石墨／銅復(fù)合材料的載流摩擦磨損性能

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 471003）

0 引言

石墨／銅復(fù)合材料集石墨良好的接觸潤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濕性極差，即使在1 100 ℃時兩者的潤濕角也高達(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)對石墨／銅復(fù)合材料的制備工藝和摩擦性能論述較多，但對其摩擦磨損機(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。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)原料為粒徑150μm 的高純天然鱗片狀石墨，先對其進(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)。

1.2 試驗(yàn)方法

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)簡圖如圖1所示，銷試樣為制備得到的石墨／銅復(fù)合材料，對偶摩擦盤為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，滑動速度分別為5，10，20，30m·s－1，載荷30N，試驗(yàn)時間為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）對磨損后銷試樣的表面形貌進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 摩擦因數(shù)和磨損率

圖2中鍍銅石墨／銅復(fù)合材料（簡稱鍍銅石墨復(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?，兩種石墨復(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滑介質(zhì)，從而降低了摩擦因數(shù)；滑動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，摩擦溫度會直接影響到石墨潤滑層的氧化和破壞，同時由于石墨具有耐電弧燒蝕性能，其潤滑層的破壞會增大電弧發(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，鍍銅石墨復(fù)合材料在各滑動速度下的摩擦因數(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，滑動速度大于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滑質(zhì)量，減小摩擦因數(shù)。

圖2 滑動速度對不同復(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，兩種石墨復(fù)合材料的磨損率隨著滑動速度的增加而變大，且其在30m·s－1滑動速度下的磨損率約為5 m·s－1下的2倍以上。這是因?yàn)榛瑒铀俣鹊脑龃髸斐蓡挝粫r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，石墨復(fù)合材料的磨損率并未隨滑動速度的增大而增加，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較低的水平。在相同的滑動速度下，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，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，復(fù)合材料的摩擦表面中石墨所占面積較大，能夠有效提供潤滑介質(zhì)，同時石墨具有滅弧作用，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%時石墨復(fù)合材料的磨損率最小，這說明可能存在一個最佳的石墨含量使得磨損率較低。

圖3 滑動速度對不同復(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，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滑性能，最終使材料的磨損率減小。

2.2 磨損表面形貌

圖4 不同復(fù)合材料在不同滑動速度下磨損表面的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）中的材料表面相對圖4（c）的表面更光滑，可見摩擦過程中摩擦面潤滑良好，這表明石墨含量的增加能夠有效改善摩擦面的潤滑條件；在滑動方向也出現(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。

3 結(jié)論

（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，但對耐磨性能影響趨勢不明顯。

（3）石墨／銅復(fù)合材料在載流磨擦過程中同時存在粘著磨損、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。

［1］金永平，郭斌，鄭艾龍，等.銅基受電弓滑板試件電阻率和磨損性能研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，35（4）：441－446.

［2］FUTAMI T，OHIRA M，MUTO H，etal.Indentation contact behavior of copper－graphite particulate composites：Correlation between the contact parameters and the electrical resistivity［J］.Carbon，2008，46：671－678.

［3］馬行馳，何國求，何大海，等.銅石墨合金材料在載流條件下的摩擦磨損行為研究［J］.摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28（2）：167－172.

［4］ZHAN Y Z，ZHANG G D，WU Y Y.Effect of surface metallization of graphite on the tribological properties of copper hybrid composites［J］.Scandinavian Journal of Metallurry，2004，33（2）：80－87.

［5］蔣文忠.石墨粉末鍍銅工藝及性能的研究［J］.炭素技術(shù)，2002（5）：23－25.

［6］李闖，夏金童，商玲玲，等.電鍍法石墨粉鍍銅工藝及銅含量的測定［J］.機(jī)械工程材料，2007，31（5）：27－29.

［7］HE D H，MANORY R.A novel electrical contact material with improved self－lubrication for railway current collectors［J］.Wear，2001，249（7）：626－636.