Cu-Ni-Si-Cr 銅基復合摩擦材料合金元素正交優化研究

摘要：【目的】開發高性能銅基復合摩擦材料，以滿足高鐵提速后的制動系統要求。【方法】制備Cu-Ni-Si-Cr合金為基體的銅基復合材料，采用正交實驗法探究合金中Ni，Si，Cr的合金元素比例對銅基復合材料的力學性能和摩擦學性能的影響。【結果】結果顯示：以Cu-7Ni-1.75Si-0.75Cr 為基體的銅基復合材料硬度和強度最高，分別為49.90 HBW和171.98 MPa；摩擦系數和磨損量綜合性能最佳。在25～650 ℃條件下，隨著溫度的提高，摩擦系數先增加后減小，磨損量不斷增加，在450 ℃下，銅基復合材料的摩擦系數最高，磨損機理由磨粒磨損向氧化磨損和磨粒磨損轉變。【結論】通過正交實驗法得到最優元素配比的銅基復合摩擦材料，對有效提升其高溫摩擦性能具有重要意義。

關鍵詞：正交實驗法；基體合金化；摩擦系數；磨損量；磨損表面

中圖分類號：U270.35；TF125 文獻標志碼：A

本文引用格式：趙龍志，馬現軍，李根，等. Cu-Ni-Si-Cr 銅基復合摩擦材料合金元素正交優化研究[J]. 華東交通大學學報，2024，41（6）：99-105.

【研究意義】銅基復合材料因具備出色的導熱性、耐高溫、耐磨性以及穩定的摩擦系數等特性，在風電、高鐵、航天、航空機械離合器等的制動場景得到廣泛應用[1]。高速列車運行速度持續提升，制動材料所承受的熱負荷亦隨之增加。列車高速化對銅基復合材料在高溫下的力學性能、耐磨性及摩擦系數的穩定性提出了更高的要求[2]。

【研究進展】在高溫制動摩擦過程中，銅基復合材料的軟化是導致其摩擦系數不穩定的關鍵因素。采用銅基體合金化方式是提升材料耐高溫軟化能力的有效手段之一。合金化是高溫條件下合金元素在基體中通過溶解擴散，形成固溶強化或高溫強化相，這不僅增強了基體在高溫下的強度，還優化了其摩擦學特性[3]。魏東彬等[4]發現，將銅鐵預合金粉末加入銅基復合材料中，可在界面處形成珠光體硬質相，從而顯著提升材料的摩擦磨損性能，含30%銅鐵預合金粉末的復合材料展現了最優的性能，其良好的塑性和適量的硬質相共同強化了摩擦表面。Zhao 等[5]發現納米Al2O3顆粒彌散強化的銅基復合材料，表現出較高的摩擦系數及穩定性，盡管硬質顆粒的脫落可能導致磨損增加。Zhang等[6]的研究表明，向銅基復合材料中添加鎳能夠提高其連續緊急制動性能，并在摩擦表面形成堅固的機械混合層以及厚實的氧化層，增強對塑性變形的抵抗力。劉建秀等[7-8]通過添加鎳、鉻元素，并通過固溶強化機制作用于基體，使材料組織細化，晶粒分布更加均勻，從而有效提升了銅基復合材料的強度和硬度，增加了摩擦系數的穩定性，并降低了磨損率。文國富等[9]指出，鎳在基體強化效果上優于鉻，能有效降低摩擦系數和磨損率。此外Cu-Ni-Si-Cr 合金是一種具有優異高溫性能的銅合金，表現出高強度、高導熱率、高耐熱性和優異的耐高溫軟化能力[10]。Yang 等[11]系統比較CuNiSi 與Cu-NiSiCr 合金發現由于Cr3Si 相的生成使CuNiSiCr 合金出現更顯著的晶粒細化，增強了其結構穩定性。

【創新特色】上述研究多關注單一或少量元素對銅基體的影響，忽視了多元素間的協同作用。本文通過采用正交實驗法對Ni，Cr，Si 元素含量進行優化，實現了多元素組分與性能之間的高效篩選和分析，提供了一種快速、準確確定最佳合金組成比的新途徑。【關鍵問題】采取銅基體合金化，研究合金最優比例的銅基復合材料在不同溫度下的摩擦學性能，對銅基復合摩擦材料的實際應用，提供理論依據。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

采用粉末冶金法制備銅基復合材料，通過正交實驗法確定Ni，Cr，Si 的具體含量，Ni，Cr，Si 的含量作為正交實驗的3 個因素，每個因素設置3 個水平，以摩擦系數和磨損量作為指標，采用L9（33）正交表進行實驗，各組元素比例如表1 所示。

將Cu-Ni-Si-Cr 各粉體分別按設計含量稱量，置入球磨罐中，在行星式球磨機上混合均勻，轉速為350 r/min，時間為10 h。表2 為銅基復合材料成分組成，將銅基復合材料各原料粉末經V型混料機混合4 h，混合均勻的粉末倒入冷壓模具內，并在460 MPa的壓力下進行冷壓成型，保壓30 s 后進行高溫高壓燒結，燒結溫度為1 000 ℃，壓力為5.9 MPa，保溫時間為5 h，然后隨爐冷卻后取出。

1.2 實驗方法

使用MPT-3G型國產高溫摩擦試驗機進行系統的摩擦學實驗研究，在摩擦實驗中，設定摩擦半徑為15 mm，并選用直徑為4 mm、高度為12 mm的圓柱形銷試樣進行測試。摩擦副是直徑為75 mm、厚度為5 mm的24CrNiMo 合金鋼圓盤。預磨試驗后（壓力20 N，轉速400 r/min，磨合5 min），通過精確的溫度控制系統，將試樣和摩擦副加熱至預定溫度，隨后進行摩擦磨損試驗，時間為20 min，摩擦系數由試驗機導出數據計算得出，磨損量由試驗前后多次稱重求質量差平均值。

使用DHB-3000 型布氏硬度計測量試樣的硬度，實驗結果取5 次測試的平均值。在68TM-50 型萬能試驗機上測試銅基復合材料的壓縮強度，取3次測試的平均值。金相顯微鏡（Zeiss Axio Vert.A1）觀察材料的組織形貌；X 衍射儀射線（XRD；XRD-6100，Shimadzu，Japan）對材料表面進行物相分析；掃描電子顯微鏡（SU8010，Japan）分析材料表面的摩擦形貌。

2 結果與討論

2.1 銅基復合材料的組織形貌

圖1 為銅基復合材料的組織形貌，大面積的白色為Cu-Ni-Si-Cr 基體，起到支撐對偶件和鑲嵌其他組元的作用。不規則的大塊黑色組織是團聚后的石墨，為潤滑組元，作用為有效減少材料的磨損。淺灰色的CrFe 和黑色有規則形狀的SiO2作為摩擦組元，可有效提高材料的摩擦系數，改善復合材料的摩擦磨損性能，各組元共同提高復合材料的綜合性能。

圖2 為銅基復合材料Cu-Ni-Si-Cr 基體的能譜面掃描分析結果和XRD分析結果，圖2（b）～圖2（d）分別為Si，Cr，Ni 元素的面分布。Si 元素和Cr，Ni 元素分布與第二相的分布幾乎吻合，證明了第二相析出物的主要成分是Si，Cr 和Ni 元素。結合圖2（f）的XRD 分析，基體中存在的相主要是Cu，Ni2Si，Cr3Si相。Cr3Si 和Ni2Si 粒子與周圍產生了共格應變場并與位錯發生了交互作用，從而阻礙了位錯運動，提高了復合材料的硬度和強度[12]。

2.2 銅基復合材料的力學性能

表3 為銅基復合材料硬度和壓縮強度的測試結果，硬度和強度最高的為CA5 試樣，其硬度達到49.90 HBW，壓縮強度為171.98 MPa。適量的Cr 能夠提高Cu 與石墨接觸面的潤濕性，提高金屬基體與非金屬組元之間的結合強度，改善燒結性能，降低孔隙率[12]。Ni 進入Cu 晶格中并替換Cu，致使Cu晶格出現畸變，增加區域的彈性畸變能，使得原子位錯運動的阻力加強，提高了材料的硬度和強度。此外，Ni2Si，Cr3Si 相強化也是提高復合材料力學性能的關鍵因素，基體中析出的第二相彌散分布在基體中阻礙位錯運動從而強化復合材料，提高復合材料的硬度和壓縮強度。

2.3 銅基復合材料的摩擦學性能

2.3.1 合金元素含量的影響

從表4 的極差分析可知，R2gt;R1gt;R3，3 個影響因素按顯著程度依次為Ni，Si，Cr，最優方案為A2B2C1。結合9 組實驗中3 個元素的比例，摩擦系數最佳的試樣為CA5，即7.0Ni-1.75Si-0.75Cr。

從表5 的極差分析可知，R1gt;R2gt;R3，3 個影響因素按顯著程度依次為Ni，Si，Cr，最優方案為B2A2C1。結合9 組實驗中3 個元素的比例，摩損量最低的為CA5 試樣，即7.0Ni-1.75Si-0.75Cr。根據摩擦系數和磨損量的正交實驗結果，試樣CA5 的綜合性能最佳。

圖3 為各銅基復合材料摩擦表面的SEM圖像。對于CA1 與CA2 試樣，摩擦表面出現大量溝槽和剝落坑，這些溝槽深淺不一，有的幾乎貫穿整個摩擦面，而剝落坑則是表面被劇烈摩擦留下的痕跡，粘著磨損使得摩擦表面的材料在相互接觸時發生粘結，隨后在摩擦力的作用下被撕裂；而磨粒磨損則是由于微凸點在摩擦表面之間滑動，造成表面材料的逐漸磨損，磨損機理以粘著磨損與磨粒磨損為主，如圖3（a）和圖3（b）所示。CA3～CA5 試樣基體中形成硬質相，摩擦表面形成了相對完整的摩擦膜，在基體軟化后能夠承擔主要的載荷，降低了粘著磨損，阻礙了磨屑的運動，增加了摩擦表面摩擦膜的覆蓋范圍，表面上仍然有一些淺而稀疏的溝槽，這種犁溝可能是由于摩擦表面之間存在的少量硬質顆粒造成的，磨損機理主要為磨粒磨損，如圖3（c）～圖3（e）所示。CA6～CA9 試樣的摩擦表面存在寬而深的溝槽，這些溝槽的形狀和分布都表明剝層現象在這些試樣中顯著加劇，還存在大量的剝落坑，硬質顆粒在表面滾動或滑動，導致溝槽的形成，材料摩擦表面在摩擦力的作用下發生層狀剝落，磨損機理以磨粒磨損與剝層磨損為主，如圖3（f）～圖3（i）所示。

2.3.2 溫度的影響

CA5 試樣在不同溫度下的摩擦系數和磨損量見圖4。CA5 試樣為以Cu-7Ni-1.75Si-0.75Cr 為基體的銅基復合材料，摩擦系數隨著溫度的升高先增加后降低，磨損量隨著溫度的升高而不斷增加。從25 ℃升高至450 ℃時，隨著溫度的提升，耐高溫的第二相使得銅基復合材料在高溫下保持了優異的機械性能和穩定性，降低了熱變形或熱疲勞的風險，有效地削弱了基體在高溫下的軟化趨勢，有利于增強銅基復合材料在高溫下的結構強度，從而提高銅基復合材料的摩擦系數。當溫度提升至650 ℃時，摩擦系數較450 ℃時略有降低，這一現象可歸因于更高溫度下粘合點的剪切抗力減弱。同時，由于銅的軟化效應加劇，其承載能力下降。此外，CrFe顆粒在高溫作用下更易發生破碎與脫落，導致銅基材料表面的CrFe 顆粒含量降低，從而減弱了其對摩擦副的切削作用。氧化膜的穩定性和平滑性得到增強，進而降低了表面粗糙度，最終導致摩擦系數的降低。隨著溫度的不斷提高，復合材料的強度和硬度降低，使得材料表面更容易磨損。高溫還會導致材料表面發生氧化，這些氧化產物會作為磨粒參與磨損過程，從而增加磨損量。

圖5 為CA5 試樣在不同溫度下摩擦表面的SEM圖像。在25 ℃下，摩擦表面相對平整，剝落坑較少，僅有少量淺淺的溝槽，磨損機理主要為磨粒磨損，如圖5（a）所示。在250 ℃下，摩擦表面粗糙程度明顯增加，摩擦表面出現較深較多的溝槽，剝落坑面積較大，磨損機理以粘著磨損與磨粒磨損為主，如圖5（b）所示。在450 ℃下，大量的熱促進材料的表面軟化和氧化，溫度超過400 ℃時石墨顆粒逐漸被氧化，摩擦表面的溝槽更寬更深，剝層現象加劇，磨損量增大，其磨損機理以氧化磨損和剝層磨損為主，如圖5（c）所示。當溫度升高至650 ℃時，摩擦表面整體平整，有較少的溝槽，存在較多坑，摩擦系數降低，但高溫下的石墨氧化加劇，磨損量增加，磨損機理主要以氧化磨損和磨粒磨損為主，如圖5（d）所示。

3 結論

1）本文通過正交實驗法，系統地研究了不同配比的Cu-Ni-Si-Cr 合金對銅基復合材料性能的影響。結果表明，當以Cu-7Ni-1.75Si-0.75Cr 合金為基體時，銅基復合材料硬度和壓縮強度最高，分別達到了49.9 HBW和171.98 MPa。

2）根據對各銅基復合材料摩擦系數和磨損量正交實驗結果分析，以Cu-7Ni-1.75Si-0.75Cr 合金為基體的銅基復合材料的摩擦學性能最佳。在25～650 ℃條件下，隨著溫度的升高，復合材料的摩擦系數呈現先增加后減小的趨勢，而磨損量則持續增加。在450 ℃下，銅基復合材料的摩擦系數最高，磨損機理由磨粒磨損向氧化磨損和磨粒磨損轉變。

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通信作者：趙龍志（1977—），男，教授，博士，博士生導師，研究方向為金屬復合材料。E-mail： zhaolongzhi@163.com。

（責任編輯：龔凱，吳海燕）

基金項目：國家自然科學基金（51265014）；江西省自然科學基金（20151BAB206044）；江西省教育廳科學技術研究項目（GJJ210661）；江西省研究生創新專項基金（YC2022-S567）；廣東科技學院自然科學項目（GKY-2024KYQNK-11）