SiC和石墨颗粒混杂增强铜基复合材料的摩擦磨损性能

周永欣，徐 飞，吕振林，马 雷，程 逞，盛 锟

（1.西安理工大学材料科学与工程学院，西安710048；2.陕西华山工程机械有限公司，西安710018）

0 引 言

颗粒增强金属基复合材料具有良好的耐磨性能和优异的力学性能，且制备工艺简单、成本较低，在电子、机械、航空、航天等领域应用前景广阔，因此近年来得到迅速发展［1］。将高强度、高硬度、高模量、高温稳定性好的陶瓷颗粒加入铜基体中得到的复合材料，可以用作航天飞机高导热机身材料、半导体元件中的电接触材料、电刷材料、耐磨片、以及喷嘴材料等［2-5］。

目前国内外对于单一颗粒增强铜基复合材料如SiC/Cu复合材料的研究较多，对其颗粒磨损行为的研究主要集中在SiC颗粒尺寸、含量及颗粒表面处理等方面。如黎寿山［6］等研究了不同制备工艺对SiC/Cu复合材料界面结合的影响；湛永钟［7］等研究了SiC颗粒含量及尺寸对复合材料磨损性能的影响。而关于SiC和石墨颗粒混杂增强铜基复合材料的室温摩擦磨损行为还没有系统的研究报道。为此，作者以SiC和石墨颗粒作为增强颗粒，采用粉末冶金方法制备颗粒增强铜基复合材料，研究其摩擦磨损性能，并探讨了复合材料的磨损机理。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验以平均粒径75μm、纯度大于99.7%的电解铜粉为基体材料，增强相α-SiC颗粒平均粒径为10μm，石墨平均粒径为30μm。SiC和石墨颗粒混杂增强铜基复合材料（以下称复合材料）分别按体积分数（实际操作中将体积分数用公式换算为质量分数）5%，10%，15%，20%的SiC和体积分数5%的Gr（石墨）与电解铜粉进行配比，研究SiC含量的影响；为研究石墨含量对摩擦磨损性能的影响，将体积分数10%的SiC分别和0，2%，4%，6%，8%（体积分数，下同）的石墨与电解铜粉进行配比；同时采用相同的工艺参数制备纯铜试样。将配比好的原料在机械式混粉机上干混12h，然后采用单向压制钢模在400MPa下冷压成型，再置于SBG-07H型气氛保护炉中进行烧结。烧结时以氩气作为保护气体，烧结温度920℃，保温时间60min，然后随炉冷却至室温，制得不同配比的复合材料试样。烧结前先以10℃·min-1的升温速率分别升温至300℃和600℃，保温30min，以避免升温过快导致试样出现裂纹或变形，及消除部分残余应力。

1.2 试验方法

摩擦磨损试验在HT-1000型高温摩擦磨损试验机上进行，摩擦方式为销盘式，其中销试样为所制备的铜基复合材料，尺寸为5mm×5mm×8mm；盘试样45钢（840℃淬火处理，硬度为56HRC），直径为36mm。摩擦磨损试验在室温下进行，摩擦半径为8mm，转速为400r·min-1，摩擦距离为610m，载荷分别为5，10，15，20N。每次试验开始前预磨10min，以便使销试样与对磨盘间充分接触。试验前后，将销试样用无水乙醇清洗干净，并用FA2004型（精度达0.000 1g）电子天平对试验前后销试样的质量进行称量，复合材料磨损率采用体积磨损率来表示，如式（1）所示。

式中：Vm为体积磨损率，cm3·N-1·m-1；Δm 为试验前后的质量损失，g；N为试验载荷，N；S为滑动距离，m；ρv为试样体积密度，g·cm-3。

采用JSM-6700F型扫描电镜（SEM）观察复合材料的显微组织及磨损表面形貌，并用其附带的能谱仪（EDS）分析指定区域的化学成分。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

各种配比复合材料的显微组织基本相同，下面以Cu-10%SiC-5%Gr复合材料为例分析了其显微组织。从图1中可以看出，显微组织中深黑色颗粒状物质为石墨颗粒，浅黑色颗粒状物质为SiC颗粒，灰色部分是基体铜，SiC和石墨在基体中分布较为均匀，没有明显的气孔缺陷和团聚现象产生。

图1 Cu-10%SiC-5%Gr复合材料的显微组织Fig.1 The microstructure of Cu-10%SiC-5%Gr composite

2.2 不同载荷下的摩擦磨损性能

以Cu-10%SiC-5%Gr和Cu-10%SiC复合材料为例，分析体积磨损率随着载荷变化的关系曲线。从图2可以看出，随着载荷的增加，两种复合材料体积磨损率逐渐增加，当载荷在5～10N之间时，两种复合材料体积磨损率急剧增加，而载荷在15～20N之间时体积磨损率缓慢增加，对载荷的变化不是特别敏感，主要原因是石墨此时发挥了固体润滑作用。在不同载荷作用下复合材料具有不同的磨损机制，在低载荷下复合材料磨损机制主要以磨粒磨损为主，在高载荷作用下复合材料磨损机制以磨粒磨损和粘着磨损共同作用为主。因此，复合材料在低载荷和高载荷作用下体积磨损率相差较大。对比可以发现，SiC和石墨混杂增强复合材料的体积磨损率明显比SiC单一增强复合材料的体积磨损率低。这是因为在磨损的过程中石墨作为固体润滑剂从磨损表面向摩擦表面转移，有的与夹在对磨面表面之间的磨屑颗粒相混合，并在正压力的作用下形成机械混合层［8］，混合层的存在减小了复合材料和对磨盘的直接接触面积，因此石墨在摩擦过程中可以起到自润滑减磨作用。

图2 不同载荷下不同复合材料的体积磨损率Fig.2 Volume wear rates of the composites at different loads

以Cu-10%SiC-5%Gr和Cu-10%SiC复合材料为例，分析相同载荷（10N）作用下摩擦因数随时间变化的关系曲线。从图3中可以看出，混杂增强复合材料的摩擦因数比单一增强复合材料的低得多，随着磨损时间的延长，混杂增强复合材料的摩擦因数变化幅度较小，趋于某一值，这表明石墨颗粒赋予了复合材料优良的减磨特性，使摩擦过程更加平稳。

图3 在10N载荷下不同复合材料的摩擦因数随时间的变化曲线Fig.3 Friction coefficient vs time for the composites at 10N

2.3 SiC含量对摩擦磨损性能的影响

从图4可以看出，复合材料的体积磨损率明显比纯铜的体积磨损率低很多，且随着SiC含量的增加复合材料磨损率逐渐降低。这是由于镶嵌于铜基体中的SiC颗粒具有很高的硬度和弹性模量，在复合材料的摩擦过程中是主要的承载单元，可以起到硬质承载支点，保护铜基体材料，使磨损率下降。

图4 在10N载荷下SiC含量不同的复合材料的体积磨损率Fig.4 Volume wear rate of the composite with different SiC contents at 10N

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

从图5中可以看出，纯铜的磨损表面呈现严重的粘着磨损和塑性变形迹象，而添加SiC后，粘着磨损和塑性变形迹象有所缓解，磨损表面的特征主要为平行于滑动方向的犁削沟槽，且犁沟较浅和窄，试样表面呈现磨粒磨损特征［9-10］。

2.4 石墨含量对摩擦磨损性能的影响

从图6中可以看出，随着石墨含量的增加，复合材料体积磨损率和摩擦因数均呈先下降后升高的趋势；石墨含量在6%时体积磨损率和摩擦因数最小，此时材料的耐磨性最好；而当石墨继续增加到8%时，磨损率和摩擦因数反而又上升。这是因为少量的石墨在摩擦过程中可以渗出到摩擦接触表面作为自润滑剂，与SiC硬质增强颗粒发挥协同作用保护铜基体，从而提高复合材料的耐磨性，但含量过高会使材料表层的SiC硬质支点的密度减少，造成载荷主要承载单元不足，从而表现为体积磨损率的增大。

从图7中可以看出，Cu-10%SiC-6%Gr复合材料磨损表面比较平整，犁沟较浅且较少，不存在明显的剥落现象，同时磨损表面被一层机械混合层覆盖；经EDS分析可以看出，混合层中含有碳元素，表明混合层中含有石墨，另有铜、铁、硅、氧等成分，其中铁和氧含量较多，说明这一试验条件下复合材料主要受到对磨钢环凸起的刮擦作用，并在复合材料表面形成了一层光滑致密的氧化膜，该氧化膜的存在起到了一定的耐磨和减摩作用，这一阶段磨损机制主要以磨粒磨损为主［11］。

图6 在10N载荷下不同石墨含量复合材料的摩擦磨损性能Fig.6 Friction and wear properties of the composite with different graphite contents at 10N：（a）volume wear rate and（b）friction coefficient

图7 Cu-10%SiC-6%Gr复合材料磨损表面SEM形貌和EDS谱Fig.7 SEM morphology（a）and EDS pattern（b）of the worn surface of Cu-10%SiC-6%Gr composite

在磨损的初期阶段，复合材料的亚表层在载荷作用下沿相对滑动方向产生塑性变形，其内的石墨颗粒被挤出并分布在偶件表面上，有的与夹在对磨表面之间的磨屑颗粒相混合，在对磨表面连续机械混合作用下而形成富含石墨、细小磨屑的颗粒混合物。在摩擦表面正压力的作用下，这些原来较为疏松的颗粒混合物被挤压而形成致密机械混合层。由于石墨本身具有较强的粘附性，因此其微粒主要粘附在摩擦副接触表面上，很少随其它磨屑抛出，因此添加适量的石墨颗粒可以提高复合材料的耐磨性能。

3 结 论

（1）混杂增强复合材料的体积磨损率比单一增强复合材料的体积磨损率低，并且随着载荷的增大该复合材料的摩擦过程趋于更平稳状态。

（2）混杂增强的复合材料耐磨性明显优于纯铜材料，随着SiC含量的增加，体积磨损率逐渐减少，SiC颗粒作为增强相可以起到硬质承载作用，减轻基体与偶件之间的粘着作用及塑性变形从而显著改善复合材料的耐磨性能。

（3）石墨颗粒的加入发挥了自润滑减摩的作用，并在摩擦过程中形成机械混合层，复合材料的磨损机理主要以磨粒磨损为主。

［1］曾昭锋.氧化铝颗粒增强铜基复合材料的摩擦磨损性能研究［J］.机械工程材料，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］王伟，许晓静.添加少量纳米SiC对铜基和摩擦学性能的影响［J］.机械工程材料，2005，29（4）：18-22.

［6］黎寿山，王海龙，刘瑞瑜，等.不同工艺对SiC/Cu复合材料界面结合的影响［J］.稀有金属材料与工程，2007，36（1）：689-692.

［7］湛永钟，张国定.SiCp/Cu复合材料摩擦磨损行为的研究［J］.摩擦学学报，2003，23（6）：495-499.

［8］王春华，关邵康，张锐，等.SiC/Cu复合材料的显微组织和力学性能［J］.机械工程材料，2007，31（9）：45-50.

［9］李帮盛，尚俊玲，郭景杰，等.TiB原位晶须增强钛基复合材料的磨损机制［J］.摩擦学学报，2005，25（1）：18-22.

［10］康立忠.SiC颗粒增强铝基复合材料干摩擦磨损的研究［D］.上海：上海交通大学，2008：17-18.

［11］湛永钟，张国定，蔡宏伟.高导电耐磨铜基复合材料的研究［J］.机械工程材料，2003，27（11）：18-21.