黃友庭，李曉偉，查元飛，周曉龍，黃 歆，花能斌，陳文哲，彭?xiàng)澚?/p>

(1.福建工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院,福州 350108；2.福建省先進(jìn)材料加工與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州 350108；3.福州工商學(xué)院藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，福州 350715；4.固體表面物理化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建省材料基因組重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心,廈門大學(xué)材料學(xué)院,廈門 361005)

0 引 言

在鋼鐵生產(chǎn)過程中，導(dǎo)衛(wèi)裝置是軋鋼生產(chǎn)線上的重要組成部分，而導(dǎo)衛(wèi)板是導(dǎo)衛(wèi)裝置中的重要零部件，其質(zhì)量與壽命對(duì)鋼鐵產(chǎn)品的生產(chǎn)效率與質(zhì)量具有極其重要的影響。耐熱鋼、白口鑄鐵、灰口鑄鐵和球墨鑄鐵是傳統(tǒng)的制造導(dǎo)衛(wèi)板的材料，但因工作條件惡劣，由這些材料制造的導(dǎo)衛(wèi)板使用壽命短，通常只有幾個(gè)小時(shí)，這嚴(yán)重影響著生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益[1-4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，型鋼軋制過程中一半以上的生產(chǎn)事故都是由導(dǎo)衛(wèi)板的斷裂、磨損失效引起的[5]。因此，迫切需要找到一種硬度高、塑性好、高溫耐磨性良好的導(dǎo)衛(wèi)板用新材料來(lái)滿足使用要求。

鎢銅(W-Cu)合金具有高強(qiáng)度、高塑性、高導(dǎo)電導(dǎo)熱性等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于電子和軍事行業(yè)[6-10]。作為一種兩組元的“假合金”，鎢銅合金中的鎢相可以為合金提供良好的高溫強(qiáng)度，而銅相良好的塑性和導(dǎo)熱性能可使合金在承受冷熱快速變化的極端條件下不開裂，并改善合金的機(jī)加工性能[5]；但鎢銅合金的耐磨性較差[11]，若能提升鎢銅合金的高溫耐磨性能，便有望使該合金在導(dǎo)衛(wèi)板中得到極好的應(yīng)用。目前，主要通過添加合金元素、纖維和硬質(zhì)相顆粒等來(lái)提高鎢銅合金的性能[12-21]。殷婷等[20]采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備了摻雜少量TiC的W-Cu復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的相對(duì)密度達(dá)到98.7%，硬度達(dá)到113 HV。ZHANG等[22]以超細(xì)/納米W-Cu粉末、TiC粉末為原料制備出不同TiC含量的W-70Cu-nTiC復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)當(dāng)摻雜TiC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，復(fù)合材料的性能最優(yōu)，其相對(duì)密度達(dá)到98.63%，抗拉強(qiáng)度達(dá)到843 MPa。高思遠(yuǎn)等[9]采用高能球磨法和放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備了Cu-15Cr-15W復(fù)合材料，其維氏硬度達(dá)到了152 HV，抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別達(dá)到了365 MPa和11.5%。LUO等[15]采用簡(jiǎn)化的化學(xué)鍍方法制備了W-Cu復(fù)合粉末，并加入La2O3作為第二相對(duì)其進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的相對(duì)密度達(dá)到92%，抗彎強(qiáng)度達(dá)到940 MPa，比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)高18.99%。研究[23-27]表明，TiN、ZrO2、HfC、ZrO2、La2O3等顆?？梢詮浬⒎植荚阪u基體內(nèi)，釘扎位錯(cuò)，限制鎢基體在高溫下的變形，同時(shí)起到阻止裂紋擴(kuò)展的作用，可明顯提高合金的高溫強(qiáng)度。鎢銅合金經(jīng)WC界面層改性后，鎢與銅之間的結(jié)合質(zhì)量得到明顯改善，硬度得到明顯提高[21]。TiC作為增強(qiáng)相摻雜在鎢銅合金中則可以通過釘扎作用阻止鎢晶粒在高溫?zé)Y(jié)時(shí)長(zhǎng)大，改善合金的力學(xué)性能[28]。W-Cu合金基復(fù)合材料的高溫耐磨性能與硬度、強(qiáng)度密切相關(guān)，若能提高材料的硬度、強(qiáng)度，便有望改善復(fù)合材料的高溫耐磨性能。TiCN具有高熔點(diǎn)、高耐磨性、耐氧化和耐腐蝕等優(yōu)良特性，硬度比TiC和TiN二者都高，可有望作為添加相來(lái)提高鎢銅合金基體的強(qiáng)度和硬度，從而提高復(fù)合材料的高溫耐磨性能。

鎢和銅的密度和熔點(diǎn)差異巨大，即使在液體條件下也完全不混溶[29]，且鎢、銅兩相單體在高溫?zé)Y(jié)過程中不會(huì)形成中間化合物，因此傳統(tǒng)的熔煉方法很難實(shí)現(xiàn)鎢和銅的均勻分布。近年來(lái)，化學(xué)鍍銅方法已廣泛用于粉末材料的表面改性[30-31]。應(yīng)用化學(xué)鍍方法可以在鎢顆粒表面均勻地鍍覆銅層，銅包覆鎢復(fù)合粉末的比表面積大、金屬間浸潤(rùn)性良好，可有效改善W-Cu合金基復(fù)合材料的組織和性能；結(jié)合放電等離子燒結(jié)工藝升溫快、燒結(jié)溫度低、生產(chǎn)效率高，且燒結(jié)試樣組織細(xì)小均勻的特點(diǎn)，可對(duì)銅包覆鎢復(fù)合粉末進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，以制備性能優(yōu)異的W-Cu合金基復(fù)合材料。為了滿足導(dǎo)衛(wèi)板在高溫耐磨性方面的需求，開發(fā)出新的導(dǎo)衛(wèi)板用材料，作者以銅粉、TiCN粉以及采用化學(xué)鍍方法制備的銅包覆鎢復(fù)合粉末為原料，采用放電等離子燒結(jié)工藝制備TiCN/W-Cu復(fù)合材料，系統(tǒng)研究了復(fù)合材料的顯微組織、硬度及在不同溫度(25～800 ℃)下的摩擦磨損性能和磨損機(jī)理，并與鎢銅合金進(jìn)行了對(duì)比。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料包括：聚乙二醇、銅鹽(五水硫酸銅)、鹽酸(HCl)、氫氧化鈉(NaOH)、EDTA-2Na、酒石酸鉀鈉、甲醛，分析純，均由國(guó)藥試劑公司提供；2,2′-聯(lián)吡啶，分析純，由阿拉丁生化科技公司提供；銅粉，純度99.8%，平均粒徑10 μm，由中國(guó)金屬冶金研究總院提供；鎢粉，純度99.99%，平均粒徑10 μm，由中國(guó)金屬冶金研究總院提供；TiCN粉，純度99.99%，粒徑1～2 μm，由阿拉丁生化科技公司提供。稱取25 g銅鹽、25 g絡(luò)合劑(酒石酸鉀鈉+EDTA-2Na)、20 mL還原劑(甲醛)、0.02 g穩(wěn)定劑(2,2′-聯(lián)吡啶)和4 mL分散劑(聚乙二醇)，配置鍍液，用NaOH調(diào)節(jié)溶液pH至11～13。將稱取好的25.6 g鎢粉進(jìn)行預(yù)處理，即分別用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的NaOH溶液以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的HCl溶液洗滌15 min，以去除表面油脂和部分氧化層；將鎢粉用去離子水洗滌至中性后加入到鍍液中，采用水浴鍋保持鍍液恒溫55 ℃并進(jìn)行磁力攪拌，在反應(yīng)過程中不斷添加NaOH以維持pH穩(wěn)定，待鍍液由藍(lán)色變澄清后反應(yīng)結(jié)束。將反應(yīng)完畢的粉末用去離子水洗滌至中性，用無(wú)水乙醇超聲清洗并分散顆粒，然后放入干燥箱中50 ℃保溫6 h烘干，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%銅包覆鎢復(fù)合粉末。

圖1 鎢粉與銅包覆鎢復(fù)合粉末的SEM形貌Fig.1 SEM morphology of tungsten powder (a) and Cu-coated W composite powder (b)

按銅包覆鎢復(fù)合粉末、 銅粉、TiCN粉質(zhì)量比92.5…6…1.5，稱取原料粉制備TiCN/W-Cu復(fù)合材料；按銅包覆鎢復(fù)合粉末、 銅粉質(zhì)量比94…6，稱取原料粉制備W-Cu合金。將稱取好的原料粉用QM-QX4L型全方位行星式球磨機(jī)混粉10 h，轉(zhuǎn)速為150 r·min-1，得到混合均勻的原料粉；將原料粉裝入直徑30 mm的石墨模具中，在5T-5-III型放電等離子燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1 200 ℃，保溫時(shí)間為3 min，燒結(jié)壓力為40 MPa，升溫速率為36～50 ℃·s-1，燒結(jié)結(jié)束后待爐內(nèi)溫度降低至50 ℃以下后將試樣取出。

1.2 試驗(yàn)方法

采用Nova NanoSEM 450型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)鎢粉、銅包覆鎢復(fù)合粉末、W-Cu合金和復(fù)合材料的微觀形貌進(jìn)行觀察，并用SEM附帶的能譜儀(EDS)對(duì)粉末和復(fù)合材料的微區(qū)成分進(jìn)行分析，對(duì)W-Cu合金和復(fù)合材料進(jìn)行元素面掃描。采用化學(xué)溶解法測(cè)量銅包覆鎢復(fù)合粉末中銅層的含量，取適量銅包覆鎢復(fù)合粉末置于玻璃瓶中，用硝酸將粉體中的銅腐蝕溶解后進(jìn)行清洗，計(jì)算出銅包覆鎢復(fù)合粉末中銅層的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。采用D8 advance型 X射線衍射分析儀(XRD)對(duì)W-Cu合金和復(fù)合材料的物相組成進(jìn)行分析，采用銅靶，工作電壓為40 kV，工作電流為40 mA，掃描速率為4 (°)·min-1，掃描范圍2θ為20°～100°。通過阿基米德排水法計(jì)算W-Cu合金和復(fù)合材料的相對(duì)密度。采用THVP-10型顯微維氏硬度計(jì)測(cè)W-Cu合金和復(fù)合材料的維氏硬度，載荷為10 N，保載時(shí)間為15 s，測(cè)5個(gè)點(diǎn)取平均值。

在W-Cu合金和復(fù)合材料上截取尺寸為φ30 mm×4 mm的摩擦磨損試樣，經(jīng)打磨、拋光后用無(wú)水乙醇超聲清洗10 min，用吹風(fēng)機(jī)烘干；采用GHT-1000E型高溫真空摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，接觸方式為球-盤旋轉(zhuǎn)式，試驗(yàn)時(shí)間為30 min，摩擦半徑為4 mm，轉(zhuǎn)速為650 r·min-1，對(duì)磨材料為直徑4 mm的Si4N3陶瓷球，試驗(yàn)環(huán)境為真空，真空度為-3 Pa，試驗(yàn)溫度為25,400,600,800 ℃；摩擦磨損過程中的平均摩擦因數(shù)取磨損過程進(jìn)行10 min后的摩擦因數(shù)平均值，采用MT-500型探針式材料表面磨痕測(cè)量?jī)x測(cè)磨損量，磨損率I的計(jì)算公式為

(1)

式中：ΔV為磨損量， mm3；F為接觸載荷，N；d為磨痕的直徑，mm；n為轉(zhuǎn)速，r·min-1；t為試驗(yàn)時(shí)間，min。

磨損試驗(yàn)結(jié)束后，采用Nova NanoSEM 450型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察磨損形貌，并用其附帶的EDS對(duì)磨損表面的微區(qū)成分進(jìn)行分析；采用D8 advance型 X射線衍射分析儀對(duì)磨損表面的物相組成進(jìn)行分析，采用銅靶，工作電壓為40 kV，工作電流為40 mA，掃描速率為4(°)·min-1，掃描范圍2θ為20°～100°。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 粉末的微觀形貌與微區(qū)成分

由圖1可以看出：鎢粉顆粒表面干凈、平滑，無(wú)附著物，呈帶有棱角的多面體狀；銅包覆鎢復(fù)合粉末中的鎢顆粒表面銅原子分?jǐn)?shù)為94.6%，說明鎢顆粒完全被銅包裹住，顆粒形狀已由多面體狀變?yōu)榻魄驙?，且粉末中無(wú)片狀銅或細(xì)小的銅顆粒產(chǎn)生。采用化學(xué)溶解法測(cè)得銅包覆鎢復(fù)合粉末中銅層的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.14%，與初始設(shè)計(jì)值15%相比誤差很小，該誤差出現(xiàn)的原因可能是化學(xué)溶解后的清洗環(huán)節(jié)中鎢粉發(fā)生輕微損耗。可知，銅包覆鎢復(fù)合粉末中銅的鍍覆效果較好。

2.2 復(fù)合材料的微觀形貌、相對(duì)密度與硬度

由圖2可以看出：所制備復(fù)合材料中主要存在鎢、銅和TiCN相,說明成功制備了TiCN/W-Cu復(fù)合材料；W-Cu合金中只有鎢和銅兩相。對(duì)W-Cu合金和TiCN/W-Cu復(fù)合材料進(jìn)行微觀形貌觀察和微區(qū)成分分析，結(jié)果如圖3和表1所示。由圖3和表1可以看出：TiCN/W-Cu復(fù)合材料中的的黑色顆粒相(位置1和位置3)為TiCN，灰色相(位置2)為鎢，深灰色相為銅；相比于W-Cu合金，TiCN/W-Cu復(fù)合材料基體鎢顆粒排列更加致密且尺寸均勻，銅相更分散且區(qū)域較小，細(xì)小的TiCN顆粒彌散分布在鎢和銅相界，可阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，抑制晶粒長(zhǎng)大，使得燒結(jié)時(shí)鎢顆粒難以聚集，并可引導(dǎo)銅相分散，獲得致密而均勻的組織，此時(shí)TiCN顆粒起到很好的增強(qiáng)效果。

圖2 W-Cu合金與所制備復(fù)合材料的XRD譜Fig.2 XRD pattern of W-Cu alloy and prepared composites

圖3 W-Cu合金與TiCN/W-Cu復(fù)合材料的微觀形貌與EDS元素面掃描區(qū)域和結(jié)果Fig.3 Micromorphology (a-c) and EDS element surface scanning area and results (d-e) of W-Cu alloy (a,d) and TiCN/W-Cu composites (b-c, e): (b) at low magnification and (c) at high magnification

表1 圖3(c)中不同位置的EDS分析結(jié)果

試驗(yàn)測(cè)得，W-Cu合金和TiCN/W-Cu復(fù)合材料的相對(duì)密度分別為97.3%和97.9%，顯微硬度分別為231.4,282.7 HV，可知與W-Cu合金相比，TiCN/W-Cu復(fù)合材料的相對(duì)密度提高了0.6%，硬度提高了22.2%，這與TiCN/W-Cu復(fù)合材料中分布在銅與鎢相界的細(xì)小TiCN顆粒所起到的彌散強(qiáng)化作用有關(guān)。

2.3 復(fù)合材料的高溫摩擦磨損性能

由圖4可以看出，在經(jīng)過初期的磨合階段后，W-Cu合金和TiCN/W-Cu復(fù)合材料在25 ℃下的摩擦因數(shù)-時(shí)間曲線的波動(dòng)明顯比400，600，800 ℃高溫下的曲線小。高溫下合金和復(fù)合材料基體軟化，易發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致磨損劇烈，因此摩擦因數(shù)波動(dòng)更大。

圖4 不同溫度下W-Cu合金與TiCN/W-Cu復(fù)合材料的摩擦因數(shù)-時(shí)間曲線Fig.4 Friction coefficient-time curves of W-Cu alloy (a) and TiCN/W-Cu composites (b) at different temperatures

由圖5可知：隨著試驗(yàn)溫度的升高，W-Cu合金的平均摩擦因數(shù)呈先降低后升高的趨勢(shì),而TiCN/W-Cu復(fù)合材料的平均摩擦因數(shù)波動(dòng)較大，呈先降低后升高再降低的趨勢(shì)；在25 ℃與800 ℃下，TiCN/W-Cu復(fù)合材料的平均摩擦因數(shù)略低于W-Cu合金，但在400，600 ℃下，TiCN/W-Cu復(fù)合材料的平均摩擦因數(shù)高于W-Cu合金；W-Cu合金和TiCN/W-Cu復(fù)合材料的磨損率均隨著溫度的升高而增大，且相同溫度下復(fù)合材料的磨損率均明顯低于W-Cu合金。在25 ℃下TiCN/W-Cu復(fù)合材料的磨損率為2.37×10-6mm2·N-1·r-1，比W-Cu合金低33.8%。在800 ℃下TiCN/W-Cu復(fù)合材料的磨損率為4.96×10-6mm2·N-1·r-1，比W-Cu合金低61.9%。TiCN/W-Cu復(fù)合材料較好的常溫和高溫耐磨性能與復(fù)合材料硬度的提高使得磨擦磨損時(shí)的塑性變形較小以及磨損過程中會(huì)產(chǎn)生硬質(zhì)摩擦層有關(guān)[32]。

圖5 不同溫度下W-Cu合金和TiCN/W-Cu復(fù)合材料的平均摩擦因數(shù)和磨損率Fig.5 Average friction coefficient (a) and wear rate (b) of W-Cu alloy and TiCN/W-Cu composites at different temperatures

由圖6可知，在25，400 ℃下，W-Cu合金磨損表面的主要物相為鎢和銅相，當(dāng)試驗(yàn)溫度升高到600，800 ℃時(shí)，磨損表面開始出現(xiàn)了Si2N2O相，高溫下劇烈的摩擦運(yùn)動(dòng)使得對(duì)磨件與W-Cu合金表面發(fā)生了物質(zhì)遷移，環(huán)境空氣中的水分在高溫下與W-Cu合金磨損表面發(fā)生了氧化反應(yīng)，生成了Si2N2O相。在25 ℃下TiCN/W-Cu復(fù)合材料磨損表面的主要物相為鎢和銅相，當(dāng)溫度升高到400，600 ℃時(shí)，磨損表面出現(xiàn)了Si3N4，說明復(fù)合材料發(fā)生黏著磨損，在600，800 ℃下磨損表面有WO2產(chǎn)生，說明復(fù)合材料表面發(fā)生了氧化磨損。

圖6 不同溫度試驗(yàn)后W-Cu合金和TiCN/W-Cu復(fù)合材料磨損表面的XRD譜Fig.6 XRD pattern of wear surface of W-Cu alloy (a) and TiCN/W-Cu composites (b) after test at different temperatures

由圖7可以看出，不同溫度下W-Cu合金的磨損表面均有犁溝出現(xiàn)，當(dāng)溫度為400 ℃以上時(shí)，磨損表面有裂紋產(chǎn)生。25 ℃下W-Cu合金磨損表面存在細(xì)小的犁溝，并存在黑色片狀磨屑，這是W-Cu合金表面材料剝落后又被重新碾壓摩擦所致，此時(shí)合金的主要磨損形式為磨粒磨損。400 ℃下W-Cu合金表面犁溝處萌生裂紋，裂紋在合金內(nèi)部或表面擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展到一定程度后材料剝落形成凹坑；此時(shí)磨損表面的氧元素增多，說明合金存在輕微氧化磨損；可知400 ℃下W-Cu合金的磨損形式主要為疲勞磨損并伴有輕微氧化磨損。400 ℃高溫使W-Cu合金的硬度降低，在磨損過程中的塑性變形程度增大，耐磨性能降低；同時(shí)在環(huán)境高溫以及摩擦熱的作用下，軟化的銅相在W-Cu合金外形成一層潤(rùn)滑膜[33]，面心立方結(jié)構(gòu)的銅阻隔了對(duì)磨件與合金的直接接觸，起到減摩的效果，而且較軟的銅相使鎢顆粒的拔出和脫落現(xiàn)象減少，有效抑制了磨粒磨損，使400 ℃下的磨損表面比25 ℃下更光滑，磨屑更少，僅有零星的銅顆粒散落；400 ℃下銅的自潤(rùn)滑作用使得合金的摩擦因數(shù)相比于25 ℃時(shí)降低幅度較大，磨損率增加幅度較小。600 ℃下W-Cu合金磨損表面存在少量細(xì)小的顆粒狀磨屑，并有裂紋生成，同時(shí)在裂紋處存在凹坑；磨損表面氧元素含量增加，并且出現(xiàn)了硅元素，可知磨損表面發(fā)生強(qiáng)烈的黏著磨損，在高溫與摩擦的雙重作用下磨損表面形成氧化膜；此時(shí)W-Cu合金的磨損機(jī)理主要為疲勞磨損與黏著磨損，并伴有氧化磨損。600 ℃高溫使W-Cu合金在磨損過程中的塑性變形程度加大，磨損加劇，銅潤(rùn)滑膜的減摩效果變?nèi)酰煌瑫r(shí)合金表面生成的氧化膜對(duì)合金的耐磨性能起到了積極作用，因此相比于400 ℃，600 ℃下W-Cu合金的摩擦因數(shù)增大，但磨損率上升幅度仍較小。800 ℃下W-Cu合金磨損表面有犁溝以及較大的層片狀磨屑出現(xiàn)，并存在細(xì)微裂紋；磨損表面氧元素含量升高，并且出現(xiàn)了硅元素，可知合金發(fā)生強(qiáng)烈的黏著磨損，磨損表面在高溫與摩擦的雙重作用下有氧化膜生成；800 ℃下合金的磨損機(jī)理為磨粒磨損和疲勞磨損，伴有黏著磨損以及氧化磨損。800 ℃極高的溫度使合金基體進(jìn)一步軟化，表面塑性變形程度加大，磨損程度更加嚴(yán)重，銅的自潤(rùn)滑作用完全失效，導(dǎo)致此溫度下合金的摩擦因數(shù)與磨損率均急劇上升。隨著試驗(yàn)溫度的升高，W-Cu合金磨損表面的氧含量不斷升高，氧化磨損程度加??；高溫使合金基體軟化程度明顯，在磨損過程中表面塑性變形程度加劇，導(dǎo)致磨損劇烈，銅潤(rùn)滑膜的減摩效果逐漸失效，銅相隨磨屑離開合金表面，因此銅元素含量降低；隨著磨損程度的加劇以及高溫的影響，黏著磨損加劇，W-Cu合金與對(duì)磨材料氮化硅之間發(fā)生物質(zhì)遷移，從而在600 ℃時(shí)開始生成以Si2N2O為主的氧化膜。

圖7 不同溫度試驗(yàn)后W-Cu合金的磨損形貌與EDS元素面掃描結(jié)果Fig.7 Wear morphology (a-h) and EDS element surface scanning results (i) of W-Cu alloy after test at different temperatures: (a, c, e, g) at low magnification and (b, d, f, h) at high magnification

由圖8可知：25 ℃下TiCN/W-Cu復(fù)合材料磨損表面存在犁溝和麻點(diǎn)孔洞，同時(shí)還存在一層很薄的深灰色片狀區(qū)域，這是表面材料剝落后又重新被碾壓摩擦所致，而孔洞是由TiCN顆粒脫落形成的；此時(shí)TiCN/W-Cu復(fù)合材料的主要磨損機(jī)理為磨粒磨損。400 ℃下TiCN/W-Cu復(fù)合材料磨損表面存在犁溝以及因TiCN顆粒脫落形成的麻點(diǎn)孔洞，由于摩擦過程中有銅潤(rùn)滑膜出現(xiàn)，磨損表面較光滑；磨損表面氧元素增加并出現(xiàn)了硅元素，結(jié)合圖6可知此時(shí)有Si3N4相生成，此時(shí)TiCN/W-Cu復(fù)合材料的磨損機(jī)理為磨粒磨損、黏著磨損并伴有氧化磨損。400 ℃高溫使TiCN/W-Cu復(fù)合材料基體的硬度降低，在磨損過程中的塑性變形程度增大，耐磨性能降低；在磨損過程中，TiCN硬質(zhì)顆粒在載荷的作用下拔出脫落，并在復(fù)合材料表面運(yùn)動(dòng)而使表面形成犁溝，造成三體磨粒磨損；在環(huán)境高溫以及摩擦熱的作用下，軟化的銅相在磨損表面形成一層潤(rùn)滑膜，此時(shí)磨損表面較光滑，因此與25 ℃時(shí)相比，TiCN/W-Cu復(fù)合材料的摩擦因數(shù)降低幅度較大，而磨損率增大幅度較小。600 ℃下TiCN/W-Cu復(fù)合材料磨損表面存在輕微的犁溝、凹坑、坑內(nèi)裂紋以及因TiCN硬質(zhì)顆粒脫落形成的麻點(diǎn)孔洞，磨損表面較為平整；磨損表面氧元素和碳元素含量增加，結(jié)合圖6可知磨損表面在高溫與摩擦的作用下有氧化膜生成[34]，此時(shí)TiCN/W-Cu復(fù)合材料的磨損機(jī)理為疲勞磨損、黏著磨損，并伴有氧化磨損。600 ℃下較高的溫度、較大的基體塑性變形以及加劇的磨損程度使銅潤(rùn)滑膜的減摩效果基本失效；此時(shí)脫落的TiCN硬質(zhì)顆粒、鎢顆粒、銅相以及三者的氧化物混合在一起，在TiCN/W-Cu復(fù)合材料表面形成了一層硬質(zhì)摩擦層，起到了很好的減摩作用，因此此時(shí)雖然摩擦因數(shù)增大幅度較大，但磨損率卻未大幅提高。800 ℃下TiCN/W-Cu復(fù)合材料磨損表面出現(xiàn)了大量顆粒狀磨屑，此時(shí)硬質(zhì)摩擦層替代復(fù)合材料表面進(jìn)行摩擦運(yùn)動(dòng)，使得材料磨損率并未急劇升高；同時(shí)銅相在800 ℃高溫下進(jìn)一步軟化，流動(dòng)性增強(qiáng)并滲出到硬質(zhì)摩擦層外部，重新形成銅潤(rùn)滑膜，使硬質(zhì)摩擦層的潤(rùn)滑性變好，摩擦因數(shù)降低；此時(shí)TiCN/W-Cu復(fù)合材料的磨損機(jī)理為疲勞磨損、黏著磨損，并伴有氧化磨損；磨損試驗(yàn)結(jié)束后，少量剩余銅相將其他碎屑黏合在一起而在磨損表面形成了鎢、銅、TiCN的混合顆粒。

圖8 不同溫度試驗(yàn)后TiCN/W-Cu復(fù)合材料的磨損形貌與EDS元素面掃描結(jié)果Fig.8 Wear morphology (a-h) and EDS element surface scanning results (i) of TiCN/W-Cu composites after test at different temperatures: (a, c, e, g) at low magnification and (b, d, f, h) at high magnification

當(dāng)試驗(yàn)溫度為400 ℃時(shí)，在對(duì)磨件的接觸應(yīng)力作用下，TiCN/W-Cu復(fù)合材料基體中的銅相軟化并在表面形成了一層銅潤(rùn)滑膜，起到了減摩耐磨的作用。但隨著溫度升高到600～800 ℃，銅潤(rùn)滑膜減摩作用失效，在對(duì)磨件的碾壓以及環(huán)境高溫與摩擦熱的作用下，大量脫落的TiCN硬質(zhì)顆粒、鎢顆粒、銅相以及3者的氧化物混合在一起，形成了一層硬質(zhì)摩擦層，代替復(fù)合材料與對(duì)磨件進(jìn)行摩擦運(yùn)動(dòng)，從而提高了復(fù)合材料的耐磨性能。TiCN/W-Cu復(fù)合材料的高溫摩擦磨損機(jī)理模型如圖9所示。在摩擦過程中較軟的銅相不僅起到潤(rùn)滑的作用，而且避免了鎢、TiCN顆粒之間的相互接觸；彌散分布的細(xì)小TiCN顆粒提高了基體的相對(duì)密度與硬度，延緩了基體的塑性變形，有利于延緩裂紋的萌生和擴(kuò)展，大大提高了復(fù)合材料的耐磨性能。

圖9 TiCN/W-Cu復(fù)合材料的高溫摩擦磨損機(jī)理模型Fig.9 High temperature friction and wear mechanism model of TiCN/W-Cu composites

3 結(jié) 論

(1) 以TiCN粉、銅粉、銅包覆鎢復(fù)合粉末為原料，采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)成功制備了TiCN/W-Cu復(fù)合材料，復(fù)合材料的相對(duì)密度為97.9%，硬度為282.7 HV，相比于W-Cu合金分別提高了0.6%和22.2%，復(fù)合材料組織致密，鎢顆粒尺寸均勻，鎢相與銅相分布均勻，細(xì)小的TiCN顆粒彌散分布在鎢和銅相界處。

(2) 隨著試驗(yàn)溫度由25 ℃升高到800 ℃，TiCN/W-Cu復(fù)合材料的平均摩擦因數(shù)呈先降低后升高再降低的趨勢(shì)，磨損率增大，且相同溫度下復(fù)合材料的磨損率均明顯低于W-Cu合金，其中25 ℃下的磨損率比W-Cu合金低33.8%，800 ℃下的磨損率比W-Cu合金低61.9%，復(fù)合材料具有更好的常溫與高溫耐磨性能。

(3) TiCN/W-Cu復(fù)合材料中彌散分布的細(xì)小TiCN硬質(zhì)相顆?？裳泳徎w的塑性變形，阻礙裂紋的萌生和擴(kuò)展，且高溫下磨損表面形成的銅潤(rùn)滑膜與硬質(zhì)摩擦層起到減摩耐磨的作用，從而使復(fù)合材料具有良好的高溫耐磨性能；25 ℃下復(fù)合材料的磨損機(jī)理以磨粒磨損為主，隨著溫度的升高，磨損機(jī)理轉(zhuǎn)變?yōu)槠谀p、黏著磨損與氧化磨損。