銅包石墨含量對銅錳鋁復合材料摩擦磨損性能的影響*

彭成章 左 思

(湖南科技大學機械設(shè)備健康維護重點實驗室 湖南湘潭 411201)

銅基自潤滑復合材料具有抗氧化、耐高溫、耐腐蝕及磨合性好等優(yōu)點，在真空、高溫和無油或少油環(huán)境下有較廣泛的應用[1-3]。從已有文獻來看，銅基自潤滑復合材料主要以純Cu、Cu-Sn和Cu-Ni-Sn合金作為基體，添加石墨、碳纖維、二硫化鎢和二硫化鉬等潤滑物質(zhì)，用粉末冶金或復合電沉積方法加工而成[4-9]。由于石墨等物質(zhì)與金屬的相容性差，顯著降低基體的力學性能。為了改善復合材料的性能，人們對石墨微粒進行化學鍍銅、鍍鎳表面改性處理和用放電等離子體燒結(jié)來提高固體微粒與基體間的界面結(jié)合強度和材料的致密度。尹延國等[10]采用復壓復燒工藝研究了鍍鎳石墨粉對銅基復合材料力學性能的影響，研究表明,鍍鎳石墨粉比純石墨粉顯著提高了復合材料的壓潰強度和沖擊韌性。張曉丹等[11]研究了石墨的銅包覆量對自潤滑材料性能的影響，采用含銅量為30%(質(zhì)量分數(shù))的銅包石墨粉制備的復合材料的致密性和抗壓強度明顯高于未鍍銅石墨復合材料。劉向兵等[12]用熱壓與放電等離子體燒結(jié)2種工藝制備Al2O3/Cu復合材料，測試結(jié)果表明放電等離子體燒結(jié)的復合材料的致密度、抗彎強度及導電率均高于熱壓法制備的材料。

銅錳鋁合金是本文作者所在的課題組研發(fā)的新型銅基金屬材料，它具有強度高、耐溫性好和優(yōu)良的干摩擦性能等特性[13]，在高溫、重載工況下有較大的應用潛力。但是，銅錳鋁合金在真空和氫氣還原氣氛下的粉末燒結(jié)性能較差。為改善銅錳鋁合金的粉末燒結(jié)性能，并提高其在干摩擦下的摩擦磨損性能，本文作者以銅包石墨作為自潤滑相加入到銅錳鋁合金中，采用等離子真空壓力燒結(jié)(SPS)工藝制備銅錳鋁/石墨復合材料，以期得到力學性能和摩擦磨損性能較高的復合材料。

1 試驗方法

1.1 材料制備

金屬粉末選用北京冶金研究總院生產(chǎn)的銅粉、錳粉、鋁粉、鎳粉和鐵粉，純度大于99%(質(zhì)量分數(shù))，粒度為200～300目。固體潤滑相：銅包石墨粉末，銅含量為50%。銅錳鋁基合金的化學組成見文獻[13]，在合金中按質(zhì)量分數(shù)0、4%、6%、8%、10%添加銅包石墨，相應的試樣編號為1#～5#。將各粉末按比例倒入混料器中充分混合，然后裝入φ30 mm的模具中，在壓力試驗機上成形，壓制壓力為300 MPa，保壓1 min，得到尺寸為φ30 mm×4 mm預制坯料。將坯料裝入φ30 mm的石墨模具中，放入等離子體爐內(nèi)進行燒結(jié)，升溫速度50 ℃/min，燒結(jié)溫度為830 ℃，在該溫度下保溫6 min，同時外加軸向壓力30 MPa,系統(tǒng)真空度低于1×10-2Pa。然后關(guān)掉SPS 系統(tǒng)，自然冷卻，得到圓片試樣。

1.2 性能測試

采用HXS-1000A型顯微硬度計測量材料的硬度，載荷為2 N，保留時間5 s；隨機取5個點進行測量，取平均值。根據(jù)GB 5123—1985標準，采用“排水法”測量材料密度。

采用HRS-2M型高速往復式摩擦試驗機進行室溫干摩擦和滴油潤滑摩擦磨損試驗，潤滑油為20機油；對偶材料為直徑4 mm 淬火45鋼球，硬度為52HRC。試驗條件：滑動速度為0.1 m/s，單次滑動行程5 mm，時間為20 min，干摩擦的法向載荷為10～30 N，滴油潤滑條件下的法向載荷為20～60 N，滴油速度每2 min 1滴。

利用TESCAN-MIRA3型掃描電子顯微鏡觀察材料的磨損表面形貌，用NanoMap500-LS雙模式三維表面輪廓儀測量磨痕上3個截面的面積，取平均值乘以磨痕長度作為磨損體積。材料的磨損率按下式計算：

式中：ω為試樣的磨損率，mm3/(N·m)；ΔV為試樣的磨損體積，mm3；l為滑動距離，m；F為載荷，N。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 材料的微觀結(jié)構(gòu)和硬度

表1給出了等離子體燒結(jié)不同石墨含量復合材料的密度和顯微硬度。可知，不含石墨的銅錳鋁合金的密度為7 440 kg/m3，硬度為272.03HV，接近熔鑄銅錳鋁合金密度7 800 kg/m3和硬度317.4 HV[13]，致密度為98.13%。而文獻[14]用氫氣還原氣氛燒結(jié)的相同組分的銅錳鋁復合材料，其中不含石墨的銅錳鋁合金的密度為6 196 kg/m3，硬度僅為217HV。這說明等離子體燒結(jié)方法改善了銅錳鋁合金的燒結(jié)性能，提高了材料的組織致密性和硬度。這是因為等離子體燒結(jié)過程中對試樣施加壓力是促進金屬粉末顆粒流動和填充，減少孔隙數(shù)量和尺寸，提高材料的致密性的關(guān)鍵因素。

由表1還可以看出，隨著銅包石墨質(zhì)量分數(shù)的增加，復合材料的密度和硬度逐漸降低。這是由于石墨為層狀結(jié)構(gòu)，層間原子結(jié)合強度低，它對基體起到割裂作用，導致銅包石墨復合材料的硬度降低[15]。當石墨質(zhì)量分數(shù)為10%的復合材料的密度和硬度分別為6 760 kg/m3和169.5HV，大大高于文獻[14]用氫氣還原氣氛燒結(jié)的復合材料的密度和硬度(分別為5.11 kg/m3和116.2HV)。

表1 復合材料的密度和顯微硬度

2.2 干摩擦條件下材料的摩擦磨損性能

圖1所示為復合材料的干摩擦因數(shù)隨時間的變化曲線。可以看出，載荷為10 N時，銅錳鋁合金的摩擦因數(shù)由試驗初期的0.3增大至0.4，在試驗過程中摩擦副運行不穩(wěn)定；而不同石墨含量的復合材料的摩擦因數(shù)較小，低于0.12，說明石墨對材料的減摩特性有明顯的作用；載荷為20 N時，銅錳鋁合金的摩擦因數(shù)曲線波動較大，石墨質(zhì)量分數(shù)為4.0%和10%的2#、5#2種復合材料的摩擦因數(shù)增大，分別為0.3和0.22，而石墨質(zhì)量分數(shù)為6.0%和8.0%的3#、4# 2種復合材料的摩擦因數(shù)仍然保持在0.1以下；當載荷增大至30 N時，不含石墨和石墨含量低的1#和2#試樣的摩擦磨損性能顯著變差，石墨含量高的4#和5#試樣摩擦因數(shù)增大至0.25以上。

圖2所示為干摩擦條件下載荷為20 N時不同石墨含量復合材料的磨損表面形貌。可以看出，不含石墨的銅錳鋁合金的磨損表面產(chǎn)生了明顯的黏著層，石墨質(zhì)量分數(shù)為4.0%的2#復合材料的磨損表面形成了“面皮”似結(jié)構(gòu)的不連續(xù)的碾壓層，在碾壓層不連續(xù)的位置存在“臺階”，由于黏著層或臺階的存在，導致摩擦表面的粗糙度增大，使得材料的摩擦因數(shù)增大。石墨質(zhì)量分數(shù)為6.0%和8.0%的3#、4#2種材料的磨痕寬度小，表面碾壓層較完整、光滑，因而摩擦因數(shù)小。當石墨質(zhì)量分數(shù)增大至10.0%，材料摩擦表面又產(chǎn)生了不完整的黏結(jié)層，表面粗糙度增大,摩擦因數(shù)增大。

由材料的致密性和硬度測試數(shù)據(jù)可知，粉末燒結(jié)材料存在內(nèi)部組織疏松、微孔等缺陷，在這些結(jié)合強度較弱的部位，在剪切力和壓力復合作用下材料發(fā)生斷裂、下陷形成微坑，使得摩擦過程中對偶件刮擦材料產(chǎn)生的碎屑在微坑處堆積，在外力作用下形成碾壓層，從而增大了摩擦表面的粗糙度，引起摩擦因數(shù)增大。當材料中添加適量石墨后，在摩擦的開始階段，石墨在摩擦表面鋪展形成一層潤滑膜，降低了摩擦阻力，導致作用在材料上的剪切力小，此時材料的抗壓能力將影響摩擦副的摩擦磨損特性。當作用在材料表面的壓力小時，基體和潤滑膜沒有發(fā)生破壞，摩擦副仍然在較低的摩擦因數(shù)下工作；當作用在材料表面的壓力增大至一定值時，在基體與石墨結(jié)合力較弱位置和孔洞等缺陷部位產(chǎn)生壓潰，摩擦表面將變得凸凹不平、潤滑膜被破壞，以致材料的摩擦因數(shù)增大。

圖3所示為復合材料的磨損率。可以看出，載荷小于20 N時，石墨質(zhì)量分數(shù)為6.0%和8.0%的3#、4#2種復合材料的磨損率較低，當載荷增加至30 N后，材料的磨損率顯著增大，增加約2個數(shù)量級。因此，在低載荷條件下石墨質(zhì)量分數(shù)為6.0%～8.0%的銅錳鋁復合材料有較好的減摩和耐磨性能，在干摩擦條件下可以作為自潤滑材料使用。

2.3 滴油潤滑條件下材料的摩擦磨損性能

圖4所示為滴油潤滑條件下復合材料的摩擦因數(shù)隨時間的變化曲線。可以看出，滴油潤滑條件下銅錳鋁合金的摩擦因數(shù)小于0.11，比干摩擦的摩擦因數(shù)低很多，摩擦過程很平穩(wěn)。說明在滴油潤滑條件下，摩擦副之間形成了一層薄的油膜，顯著減小了摩擦阻力，使得材料表現(xiàn)出較低的摩擦因數(shù)。幾種復合材料的摩擦因數(shù)隨著載荷的增大而變大，當載荷為60 N時，石墨含量高的4#和5#試樣的摩擦因數(shù)增大至0.25以上。

圖5所示為滴油潤滑條件下載荷為60 N時幾種材料的磨損表面形貌。可以看出，銅錳鋁合金的磨損表面光滑，沿滑動方向有較淺的磨痕；石墨含量少的2#和3#試樣的磨損表面產(chǎn)生了薄的碾壓層；在石墨含量高的4#和5#試樣的磨損表面形成了一層金屬與石墨的混合物。在滴油潤滑條件下，作用在材料表面的剪切應力小，材料的摩擦磨損行為表現(xiàn)出復合材料在干摩擦條件下的摩擦磨損行為特征。銅錳鋁合金的強度高，抵抗壓潰損傷的能力強，其磨損表面只產(chǎn)生了輕微的刮擦。復合材料的強度低，在較高壓力作用下與石墨相連的基體金屬被壓潰、凹陷，部分石墨被擠出轉(zhuǎn)移至磨損表面和油液中。隨著摩擦過程的進行，對偶件刮擦產(chǎn)生的磨屑和石墨微粒在壓潰部位不斷堆積、擠壓，形成磨屑與石墨的混合物。當材料中石墨含量低時，基體壓潰程度輕，混合物中石墨夾雜量少，磨屑在外力作用下發(fā)生團聚而碾壓成膜；當材料中石墨含量高時，基體壓潰面積和深度增大，混合物中石墨夾雜量增多，由于石墨和金屬的相溶性差，石墨對磨屑產(chǎn)生分散作用，使得磨屑不容易產(chǎn)生團聚，在剪切力和壓力交互作用下磨屑進一步破碎為微細的金屬顆粒，在磨損表面形成金屬/石墨的機械混合物。金屬顆粒的存在導致磨損表面微觀不平度增加，使得摩擦過程中摩擦因數(shù)增大。

圖6所示為滴油潤滑條件下材料的磨損率。可以看出，當載荷相同時銅錳鋁合金的磨損率略低于復合材料的磨損率，石墨含量對復合材料的磨損率的影響不明顯。由材料的磨損表面形貌分析可知，復合材料在摩擦過程中產(chǎn)生了壓潰和石墨流失，導致磨損率增大。但是，復合材料在經(jīng)歷表層局部壓潰后，在后續(xù)摩擦過程中，壓潰損傷部位得到自修復，承載能力增大。所以不同石墨含量的復合材料的磨損率均比較低。

3 結(jié)論

(1)等離子壓力燒結(jié)工藝可顯著提高銅錳鋁基石墨復合材料的致密度和硬度，復合材料的硬度隨石墨含量的增加而降低。

(2)在干摩擦條件下，載荷小于20 N時，石墨質(zhì)量分數(shù)為6.0%～8.0%的復合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩和耐磨性能，可以作為自潤滑材料使用。

(3)在滴油潤滑條件下，幾種材料的承載能力均有很大提高，但復合材料在減摩、耐磨和承載能力方面略低于銅錳鋁基合金。