SiC-5%Gr復(fù)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(zhì)為石墨顆粒，淺黑色顆粒狀物質(zhì)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(tuán)聚現(xiàn)象產(chǎn)生。

圖1 Cu-10%SiC-5%Gr復(fù)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(fù)合材料為例，分析體積磨損率隨著載荷變化的關(guān)系曲線。從圖2可以看出，隨著載荷的增加，兩種復(fù)合材料體積磨損率逐漸增加，當(dāng)載荷在5～10N之間時(shí)，兩種復(fù)合材料體積磨損率急劇增加，而載荷在15～20N之間時(shí)體積磨損率緩慢增加，對(duì)載荷的變化不是特別敏感，主要原因是石墨此時(shí)發(fā)揮了固體潤(rùn)滑作用。在不同載荷作用下復(fù)合材料具有不同的磨損機(jī)制，在低載荷下復(fù)合材料磨損機(jī)制主要以磨粒磨損為主，在高載荷作用下復(fù)合材料磨損機(jī)制以磨粒磨損和粘著磨損共同作用為主。因此，復(fù)合材料在低載荷和高載荷作用下體積磨損率相差較大。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，SiC和石墨混雜增強(qiáng)復(fù)合材料的體積磨損率明顯比SiC單一增強(qiáng)復(fù)合材料的體積磨損率低。這是因?yàn)樵谀p的過程中石墨作為固體潤(rùn)滑劑從磨損表面向摩擦表面轉(zhuǎn)移，有的與夾在對(duì)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(jī)械混合層［8］，混合層的存在減小了復(fù)合材料和對(duì)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(rùn)滑減磨作用。

圖2 不同載荷下不同復(fù)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(fù)合材料為例，分析相同載荷（10N）作用下摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線。從圖3中可以看出，混雜增強(qiáng)復(fù)合材料的摩擦因數(shù)比單一增強(qiáng)復(fù)合材料的低得多，隨著磨損時(shí)間的延長(zhǎng)，混雜增強(qiáng)復(fù)合材料的摩擦因數(shù)變化幅度較小，趨于某一值，這表明石墨顆粒賦予了復(fù)合材料優(yōu)良的減磨特性，使摩擦過程更加平穩(wěn)。

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

2.3 SiC含量對(duì)摩擦磨損性能的影響

從圖4可以看出，復(fù)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(fù)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(fù)合材料的摩擦過程中是主要的承載單元，可以起到硬質(zhì)承載支點(diǎn)，保護(hù)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(fù)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(xiàn)嚴(yán)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(dòng)方向的犁削溝槽，且犁溝較淺和窄，試樣表面呈現(xiàn)磨粒磨損特征［9-10］。

2.4 石墨含量對(duì)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(fù)合材料體積磨損率和摩擦因數(shù)均呈先下降后升高的趨勢(shì)；石墨含量在6%時(shí)體積磨損率和摩擦因數(shù)最小，此時(shí)材料的耐磨性最好；而當(dāng)石墨繼續(xù)增加到8%時(shí)，磨損率和摩擦因數(shù)反而又上升。這是因?yàn)樯倭康氖谀Σ吝^程中可以滲出到摩擦接觸表面作為自潤(rùn)滑劑，與SiC硬質(zhì)增強(qiáng)顆粒發(fā)揮協(xié)同作用保護(hù)銅基體，從而提高復(fù)合材料的耐磨性，但含量過高會(huì)使材料表層的SiC硬質(zhì)支點(diǎn)的密度減少，造成載荷主要承載單元不足，從而表現(xiàn)為體積磨損率的增大。

從圖7中可以看出，Cu-10%SiC-6%Gr復(fù)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(xiàn)象，同時(shí)磨損表面被一層機(jī)械混合層覆蓋；經(jīng)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(yàn)條件下復(fù)合材料主要受到對(duì)磨鋼環(huán)凸起的刮擦作用，并在復(fù)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(jī)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(fù)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(fù)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(fù)合材料的亞表層在載荷作用下沿相對(duì)滑動(dòng)方向產(chǎn)生塑性變形，其內(nèi)的石墨顆粒被擠出并分布在偶件表面上，有的與夾在對(duì)磨表面之間的磨屑顆粒相混合，在對(duì)磨表面連續(xù)機(jī)械混合作用下而形成富含石墨、細(xì)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(jī)械混合層。由于石墨本身具有較強(qiáng)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(fù)合材料的耐磨性能。

3 結(jié) 論

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

（2）混雜增強(qiáng)的復(fù)合材料耐磨性明顯優(yōu)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(qiáng)相可以起到硬質(zhì)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(fù)合材料的耐磨性能。

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

［1］曾昭鋒.氧化鋁顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的摩擦磨損性能研究［J］.機(jī)械工程材料，2011，8（35）：72-77.

［2］CHEN Y，XING J D，ZHANG Y Z.The tribological behavior of aluminum matrix composites reinforced with ceramic particulates in dry sliding against a semi-metallic frictional material［J］.Tribology，2001，21（4）：251-255.

［3］ZHU J，LIU L，ZHAO H，SHEN B，et al.Microstructure and performance of electroformed Cu/nano-SiC composite［J］.Mater Des，2007，28（19）：58-62.

［4］ZHAN Y，ZHANG G.The effect of interfacial modifying on the mechanical and wear properties of SiCp/Cu composites［J］.Mater Lett，2003，57（4）：459-583.

［5］王偉，許曉靜.添加少量納米SiC對(duì)銅基和摩擦學(xué)性能的影響［J］.機(jī)械工程材料，2005，29（4）：18-22.

［6］黎壽山，王海龍，劉瑞瑜，等.不同工藝對(duì)SiC/Cu復(fù)合材料界面結(jié)合的影響［J］.稀有金屬材料與工程，2007，36（1）：689-692.

［7］湛永鐘，張國(guó)定.SiCp/Cu復(fù)合材料摩擦磨損行為的研究［J］.摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2003，23（6）：495-499.

［8］王春華，關(guān)邵康，張銳，等.SiC/Cu復(fù)合材料的顯微組織和力學(xué)性能［J］.機(jī)械工程材料，2007，31（9）：45-50.

［9］李幫盛，尚俊玲，郭景杰，等.TiB原位晶須增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的磨損機(jī)制［J］.摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25（1）：18-22.

［10］康立忠.SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料干摩擦磨損的研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2008：17-18.

［11］湛永鐘，張國(guó)定，蔡宏偉.高導(dǎo)電耐磨銅基復(fù)合材料的研究［J］.機(jī)械工程材料，2003，27（11）：18-21.