铜粉对铜基摩擦材料性能的影响

2019-05-07

摘要:分别以电解铜粉、氧化铝弥散强化铜粉和铁钻铜预合金化铜粉为基体,用粉末冶金工艺制备铜基摩擦材料,研究了铜粉对材料摩擦磨损性能的影响。结果表明,氧化物弥散相和合金元素的布在,影响摩擦膜的成分、厚度和硬度,进而影响摩擦系数。在铜基体中弥散分布的氧化铝陶瓷粒子起稳定摩擦过程、增大摩擦系数的作用,使材料表现出良好的摩擦系数稳定性;但是,脱落的硬质磨粒使材料的磨损量较大。铁钴复合强化的材料摩擦后没有明显的机械复合形变层,而形成了稳定的氧化膜,摩擦过程始终发生在对偶件与表面氧化膜之间,因此材料的磨耗量低而稳定。

关键词:金属材料,摩擦材料,弥散强化基体,铁钴铜合金基体,摩擦稳定性,耐磨性

铜基摩擦材料具有良好的导热性和自润滑性,在干态和湿态摩擦条件下其摩擦性能稳定。但是,铜基体的强度较低,在制动过程中产生的巨大热量使铜基摩擦材料的强度大幅度降低[坷,影响其摩擦稳定性和使用寿命。在材料中掺入第二增强相,如碳纤维叭碳纳米管川、SiC、WC等,或进行合金化都能提高铜基材料的高温强度。

CuCr合金与GCr15钢对摩时其磨损质量损失随着载荷和转速的增加而增大[飞磨损以犁削磨损和粘着磨损为主;Cu-Cr-Zr合金l峰时效后在铜基体中生成了弥散分布的CrCu2(Zr,Mg)析出相,使其硬度和耐磨性能提高;铜锡复合材料的摩擦磨损特性和青铜-石墨复合材料在水润滑条件下的摩擦行为也表明,第二相或合金元素的加入都能提高铜的摩擦磨损性能。将粒度为10-50nm的超细陶瓷粒子(如Al2O3)弥散分布于铜基体中,使其具有较高的电导率、热导率、高强度和硬度。与纯铜相比,Al2O3弥散强化铜基材料在900℃的硬度显著提高。
铁-钴-铜合金中钻含量约为10%-20%,钻与金刚石之间有良好的化学相容性、把持力和耐磨性。本文以弥散强化铜粉和Fe-Co-Cu合金粉为原料制备铜基粉末冶金摩擦材料,研究弥散强化和合金化对铜基材料摩擦性能的影响。

1实验方法
采用粉末冶金法,分别制备以电解铜粉(300目)、弥散强化铜粉(300目)、预合金化铜粉(300目)为基体的铜基复合摩擦材料,样品成分列于表1。



弥散强化铜粉以纳米粒度氧化铝弥散于粉末中,预合金化铜粉为铜粉和Fe、Co元素按一定比例熔炼后,经喷雾法制得。各原料粉末经V型混料机混合均匀后冷压成型,成型压力600MPa,保压时间5min。将样品在充入保护气氛的钟罩式烧结炉中烧结,烧结温度为950℃,压力为3MPa,保温2h后随炉冷却至室温。

用MMI000-II型摩擦磨损实验机研究样品的摩擦磨损性能,样品的尺寸为25mm×25mm×15mm,对偶盘材料为30CrSiMoVA。试验条件:室温,试验转速3000-6200r/min,制动惯量1kg·㎡,载荷1.25MPa。用实验机自备软件自动换算和记录摩擦系数。待摩擦副温度降至室温后进行下一次制动,每个速度下的摩擦实验进行5次。用精度为0.0001g的电子天平测量磨损量,取同一转速下5次制动后样品磨损量的总值。用LEO-1450扫描电子显微镜(SEM)观察样品摩擦后的表面形貌,用KEVEXSig­ma能谱分析(EDS)系统进行成分分析。用MH-6型显微维氏硬度计测量摩擦膜硬度,载荷15g、保压15s,每个试样测试10个数据后取平均值。

2结果与讨论
2.1摩擦磨损性能
从图1可以看出,3种样品的摩擦系数均随转速的提高而降低。电解铜基样品的摩擦系数在低转速期高于其他两种样品,而后随着试验转速的提高而持续降低,但在5800-6200r/min阶段保持稳定。弥散强化铜基样品的摩擦系数,在试验转速为3000-4800r/min范围内持续降低,5200r/min试验转速下摩擦系数略有升高,之后随转速进一步提高而降低,高于4800r/min后高于其他两种样品。铁钴铜合金基样品的摩擦系数随着试验转速的提高从0.304几乎直线降低到0.169,在转速达5200r/min后降幅缓和,但仍近线性降低,摩擦系数明显低于其他两种样品。

图1 不同铜基体样品摩擦系数与试验转速的关系

图2表明,随着试验转速的提高,电解铜基样品和弥散强化铜基样品的磨损量均呈逐渐增大趋势:前者的磨损量在试验转速3800-5200r/min范因内略有降低:后者的磨损量则始终呈增大趋势,在低速摩擦阶段磨耗较低,在高速阶段(>5200r/min)磨耗大幅增加。而铁钴铜合金基样品的磨损量没有随转速提高而明显增多,且在速度高于4200r/min后铁钴铜合金基样品的磨损量始终低于其他两种样品。在试验转速最高的情况下,电解铜基样品和弥散强化铜基样品的磨损量分别是该样品的2.6倍和5.9倍。这一结果表明,铁钴铜合金基体具有比其他两种样品更好的抗磨损性能。



图2 不同试验转速下3种铜基体的磨损量

2.2摩擦膜形貌和成分
图3a为电解铜基样品的磨损表面形貌。可以看出,材料呈现出粘着磨损和犁削磨损形貌。在滑动摩擦过程中,样品表面的微观凸起承受较大的剪切应力,在高速摩擦过程中产生的大量摩擦热和载荷的共同作用造成局部的焊合,随后发生粘着磨损。同时,基体中的硬质颗粒受到剪切力的作用发生脱落形成磨屑,从而产生犁削磨损。图3b为该样品的摩擦形貌,材料表面的大部分区域均形成了表面摩擦层。图中黑色相为石墨,与摩擦膜结合良好。图3c和3d给出了弥散强化铜基体样品摩擦后的表面形貌SEM像。该样品的磨损表现出较严重的粘着和剥落,摩擦表面粗糙,并产生了较大尺度的裂绞(如箭头处所示)。图3d表明,材料摩擦表面出现较大的犁沟和裂纹,摩擦膜分布不平坦,靠近石墨周围的摩擦膜破损,裂纹分布密集。图3e和f给出了铁钴铜合金基体样品的摩擦形貌。材料磨损主要以犁削磨损为主,表面犁沟较浅且较细。在材料表面形成了均匀且光滑平坦的摩擦膜。膜上有裂纹,但是裂纹两侧表面膜的衔接完整,且石墨与摩擦膜结合比较紧密。


图3电解铜基体、弥散强化铜基体和铁钻铜 合金基体磨损后表面形貌

图4给出了对3种样品进行镶样后摩擦膜和基体以及中间机械复合形变层的形貌。摩擦试验后,在样品表层生成了一层光滑致密的黑色轴质层(图4中层1),其主要成分为Fe、Cu的氧化物、少量硫化物及石墨。摩擦产生的磨屑在剪切应力的作用下不断被挤压入基体中,并重复脱落、挤压、变形的循环过程,最终形成了如层2和层3所示的机械复合形变层。电解铜基体的样品机械复合形变层的厚度约为40μm,弥散强化铜基体样品该层的分布不均匀。厚度为10-30μm,而铜合金基体的样品外层摩擦膜较薄,且没有明显的机械变形层。3种样品不同位置处的主要成分列于表2。随着检测位置逐渐向基体方向深入,氧含量逐渐降低,各成分间比例逐渐接近基体原始构成的比例,其中层2处的组织与层3处相比,较为平滑致密,没有明显的凹坑和缝隙,其成分更接近层1的构成成分;而层3由多相成分构成,其组织略为粗糙,部分位置有细小浅坑,成分则更与基体成分接近。在铁钴铜合金基样品中,层2处的成分与基体成分近似。受能谱分析精度的限制,上述摩擦膜以及下层组织的成分分析中均未包含碳元素的定量分析结果,只能根据能谱峰图中碳元素的峰高做定性分析:层1处的碳元素峰高明显高于层2和层3处,黑色釉质摩擦膜中的主要润滑组元即为石墨。


图片4 电解铜基体、弥散强化铜基体和铁钴铜合金基体

3种样品摩擦后的磨屑形貌如图5所示。电解铜基体和弥散强化铜基体的样品,摩擦产生的磨屑为粒度5-10μm左右不规则颗粒状,而铁钴铜合金基体样品产生的磨屑为粒度约1μm接近球形的颗粒。因此,在前两种样品的表面均能观察到明显的犁沟,而这一样品的表面膜光滑平坦。


图片5电解铜基体、弥散强化铜基体和铁钴铜合金基体 磨屑的形貌

3种样品磨损表面以及磨屑形貌的不同,揭示了样品具有各异摩擦磨损性能的原因。电解铜粉的耐高温性能显然不如其他两种铜粉,因而以电解铜为基体的样品,随着摩擦速度的提高,表面迅速生成一表面润滑层,使摩擦系数降低。当摩擦速度接近最高值时,局部发生的粘着磨损使摩擦系数的降低幅度减缓,因而在试验转速5800-6200r/min过程中样品的摩擦系数变化幅度很小,接近稳定。在弥散强化铜粉中分布有纳米级的陶瓷粒子,因而该粉构成的铜基体相当于经过弥散强化处理。在基体中弥散分布的陶瓷粒子起到了稳定摩擦过程、增大摩擦系数的作用,因此其摩擦系数较高,随着转速的增加其衰退的幅度也较小。摩擦后的表面形貌表明,与其他2种样品相比,该样品摩擦膜与石墨的衔接界面最差,薄弱界面作为下一步磨损的裂纹源使摩擦膜破损、基体不断消耗,产生的大量磨屑又进一步加剧磨损,结果是摩擦结束后所形成的表面膜形貌最粗糙。但是,脱落的磨粒也进一步增加了对偶之间的摩擦力,使摩擦系数保持稳定。铁钴铜合金基体表现出良好的耐磨能力,在样品表面没有产生机械复合形变层。这表明,摩擦过程始终发生在对偶件与表面氧化膜之间,导致样品的摩擦系数变化几乎呈直线降低。表面膜的减摩润滑作用明显,有效地避免了对偶之间的直接接触而造成的基体磨损。



2.3基体和摩擦膜硬度
表3给出了不同样品基体处和摩擦试验后表面膜的维氏硬度数据。在摩擦试验前,基体的硬度均低于100HV,以电解铜基体样品(No.l)的基体硬度最低,而其他两种样品由于弥散强化相和合金化的影响,基体硬度都较高。摩擦试验后,电解铜基体样品和弥散强化铜基体样品(No.2)的表面膜硬度最高(均约为650HV),而铜合金基体(No.3)的样品表面膜硬度最低(为424.7HV)。由于摩擦后样品表面均生成致密的氧化润滑釉质膜,硬度均高于原始基体样品。但是,由于铁钴铜合金基体样品近表面处未产生机械复合形变层,在硬度测量时表面膜仍受到较软基体的影响,因此其硬度比其他两种样品的低。



3结论
铜基体中弥散分布的氧化铝陶瓷粒子具有稳定摩擦过程、增大摩擦系数的作用,使材料表现出最好的摩擦系数稳定性。但是,摩擦中脱落的硬质磨粒使材料表现为明显的磨粒磨损,磨损量较大。铁-钴复合强化的铜基材料摩擦后没有产生机械复合形变层而形成了稳定的氧化膜,摩擦过程始终发生在对偶件与表面氧化膜之间,因此材料呈现出低而稳定的磨耗量,表现出良好的耐磨性能。

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李尚勇任金川集团总经理、党委副书记、董事