铜包石墨含量对铜锰铝复合材料摩擦磨损性能的影响*

彭成章 左 思

(湖南科技大学机械设备健康维护重点实验室 湖南湘潭 411201)

铜基自润滑复合材料具有抗氧化、耐高温、耐腐蚀及磨合性好等优点，在真空、高温和无油或少油环境下有较广泛的应用[1-3]。从已有文献来看，铜基自润滑复合材料主要以纯Cu、Cu-Sn和Cu-Ni-Sn合金作为基体，添加石墨、碳纤维、二硫化钨和二硫化钼等润滑物质，用粉末冶金或复合电沉积方法加工而成[4-9]。由于石墨等物质与金属的相容性差，显著降低基体的力学性能。为了改善复合材料的性能，人们对石墨微粒进行化学镀铜、镀镍表面改性处理和用放电等离子体烧结来提高固体微粒与基体间的界面结合强度和材料的致密度。尹延国等[10]采用复压复烧工艺研究了镀镍石墨粉对铜基复合材料力学性能的影响，研究表明,镀镍石墨粉比纯石墨粉显著提高了复合材料的压溃强度和冲击韧性。张晓丹等[11]研究了石墨的铜包覆量对自润滑材料性能的影响，采用含铜量为30%(质量分数)的铜包石墨粉制备的复合材料的致密性和抗压强度明显高于未镀铜石墨复合材料。刘向兵等[12]用热压与放电等离子体烧结2种工艺制备Al2O3/Cu复合材料，测试结果表明放电等离子体烧结的复合材料的致密度、抗弯强度及导电率均高于热压法制备的材料。

铜锰铝合金是本文作者所在的课题组研发的新型铜基金属材料，它具有强度高、耐温性好和优良的干摩擦性能等特性[13]，在高温、重载工况下有较大的应用潜力。但是，铜锰铝合金在真空和氢气还原气氛下的粉末烧结性能较差。为改善铜锰铝合金的粉末烧结性能，并提高其在干摩擦下的摩擦磨损性能，本文作者以铜包石墨作为自润滑相加入到铜锰铝合金中，采用等离子真空压力烧结(SPS)工艺制备铜锰铝/石墨复合材料，以期得到力学性能和摩擦磨损性能较高的复合材料。

1 试验方法

1.1 材料制备

金属粉末选用北京冶金研究总院生产的铜粉、锰粉、铝粉、镍粉和铁粉，纯度大于99%(质量分数)，粒度为200～300目。固体润滑相：铜包石墨粉末，铜含量为50%。铜锰铝基合金的化学组成见文献[13]，在合金中按质量分数0、4%、6%、8%、10%添加铜包石墨，相应的试样编号为1#～5#。将各粉末按比例倒入混料器中充分混合，然后装入φ30 mm的模具中，在压力试验机上成形，压制压力为300 MPa，保压1 min，得到尺寸为φ30 mm×4 mm预制坯料。将坯料装入φ30 mm的石墨模具中，放入等离子体炉内进行烧结，升温速度50 ℃/min，烧结温度为830 ℃，在该温度下保温6 min，同时外加轴向压力30 MPa,系统真空度低于1×10-2Pa。然后关掉SPS 系统，自然冷却，得到圆片试样。

1.2 性能测试

采用HXS-1000A型显微硬度计测量材料的硬度，载荷为2 N，保留时间5 s；随机取5个点进行测量，取平均值。根据GB 5123—1985标准，采用“排水法”测量材料密度。

采用HRS-2M型高速往复式摩擦试验机进行室温干摩擦和滴油润滑摩擦磨损试验，润滑油为20机油；对偶材料为直径4 mm 淬火45钢球，硬度为52HRC。试验条件：滑动速度为0.1 m/s，单次滑动行程5 mm，时间为20 min，干摩擦的法向载荷为10～30 N，滴油润滑条件下的法向载荷为20～60 N，滴油速度每2 min 1滴。

利用TESCAN-MIRA3型扫描电子显微镜观察材料的磨损表面形貌，用NanoMap500-LS双模式三维表面轮廓仪测量磨痕上3个截面的面积，取平均值乘以磨痕长度作为磨损体积。材料的磨损率按下式计算：

式中：ω为试样的磨损率，mm3/(N·m)；ΔV为试样的磨损体积，mm3；l为滑动距离，m；F为载荷，N。

2 试验结果与讨论

2.1 材料的微观结构和硬度

表1给出了等离子体烧结不同石墨含量复合材料的密度和显微硬度。可知，不含石墨的铜锰铝合金的密度为7 440 kg/m3，硬度为272.03HV，接近熔铸铜锰铝合金密度7 800 kg/m3和硬度317.4 HV[13]，致密度为98.13%。而文献[14]用氢气还原气氛烧结的相同组分的铜锰铝复合材料，其中不含石墨的铜锰铝合金的密度为6 196 kg/m3，硬度仅为217HV。这说明等离子体烧结方法改善了铜锰铝合金的烧结性能，提高了材料的组织致密性和硬度。这是因为等离子体烧结过程中对试样施加压力是促进金属粉末颗粒流动和填充，减少孔隙数量和尺寸，提高材料的致密性的关键因素。

由表1还可以看出，随着铜包石墨质量分数的增加，复合材料的密度和硬度逐渐降低。这是由于石墨为层状结构，层间原子结合强度低，它对基体起到割裂作用，导致铜包石墨复合材料的硬度降低[15]。当石墨质量分数为10%的复合材料的密度和硬度分别为6 760 kg/m3和169.5HV，大大高于文献[14]用氢气还原气氛烧结的复合材料的密度和硬度(分别为5.11 kg/m3和116.2HV)。

表1 复合材料的密度和显微硬度

2.2 干摩擦条件下材料的摩擦磨损性能

图1所示为复合材料的干摩擦因数随时间的变化曲线。可以看出，载荷为10 N时，铜锰铝合金的摩擦因数由试验初期的0.3增大至0.4，在试验过程中摩擦副运行不稳定；而不同石墨含量的复合材料的摩擦因数较小，低于0.12，说明石墨对材料的减摩特性有明显的作用；载荷为20 N时，铜锰铝合金的摩擦因数曲线波动较大，石墨质量分数为4.0%和10%的2#、5#2种复合材料的摩擦因数增大，分别为0.3和0.22，而石墨质量分数为6.0%和8.0%的3#、4# 2种复合材料的摩擦因数仍然保持在0.1以下；当载荷增大至30 N时，不含石墨和石墨含量低的1#和2#试样的摩擦磨损性能显著变差，石墨含量高的4#和5#试样摩擦因数增大至0.25以上。

图2所示为干摩擦条件下载荷为20 N时不同石墨含量复合材料的磨损表面形貌。可以看出，不含石墨的铜锰铝合金的磨损表面产生了明显的黏着层，石墨质量分数为4.0%的2#复合材料的磨损表面形成了“面皮”似结构的不连续的碾压层，在碾压层不连续的位置存在“台阶”，由于黏着层或台阶的存在，导致摩擦表面的粗糙度增大，使得材料的摩擦因数增大。石墨质量分数为6.0%和8.0%的3#、4#2种材料的磨痕宽度小，表面碾压层较完整、光滑，因而摩擦因数小。当石墨质量分数增大至10.0%，材料摩擦表面又产生了不完整的黏结层，表面粗糙度增大,摩擦因数增大。

由材料的致密性和硬度测试数据可知，粉末烧结材料存在内部组织疏松、微孔等缺陷，在这些结合强度较弱的部位，在剪切力和压力复合作用下材料发生断裂、下陷形成微坑，使得摩擦过程中对偶件刮擦材料产生的碎屑在微坑处堆积，在外力作用下形成碾压层，从而增大了摩擦表面的粗糙度，引起摩擦因数增大。当材料中添加适量石墨后，在摩擦的开始阶段，石墨在摩擦表面铺展形成一层润滑膜，降低了摩擦阻力，导致作用在材料上的剪切力小，此时材料的抗压能力将影响摩擦副的摩擦磨损特性。当作用在材料表面的压力小时，基体和润滑膜没有发生破坏，摩擦副仍然在较低的摩擦因数下工作；当作用在材料表面的压力增大至一定值时，在基体与石墨结合力较弱位置和孔洞等缺陷部位产生压溃，摩擦表面将变得凸凹不平、润滑膜被破坏，以致材料的摩擦因数增大。

图3所示为复合材料的磨损率。可以看出，载荷小于20 N时，石墨质量分数为6.0%和8.0%的3#、4#2种复合材料的磨损率较低，当载荷增加至30 N后，材料的磨损率显著增大，增加约2个数量级。因此，在低载荷条件下石墨质量分数为6.0%～8.0%的铜锰铝复合材料有较好的减摩和耐磨性能，在干摩擦条件下可以作为自润滑材料使用。

2.3 滴油润滑条件下材料的摩擦磨损性能

图4所示为滴油润滑条件下复合材料的摩擦因数随时间的变化曲线。可以看出，滴油润滑条件下铜锰铝合金的摩擦因数小于0.11，比干摩擦的摩擦因数低很多，摩擦过程很平稳。说明在滴油润滑条件下，摩擦副之间形成了一层薄的油膜，显著减小了摩擦阻力，使得材料表现出较低的摩擦因数。几种复合材料的摩擦因数随着载荷的增大而变大，当载荷为60 N时，石墨含量高的4#和5#试样的摩擦因数增大至0.25以上。

图5所示为滴油润滑条件下载荷为60 N时几种材料的磨损表面形貌。可以看出，铜锰铝合金的磨损表面光滑，沿滑动方向有较浅的磨痕；石墨含量少的2#和3#试样的磨损表面产生了薄的碾压层；在石墨含量高的4#和5#试样的磨损表面形成了一层金属与石墨的混合物。在滴油润滑条件下，作用在材料表面的剪切应力小，材料的摩擦磨损行为表现出复合材料在干摩擦条件下的摩擦磨损行为特征。铜锰铝合金的强度高，抵抗压溃损伤的能力强，其磨损表面只产生了轻微的刮擦。复合材料的强度低，在较高压力作用下与石墨相连的基体金属被压溃、凹陷，部分石墨被挤出转移至磨损表面和油液中。随着摩擦过程的进行，对偶件刮擦产生的磨屑和石墨微粒在压溃部位不断堆积、挤压，形成磨屑与石墨的混合物。当材料中石墨含量低时，基体压溃程度轻，混合物中石墨夹杂量少，磨屑在外力作用下发生团聚而碾压成膜；当材料中石墨含量高时，基体压溃面积和深度增大，混合物中石墨夹杂量增多，由于石墨和金属的相溶性差，石墨对磨屑产生分散作用，使得磨屑不容易产生团聚，在剪切力和压力交互作用下磨屑进一步破碎为微细的金属颗粒，在磨损表面形成金属/石墨的机械混合物。金属颗粒的存在导致磨损表面微观不平度增加，使得摩擦过程中摩擦因数增大。

图6所示为滴油润滑条件下材料的磨损率。可以看出，当载荷相同时铜锰铝合金的磨损率略低于复合材料的磨损率，石墨含量对复合材料的磨损率的影响不明显。由材料的磨损表面形貌分析可知，复合材料在摩擦过程中产生了压溃和石墨流失，导致磨损率增大。但是，复合材料在经历表层局部压溃后，在后续摩擦过程中，压溃损伤部位得到自修复，承载能力增大。所以不同石墨含量的复合材料的磨损率均比较低。

3 结论

(1)等离子压力烧结工艺可显著提高铜锰铝基石墨复合材料的致密度和硬度，复合材料的硬度随石墨含量的增加而降低。

(2)在干摩擦条件下，载荷小于20 N时，石墨质量分数为6.0%～8.0%的复合材料表现出优异的减摩和耐磨性能，可以作为自润滑材料使用。

(3)在滴油润滑条件下，几种材料的承载能力均有很大提高，但复合材料在减摩、耐磨和承载能力方面略低于铜锰铝基合金。