李雪飛,上官寶,張永振
(河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,洛陽(yáng) 471003)
石墨/銅復(fù)合材料集石墨良好的接觸潤(rùn)滑性和低的熱膨脹系數(shù)、密度以及銅的高電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和良好的延展性為一體,因而具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐磨、耐電弧燒蝕和抗熔焊等性能,廣泛用作各種電焊電極、電器工程開關(guān)的觸頭、發(fā)電機(jī)的集電環(huán)、電樞、轉(zhuǎn)子、電力機(jī)車受電弓滑板和空架接觸導(dǎo)線等的材料[1-3]。在該復(fù)合材 料中,石墨顆粒均勻地分布于銅基體中,金屬銅連接為三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),從而保證其了良好的導(dǎo)電性能[4]。但由于銅和石墨的潤(rùn)濕性極差,即使在1 100 ℃時(shí)兩者的潤(rùn)濕角也高達(dá)140°[5],所以石墨/銅界面只能是機(jī)械互鎖,結(jié)合強(qiáng)度較低,導(dǎo)致復(fù)合材料的物理和力學(xué)性能難以滿足較高的應(yīng)用要求。研究表明,改善其性能的有效途徑是在石墨表面鍍銅,從而增強(qiáng)銅基體與石墨的界面結(jié)合力。
目前多數(shù)相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)石墨/銅復(fù)合材料的制備工藝和摩擦性能論述較多,但對(duì)其摩擦磨損機(jī)理的分析還不夠全面,而且石墨表面鍍銅對(duì)復(fù)合材料摩擦性能的影響還未見深入探討,所以在不同石墨含量條件下,研究石墨表面鍍銅處理對(duì)復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響具有重要的實(shí)際意義。為此,作者選用同一粒徑的鍍銅與不鍍銅石墨,運(yùn)用冷壓燒結(jié)法制備了不同石墨含量的石墨/銅復(fù)合材料,探討了其在載流條件下的摩擦磨損性能與磨損機(jī)理。
試驗(yàn)原料為粒徑150μm 的高純天然鱗片狀石墨,先對(duì)其進(jìn)行粗化、敏化、活化等表面處理,然后進(jìn)行化學(xué)鍍銅,再用蒸餾水清洗,之后在真空干燥箱中干燥。采用計(jì)算富氧氣氛中高溫氧化鍍銅石墨質(zhì)量損失的方法測(cè)定石墨的含量[6],得到石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35.4%。
將同一粒徑的鍍銅石墨粉和不鍍銅石墨粉分別與粒徑為75μm 的電解銅粉(純度為99.9%)按照石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%,10%,15%進(jìn)行配料,充分混料成為六組混合粉體,之后于380MPa壓力下壓制成坯,再在氫氣保護(hù)的鐘罩爐內(nèi)燒結(jié)成型,燒結(jié)溫度為850~860℃,保溫1h,最后將燒結(jié)體加工成規(guī)格為φ9mm×25mm 的銷試樣進(jìn)行載流摩擦磨損試驗(yàn)。
在自制的HST-100型銷-盤式載流摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn),其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示,銷試樣為制備得到的石墨/銅復(fù)合材料,對(duì)偶摩擦盤為QCr0.5銅合金。
圖1 銷-盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Sketch image of the pin-disk friction and wear tester
試驗(yàn)電源采用交流恒流電源,電流為50A,滑動(dòng)速度分別為5,10,20,30m·s-1,載荷30N,試驗(yàn)時(shí)間為10~20s。采用精度為0.1mg的LIr3200D 型電子分析天平稱量試驗(yàn)前后銷試樣的質(zhì)量,計(jì)算得到磨損率;摩擦力經(jīng)由扭矩傳感器輸出至計(jì)算機(jī)中,經(jīng)計(jì)算得到摩擦因數(shù);用JSM-5610LV 型掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)磨損后銷試樣的表面形貌進(jìn)行觀察。
圖2中鍍銅石墨/銅復(fù)合材料(簡(jiǎn)稱鍍銅石墨復(fù)合材料)用P 表示,不鍍銅石墨/銅復(fù)合材料(簡(jiǎn)稱未鍍銅石墨復(fù)合材料)用UP表示,前面數(shù)字表示石墨含量??梢姡瑑煞N石墨復(fù)合材料的摩擦因數(shù)均隨石墨含量的增多而降低,隨滑動(dòng)速度的提高而增大。這是因?yàn)殡S復(fù)合材料中石墨含量的增多,摩擦面上石墨所占的面積也增大,而且石墨分布得更均勻,從而使得石墨能有效地為摩擦面提供潤(rùn)滑介質(zhì),從而降低了摩擦因數(shù);滑動(dòng)速度的增大使得摩擦過程中的摩擦熱增多,摩擦面溫度升高,摩擦溫度會(huì)直接影響到石墨潤(rùn)滑層的氧化和破壞,同時(shí)由于石墨具有耐電弧燒蝕性能,其潤(rùn)滑層的破壞會(huì)增大電弧發(fā)生的幾率,從而導(dǎo)致摩擦面因電弧激發(fā)而產(chǎn)生電蝕坑,從而增大摩擦面的粗糙度,進(jìn)而使摩擦因數(shù)增大[7]。
另由圖2可見,當(dāng)石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%和10%時(shí),鍍銅石墨復(fù)合材料在各滑動(dòng)速度下的摩擦因數(shù)均小于不鍍銅石墨復(fù)合材料的;石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí),滑動(dòng)速度大于20m·s-1后,鍍銅石墨復(fù)合材料的摩擦因數(shù)大于不鍍銅石墨復(fù)合材料的。這是由于石墨鍍銅后提高了銅基體與石墨增強(qiáng)體的界面結(jié)合強(qiáng)度,在摩擦表層的石墨顆粒能夠更牢固地分布于銅基體中,在摩擦過程中能夠減少因界面結(jié)合強(qiáng)度小而產(chǎn)生的剝落,為摩擦面提供了穩(wěn)定的潤(rùn)滑介質(zhì),這與僅靠界面機(jī)械互鎖的不鍍銅石墨復(fù)合材料相比能有效提高潤(rùn)滑質(zhì)量,減小摩擦因數(shù)。
圖2 滑動(dòng)速度對(duì)不同復(fù)合材料摩擦因數(shù)的影響Fig.2 Effect of sliding rate on friction coefficient of different composites
由圖3可見,當(dāng)石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí),兩種石墨復(fù)合材料的磨損率隨著滑動(dòng)速度的增加而變大,且其在30m·s-1滑動(dòng)速度下的磨損率約為5 m·s-1下的2倍以上。這是因?yàn)榛瑒?dòng)速度的增大會(huì)造成單位時(shí)間內(nèi)摩擦產(chǎn)生的熱量增多,導(dǎo)致摩擦表面溫度顯著升高、強(qiáng)度降低,銅基體剝落和石墨氧化造成材料質(zhì)量損失增加,磨損率加大。當(dāng)石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%和15%時(shí),石墨復(fù)合材料的磨損率并未隨滑動(dòng)速度的增大而增加,這是因?yàn)槭窟_(dá)到一定值后,就能夠有效提供潤(rùn)滑介質(zhì),降低摩擦熱和電弧熱的產(chǎn)生,從而保證材料的強(qiáng)度,使磨損率維持在一個(gè)較低的水平。在相同的滑動(dòng)速度下,石墨含量的增多能夠有效降低材料的磨損率,這是因?yàn)槭康蜁r(shí),復(fù)合材料的摩擦表面中石墨所占面積較小,在摩擦中提供的潤(rùn)滑介質(zhì)較少,從而造成了銅基體與摩擦副摩擦?xí)r產(chǎn)生的摩擦熱較多,同時(shí)電弧強(qiáng)度高而產(chǎn)生電弧熱,摩擦表面受熱變軟,強(qiáng)度下降,致使銅基體被拔出造成質(zhì)量損失,磨損率較大;而在石墨含量較高時(shí),復(fù)合材料的摩擦表面中石墨所占面積較大,能夠有效提供潤(rùn)滑介質(zhì),同時(shí)石墨具有滅弧作用,能夠有效減少電弧的產(chǎn)生,從而減少熱量的產(chǎn)生,保證了復(fù)合材料的強(qiáng)度,使質(zhì)量損失減小,磨損率降低。石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)石墨復(fù)合材料的磨損率最小,這說明可能存在一個(gè)最佳的石墨含量使得磨損率較低。
圖3 滑動(dòng)速度對(duì)不同復(fù)合材料磨損率的影響Fig.3 Effect of sliding rate on wear rate of different composites
另由圖3可見,在各滑動(dòng)速度下,石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的鍍銅石墨復(fù)合材料的磨損率均低于相同石墨含量不鍍銅石墨復(fù)合材料的,而石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%和15%的鍍銅石墨復(fù)合材料的磨損率則大于相同石墨含量不鍍銅石墨復(fù)合材料的。可見由于石墨與銅密度相差較大,在石墨含量較大時(shí)石墨的體積分?jǐn)?shù)也較大,石墨與銅在材料組織中的體積比相差不大,石墨鍍銅對(duì)提高材料力學(xué)性能的作用有限,在載流摩擦條件下出現(xiàn)了鍍銅石墨復(fù)合材料磨損加劇的結(jié)果;而石墨含量較低時(shí),石墨的體積分?jǐn)?shù)也較小,鍍銅后的石墨相比不鍍銅的石墨能夠更緊密地結(jié)合于三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的銅基體中,在載流摩擦中減少剝落而提高潤(rùn)滑性能,最終使材料的磨損率減小。
圖4 不同復(fù)合材料在不同滑動(dòng)速度下磨損表面的SEM 形貌Fig.4 SEM morphology of worn surface of different composites at different sliding rates:(a)composite with 15wt%graphite without copper-plating,sliding rate of 30m·s-1;(b)composite with 5wt%copper-plated graphite,sliding rate of 5m·s-1;(c)composite with 5wt%copper-plated graphite,sliding rate of 30m·s-1and(d)composite with 15wt%copper-plated graphite,sliding rate of 30m·s-1
在圖4(c)中,復(fù)合材料摩擦表面沿滑動(dòng)方向出現(xiàn)了交替的裂口和凹穴,這是由于在摩擦熱、電阻熱和電弧熱的高溫作用下,摩擦表層的銅基體發(fā)生熔融軟化進(jìn)而轉(zhuǎn)移到對(duì)磨盤上,而后又粘附到復(fù)合材料表面,如此反復(fù)造成了材料質(zhì)量的損失,其主要磨損機(jī)制為粘著磨損。圖4(d)中的材料表面相對(duì)圖4(c)的表面更光滑,可見摩擦過程中摩擦面潤(rùn)滑良好,這表明石墨含量的增加能夠有效改善摩擦面的潤(rùn)滑條件;在滑動(dòng)方向也出現(xiàn)了犁溝現(xiàn)象,說明其主要磨損機(jī)制為磨粒磨損。與圖4(c)相比,圖4(b)中電弧燒蝕銅基體形成的瘤狀物較少,這表明在較低的滑動(dòng)速度下產(chǎn)生的電弧強(qiáng)度低,進(jìn)而電弧侵蝕減少。圖4(a)中電弧燒蝕產(chǎn)生的瘤狀物數(shù)量多、尺寸大,已看不到犁溝和裂口,這說明電弧燒蝕已成為其主要的磨損機(jī)制,與圖4(d)相比可知,石墨鍍銅能夠顯著提高材料的潤(rùn)滑性能,減少電弧的發(fā)生,從而提高復(fù)合材料的耐磨性能。
(1)石墨含量的增加能夠顯著降低鍍銅石墨/銅復(fù)合材料在載流摩擦條件下的摩擦因數(shù),且其磨損率在石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)最低。
(2)鍍銅石墨能夠有效降低復(fù)合材料的摩擦因數(shù),從而提高載流摩擦性能,但對(duì)耐磨性能影響趨勢(shì)不明顯。
(3)石墨/銅復(fù)合材料在載流磨擦過程中同時(shí)存在粘著磨損、磨粒磨損和電弧燒蝕磨損機(jī)制,磨損機(jī)制隨摩擦條件的不同而變化。
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