銅基復合材料的摩擦磨損性能

銅基復合材料的摩擦磨損性能

0銅基復合材料的增強體銅基材料具有強度高、電導熱好、研磨范圍廣、耐腐蝕性好等優(yōu)點。在摩擦、研磨材料、電接觸材料和機械零件材料方面發(fā)揮著重要作用。f、f。隨著銅基復合材料應用的越來越廣泛,其對摩擦性能要求越來越高,因此需要不斷開發(fā)耐磨銅基復合材料。顆粒增強是常見的在提高復合材料整體強度的同時還可以提高其耐磨性的途徑,常用的增強顆粒有TiC［３－５］、Al２O３［６］、FeAl［７］、SiC［８］和WC等。石墨作為自潤滑材料也是常見的提高銅基復合材料耐磨性的增強體,其本身的結(jié)構(gòu)使得復合材料兼有基體性能和良好的耐磨性。纖維是一種新的增強體,它比傳統(tǒng)的顆粒增強體具有更優(yōu)異的性能,研究較多的纖維增強體是碳纖維、Al２O３纖維［９］、W纖維［１０］、SiC纖維［１１］和B纖維［１２］等。新型的增強體還有碳納米管,其增強作用與碳纖維增強相比更為明顯。1納米粒子復合的摩擦學性能顆粒增強即在軟韌的Cu基體中形成彌散分布的硬質(zhì)顆粒,既能改善基體的室溫和高溫性能,又不明顯降低基體的導電性,達到導電、強度和耐磨性能綜合提高的效果。由于顆粒增強銅基復合材料具有制造成本低、性能優(yōu)異等優(yōu)點,其研制和開發(fā)日趨廣泛［１３］。TiC顆粒硬度高,具有良好的力學性能,是優(yōu)良的耐磨材料。例如,將Cu-Cr-Zr作為基體材料,與TiC粉末混合制備成TiC彌散強化銅基復合材料,在銷盤式摩擦試驗機上進行干摩擦磨損實驗,結(jié)果表明,隨著TiC顆粒體積分數(shù)的增加復合材料的磨損率先降低后增大,當TiC顆粒體積分數(shù)約為3%時磨損率最低［１４］。RajkumarK等［１５］研究了Cu-TiC-C復合材料的摩擦性能,實驗用純銅作為基體,TiC和C作為增強體,利用微波燒結(jié)技術(shù)制備出了(5%~15%)TiC-(5%~10%)C的銅基復合材料,同時以純銅試樣作對比,在銷盤式摩擦試驗機上測試兩種材料的摩擦性能。結(jié)果表明,純銅磨損量遠大于含增強體的復合材料,并且隨著TiC和C含量的增加磨損率呈降低趨勢。這是由于隨著石墨含量的增加,復合材料在摩擦過程中更容易產(chǎn)生石墨磨粒,這些磨粒起到了潤滑作用,降低了復合材料的磨損率。而隨著TiC含量的增加,復合材料摩擦滑動的初始階段發(fā)生了磨損,這些硬質(zhì)粒子裸露在磨損表面承載了摩擦載荷,減緩了銅基體的繼續(xù)磨損。Al２O３也是常見的增強體之一。FathyA等［１６］研究了納米尺寸的Al２O３顆粒增強銅基復合材料的摩擦磨損性能,實驗結(jié)果證明,經(jīng)Al２O３增強的銅基復合材料耐磨性提高,摩擦性能較好。在WC顆粒增強的銅基復合材料上添加適量合金元素可以進一步改善原有復合材料的摩擦性能。EunjiHong等［１７］分別制備了含銦和不含銦的WC顆粒增強銅基復合材料,并對其進行摩擦磨損實驗,結(jié)果證明銦的固溶減小了復合材料的摩擦系數(shù),尤其在較高的滑動位移下,減磨效果更為明顯。La２O３的加入同樣可以提高銅材料的耐磨性能,用粉末冶金法內(nèi)氧化生成Cu-La２O３復合材料,其耐磨性能高于不含La２O３的純銅材料［１８］,并且在適當含量范圍內(nèi)隨著La２O３含量的增加磨損量下降。2納米石墨材料的摩擦學性能在金屬基體中加入固體自潤滑材料可提高材料的摩擦磨損性能［１９，２０］,而石墨由于其本身具有良好的自潤滑作用、穩(wěn)定的化學性質(zhì)、良好的導電性,以及不易與銅或銅基體中含有的常見的錫和鉛等元素反應等特性,在銅基自潤滑材料中應用廣泛［２１，２２］。銅-石墨類材料廣泛用于低電壓直流發(fā)電機、汽車起動機,以及傳導電流和傳輸信號的滑動接觸點等［２３］。由于石墨的自潤滑作用,銅-石墨復合材料的摩擦系數(shù)比純基體要小。在一定含量范圍內(nèi),適量的石墨有助于提高銅基復合材料的耐磨性能,減小其摩擦系數(shù),并且隨著石墨含量的增加摩擦系數(shù)逐漸降低,磨損率也逐漸減小;超過臨界值,磨損率隨石墨含量的增加呈增高趨勢［２４］。焦明華等［２５］以青銅合金粉作為復合材料的基體,石墨作為固體潤滑組元,適量添加鎳和鐵等合金元素制備了鍍鎳石墨銅基復合材料,探究了其摩擦磨損性能。試樣采用粉末冶金復壓復燒工藝制備,在室溫和干摩擦條件下進行實驗。結(jié)果表明,隨著載荷增加,復合材料的磨損率逐漸增大,而摩擦系數(shù)受到的影響較小。當載荷小于40N時,其摩擦系數(shù)隨載荷增加而逐漸減小,磨損率緩慢增加;當載荷大于40N時,石墨含量為6%的鍍鎳復合材料摩擦系數(shù)逐漸增大而且磨損率增幅較快。繼續(xù)增加載荷至60N時復合材料磨損率仍然較低,其摩擦系數(shù)也處于較低(0.23)水平。該實驗證明石墨的添加顯著提高了銅基復合材料的摩擦性能。在石墨自潤滑銅基復合材料的基礎上添加MoS２等化合物,并在室溫下測試這種含石墨和MoS２的銅錫自潤滑材料的干摩擦磨損性能,結(jié)果表明石墨的加入有效地減小了復合材料的摩擦系數(shù),尤其當石墨體積分數(shù)為40%時復合材料的摩擦系數(shù)達到最小值(0.15)。而隨著MoS２體積分數(shù)的增加復合材料的磨損率也呈進一步降低趨勢。銅-石墨-MoS２是典型的滑動電接觸材料［２６］,由于MoS２的電阻率高、導電性能差,同時石墨、MoS２較軟,可能導致電接觸材料的承載能力和耐磨性差,而滑動電接觸材料的工作環(huán)境是大電流,會產(chǎn)生電火花,使溫度升高,吸附在表面的水分揮發(fā),破壞了表面膜的完整性,造成磨粒磨損,因此需要進一步優(yōu)化和改良銅-石墨-MoS２復合材料。劉元等［２７］用納米NbSe２材料與青銅粉配制成含納米NbSe２質(zhì)量分數(shù)分別為5%、10%、15%、20%的復合材料,并采用球盤式接觸摩擦形式測試其摩擦性能。結(jié)果表明,納米NbSe２的質(zhì)量分數(shù)為5%時,摩擦系數(shù)顯著降低并且比較穩(wěn)定,基本不隨載荷的變化而變化,并且纖維狀納米NbSe２表現(xiàn)出比片層狀納米NbSe２材料更好的減磨效果;當纖維狀納米NbSe２的質(zhì)量分數(shù)為15%時,復合材料表現(xiàn)出的減磨效果最佳。3碳纖維增強對復合材料耐久性的影響最常用的增強纖維是碳纖維,碳纖維具有高比強度、高比模量、高的導熱和導電性以及低的熱膨脹系數(shù)［２８］,此外,碳纖維缺陷數(shù)量少、比表面積大、結(jié)構(gòu)致密,并且有自潤滑作用,已被廣泛應用于電子元件材料、滑動材料及耐磨器件等領域。碳纖維在銅基復合材料中的主要作用是承受載荷,減少磨損,而銅基的作用是承受部分載荷并將載荷傳遞給碳纖維。其摩擦磨損的基本過程為:較軟的基體先磨損,硬質(zhì)纖維逐漸突出并承受大部分載荷,纖維本身的耐磨性較好,且其大部分表面又受到基體的保護而不易受到損傷,形成纖維的露頭,從而保護基體。在摩擦力的作用下碳纖維變成微小的碳顆粒,涂覆在磨損面上,起到了一定的自潤滑作用。龍臥云等［２９］的實驗發(fā)現(xiàn),在干摩擦條件下,隨著碳纖維含量的增加,碳纖維增強銅基復合材料的磨損量下降,耐磨性提高,纖維含量小于5%時,耐磨性提高很明顯,纖維含量大于5%時,耐磨性隨碳纖維含量的增加增幅不明顯［３０］。唐誼平等采用新的電鍍技術(shù)在短碳纖維上鍍銅,之后用冷壓燒結(jié)工藝制備出了耐磨性能較好的短碳纖維增強的銅基復合材料。實驗在干摩擦條件下進行,隨著纖維含量的增加,摩擦系數(shù)和磨損量明顯下降,如表1所示［３１］,說明碳纖維的加入提高了材料的耐磨性。通過對磨損表面形貌的分析可以判斷碳纖維的加入能有效地阻礙基體變形,這是由于碳纖維具有高溫穩(wěn)定性,可以阻礙基體軟化。DingT等［３２］在探究電流強度和溫度對碳纖維增強銅基復合材料摩擦磨損性能的影響時發(fā)現(xiàn),在沒有電流的情況下,試樣進行摩擦磨損試驗時的溫度開始上升迅速,然后逐漸上升并維持在38℃左右,摩擦系數(shù)隨著溫度的上升而增大;在有電流的情況下,溫度隨著電流的增加而上升,溫度上升幅度隨電流增強幅度增大而增大,并且摩擦系數(shù)也隨著電流增加而增大。碳纖維的磨損主要是熱磨損和電弧侵蝕造成的,電弧放電比溫度上升對碳纖維磨損量具有更大的影響。多種增強體增強金屬基復合材料比單一增強體復合材料具有更連續(xù)的優(yōu)異性能［３３］,因此將顆粒增強與碳纖維增強結(jié)合也能達到良好效果。研究表明［３４］,鍍銅Ti３SiC２和碳纖維增強的銅-石墨復合材料的摩擦磨損性能優(yōu)于未鍍銅Ti３SiC２和碳纖維增強的復合材料。通過比較得出,用2%的鍍銅Ti３SiC２、1%的碳纖維代替銅-石墨復合材料中的部分石墨后,復合材料的耐磨性最好。夏龍等［３５］在研究碳纖維增強Cu-Sn-Zn基復合材料和ZQSn663錫青銅在干摩擦條件下的摩擦性能時發(fā)現(xiàn),碳纖維增強Cu-Sn-Zn基復合材料的磨損率和摩擦系數(shù)遠遠低于ZQSn663錫青銅,當碳纖維體積分數(shù)為12%時,復合材料的磨損率達到最低值,說明碳纖維的加入提高了材料的耐磨性。4碳納米管對復合材料摩擦系數(shù)的影響碳納米管同樣具有強度高、彈性模量大、減磨耐磨性優(yōu)良、導電導熱性好和自潤滑性優(yōu)良等特性［３６］,其吸波能力也強,可達吉赫茲水平［３７］。與碳纖維相比碳納米管的性能更為優(yōu)良,可能是目前比強度和比剛度最高的材料［３８－４０］。LinCB等［４１］研究了體積分數(shù)分別為5%、10%、15%、20%的經(jīng)真空燒結(jié)的碳納米管增強銅基復合材料的摩擦磨損性能。結(jié)果表明,隨著碳納米管含量的減少,復合材料的摩擦系數(shù)呈增加趨勢,當碳納米管的含量在10%~15%范圍內(nèi)時復合材料的磨損率達到最低水平,意味著在這個范圍內(nèi)材料的磨損性能最為優(yōu)異。將體積分數(shù)為10%的碳納米管增強銅基復合材料和純銅塊體試樣在銷盤式摩擦試驗機上測試摩擦磨損性能,結(jié)果表明［４２］,載流條件下碳納米管能明顯提高銅基復合材料的摩擦磨損性能,電流對純銅的摩擦磨損性能的影響要比對碳納米管增強銅基復合材料的影響明顯得多,如圖1所示。當碳納米管直徑增大到24~76nm,長度增加到幾微米時,通過比較微波燒結(jié)的不同體積分數(shù)(5%、10%、15%和20%)碳納米管的銅基復合材料發(fā)現(xiàn)［４３］,復合材料表現(xiàn)出了比純銅高出4~5倍的抗磨損能力。碳納米管體積分數(shù)從5%增加到15%的過程中,復合材料摩擦系數(shù)減小,而碳納米管體積分數(shù)超過15%時復合材料摩擦系數(shù)隨著碳納米管體積分數(shù)的增加而增加,當達到20%時隨著載荷的增加磨損率急劇增加。放電等離子燒結(jié)的碳納米管增強材料的摩擦性能比未增強的銅材高3倍。這種強化效果歸結(jié)于碳納米管在銅基體中的均勻分布、與銅基體良好的界面結(jié)合以及銅基體相對較高的密度［４４］。由于放電等離子燒結(jié)成本較高,而微波燒結(jié)成本相對較低,因此微波燒結(jié)使用比較廣泛。5銅基復合材料的研究方向銅基復合材料作為一種新型材料,已引起國內(nèi)外眾多學者的關(guān)注,但是依然存在一些尚不成熟的問題。目前增強銅基復合材料的制備工藝已多樣化,但有些工藝并不適合規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn),如何選擇最經(jīng)濟的制備方法,研究出真正適合于工業(yè)化生產(chǎn)的耐磨銅基復合材料,將是今后的主要研究方向。從碳纖維(碳納米管)增強銅基復合材料的研究現(xiàn)狀來看,今后對其研究將主要側(cè)重于進一步簡化工藝,降低成本,探討碳纖維