劉娜娜，孫建林，武 迪，夏 壘

（北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京，100083）

潤(rùn)滑對(duì)壓延銅箔成型過(guò)程具有重要的作用［1－3］，而精確的潤(rùn)滑技術(shù)是高質(zhì)量銅箔軋制的關(guān)鍵因素之一［4－5］。Okazaki Tetsuya等［6］在研究含碘化合物軋制油對(duì)銅及其合金的摩擦學(xué)特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，含碘化合物能降低摩擦系數(shù)，特別是含SnI2的軋制油可顯著降低摩擦系數(shù)。馬育體等［7］采用加氫減一線油為基礎(chǔ)油，復(fù)配適量的醇、酯類油性劑及抗氧添加劑等，研制出的銅及其合金軋制油具有良好的潤(rùn)滑性、冷卻性及退火清凈性。

本文研究銅－鋼摩擦副在無(wú)潤(rùn)滑、水潤(rùn)滑、基礎(chǔ)油和CFO潤(rùn)滑等條件下的摩擦磨損行為，研究接觸壓力和銅箔厚度對(duì)銅箔摩擦磨損性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

摩擦磨損實(shí)驗(yàn)在MM－W1A立式萬(wàn)能型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用盤(pán)－盤(pán)磨損形式，磨盤(pán)直徑為φ50 mm，材料為GCr15軸承鋼，轉(zhuǎn)速為100 r／min，接觸壓力為0.1～0.4 MPa。將銅箔加工成φ60 mm的圓片試樣，將試樣粘貼在下磨盤(pán)，試驗(yàn)過(guò)程中用滴管將不同潤(rùn)滑介質(zhì)滴加到銅箔邊緣，通過(guò)試驗(yàn)機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)把潤(rùn)滑介質(zhì)帶入相互摩擦的表面。摩擦副及銅箔試樣如圖1所示。

摩擦系數(shù)根據(jù)下式計(jì)算獲得：

圖1 摩擦副及銅箔試樣Fig.1 Schematic of friction pair and copper foil

式中：M為摩擦力矩，N·mm；R為摩擦半徑，mm；N為施加在盤(pán)試樣上的軸向力，N。

材料的耐磨性通過(guò)下式計(jì)算磨損率進(jìn)行評(píng)價(jià)：式中：ΔW為磨損質(zhì)量損失，mg；l為磨損行程，m；ρ為材料密度，g／mm3。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同潤(rùn)滑介質(zhì)對(duì)銅箔摩擦磨損性能的影響

接觸壓力為0.15 MPa、轉(zhuǎn)速為100 r／min時(shí)，在4種潤(rùn)滑介質(zhì)下，銅箔摩擦系數(shù)隨磨損時(shí)間的變化曲線如圖2所示。從圖2中可以看出，在無(wú)潤(rùn)滑條件下，摩擦副的摩擦系數(shù)較高，平均摩擦系數(shù)為0.572；在水潤(rùn)滑條件下，其平均摩擦系數(shù)為0.457，表明水起到了一定的潤(rùn)滑作用；在基礎(chǔ)油潤(rùn)滑條件下，摩擦系數(shù)明顯減小，平均摩擦系數(shù)為0.274；使用自制的銅箔潤(rùn)滑油CFO時(shí)，平均摩擦系數(shù)為0.205。

在初始階段（400 s以內(nèi)），使用基礎(chǔ)油時(shí)銅箔的摩擦系數(shù)明顯高于使用潤(rùn)滑油CFO時(shí)相應(yīng)值，但對(duì)大多數(shù)軋制、沖壓等工藝而言，試件軋制過(guò)程所需時(shí)間一般很短，遠(yuǎn)小于400 s，如此看來(lái)，潤(rùn)滑油CFO對(duì)銅箔具有很好的潤(rùn)滑效果。

圖2 摩擦系數(shù)隨磨損時(shí)間的變化曲線Fig.2 Variation of the friction coefficient of copper foil with wearing time

不同潤(rùn)滑介質(zhì)下磨痕表面的輪廓曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，無(wú)潤(rùn)滑介質(zhì)時(shí)，磨痕表面有明顯的凸起峰，表面粗糙度較大，這與摩擦副在無(wú)潤(rùn)滑時(shí)發(fā)生劇烈塑性變形是一致的；水潤(rùn)滑時(shí)磨痕表面也存在凸起峰，表面劃痕明顯，但較無(wú)潤(rùn)滑時(shí)表面質(zhì)量有所改善，由于水具有一定的潤(rùn)滑和冷卻作用，可防止摩擦表面因產(chǎn)生大量熱而粘結(jié)；而在基礎(chǔ)油和CFO潤(rùn)滑油介質(zhì)下，磨痕表面不存在明顯的凸起峰，表面粗糙度較小，且CFO潤(rùn)滑表面較光潔，表明基礎(chǔ)油和CFO潤(rùn)滑油具有顯著的潤(rùn)滑作用和一定的冷卻作用。

圖3 不同潤(rùn)滑介質(zhì)下磨痕表面的輪廓曲線Fig.3 Contour curves of worn surfaces

轉(zhuǎn)速為100 r／min時(shí)，CFO潤(rùn)滑條件下，接觸壓力對(duì)銅箔摩擦磨損特性的影響如圖4所示。從圖4中可看出，銅箔的摩擦系數(shù)隨接觸壓力的增大有顯著減小的趨勢(shì)；銅箔磨損率隨接觸壓力的增大而增加，整條曲線大致分為兩個(gè)階段，即在接觸壓力為0.3 MPa附近磨損率存在明顯的上升折點(diǎn)，表明材料的磨損機(jī)制隨接觸壓力的增加發(fā)生了由輕微磨損到嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變。

圖4 接觸壓力對(duì)銅箔摩擦磨損特性的影響（CFO潤(rùn)滑，轉(zhuǎn)速100 r／min）Fig.4 Effect of contacting pressure on tribological behaviors of copper foil at 100 r／min

2.2 銅箔尺寸效應(yīng)對(duì)銅箔摩擦磨損性能的影響

選擇30、60、100μm三種不同銅箔厚度的試樣進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。接觸壓力為0.15 MPa，轉(zhuǎn)速為100 r／min時(shí)，在CFO潤(rùn)滑條件下，3種不同厚度的銅箔摩擦系數(shù)曲線如圖5所示。從圖5中可以看出：對(duì)于3種不同厚度的銅箔，其摩擦系數(shù)相差不大，平均摩擦系數(shù)分別為0.211、0.212、0.205，最大相對(duì)差值不足3%。考慮到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中3種銅箔的表面粗糙度等與摩擦有關(guān)的因素存在微小差別以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的誤差，可以近似認(rèn)為銅箔厚度的差異未對(duì)摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響。因此，在研究微成型摩擦?xí)r，可以不考慮銅箔尺寸效應(yīng)對(duì)摩擦系數(shù)的影響。

圖5 不同厚度的銅箔摩擦系數(shù)曲線Fig.5 Friction coefficient curve of copper foil with different thickness

3 結(jié)論

（1）在無(wú)潤(rùn)滑、水潤(rùn)滑、基礎(chǔ)油和CFO潤(rùn)滑條件下，摩擦接觸壓力為0.15 MPa、轉(zhuǎn)速為100 r／min時(shí)，銅箔平均摩擦系數(shù)分別為0.572、0.457、0.274、0.205，其中，潤(rùn)滑油CFO對(duì)銅箔具有顯著的潤(rùn)滑效果。

（2）銅箔摩擦系數(shù)隨接觸壓力的增加而降低，磨損率隨接觸壓力的增大而增大，磨損率在接觸壓力為0.3 MPa附近存在明顯的上升折點(diǎn)。

（3）對(duì)于3種不同厚度的銅箔，其平均摩擦系數(shù)分別為0.211、0.212、0.205，最大相對(duì)差值不足3%，銅箔的尺寸效應(yīng)未對(duì)摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響。

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