基體銅的粒度對銅基粉末冶金摩擦材料性能的影響

劉建秀， 賈徳晉， 樊江磊， 吳 深， 邵建敏， 張 馳(鄭州輕工業(yè)學(xué)院 機電工程學(xué)院，鄭州 45 0000)

從2009年12月26日中國首條高速鐵路通車至2014年中國高速鐵路營業(yè)里程已達1.6萬公里，穩(wěn)居世界第一[1].高速鐵路的快速發(fā)展，需要我國的列車不斷的提速.然而，速度增加1倍，制動功率就需要增加8倍來滿足要求，但是，國產(chǎn)的摩擦材料摩擦系數(shù)微低，且穩(wěn)定性不佳，難以滿足高速列車的需要，目前主要依賴進口.為了實現(xiàn)高速列車摩擦材料的早日國產(chǎn)化，國內(nèi)針對高速摩擦材料開展了大量研究.粉末冶金材料以其良好的導(dǎo)熱性、穩(wěn)定的摩擦系數(shù)、高耐磨性等優(yōu)點，得到廣泛應(yīng)用[2].銅基粉末冶金摩擦材料以其組織均勻、導(dǎo)熱性好、耐磨性高、摩擦系數(shù)穩(wěn)定等優(yōu)點，大量應(yīng)用于快速列車的制動摩擦材料.目前國內(nèi)銅基粉末冶金摩擦材料的性能還不能滿足250 km/h 以上快速列車的嚴格要求，需要進一步提高摩擦材料的性能.影響銅基粉末冶金摩擦材料性能的因素主要是其成分和工藝.銅基粉末冶金摩擦材料主要是由基體銅、摩擦組元、潤滑組元和稀有金屬[3-5]通過粉末冶金的方法制成的金屬基顆粒復(fù)合材料[6].大多數(shù)人都通過研究摩擦組元[7-12]、潤滑組元[13-16]等成分，以及燒結(jié)溫度[17-20]、壓制壓力[19-22]等燒結(jié)工藝來提高銅基摩擦材料的性能.但是，有關(guān)基體對銅基粉末冶金摩擦材料性能影響的研究還很少.本文主要研究基體銅的粒度對摩擦材料硬度、孔隙率、密度、組織和摩擦性能的影響，為改變國內(nèi)快速列車剎車摩擦材料依賴進口的現(xiàn)狀提供理論基礎(chǔ).

1 實驗

1.1 材料制備

按照表1的比例，在V型混料機中混料8 h，冷壓后熱壓燒結(jié)，經(jīng)保溫及室溫冷卻后，制備出銅粉粒度為270、150、106和75 μm的試樣，依次編號為：Cu50、Cu100、Cu200、Cu300.

表1 銅基粉末冶金摩擦材料成分組成Table 1 Chemical composition of the copper-based powder metallurgy friction material

1.2 性能測試

使用布氏硬度儀測量燒結(jié)試樣的硬度，在試樣上取5個均勻分布的數(shù)據(jù)點，測出硬度取平均值.采用排水法，根據(jù)國標(biāo)GB 5163-1985，計算試樣的密度(ρ)以及孔隙度(θ).采用MM-3 000摩擦磨損試驗臺測試材料的摩擦性能，試樣摩擦面由三個厚13～15 mm 的正方體組成，試驗參數(shù)如表2所示.采用電子掃描儀(SEM)觀察試樣的組織形貌以及磨損表面的形貌.

表2 摩擦磨損試驗參數(shù)Table 2 Test parameters of friction and wear

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織與力學(xué)性能

表3為4種試樣的硬度、密度和孔隙率.由表3可以看出，試樣Cu50、Cu100、Cu300的密度隨著銅粉粒度的減小而逐漸降低，原因在于隨著銅粉粒度的減小，粉末的流動性能變差，導(dǎo)致壓坯密度降低，燒結(jié)密度隨銅粉粒度的減小而減小.隨著銅粉粒度的減小，銅顆粒的總體表面積增大，由于潤濕性的差異，表面的結(jié)合性能降低，孔隙率呈上升的趨勢.試樣硬度值的變化規(guī)律同燒結(jié)密度的變化保持一致，隨著燒結(jié)密度的增加，硬度值呈上升趨勢.但是，試樣Cu200的燒結(jié)密度為5.23 g/cm3、硬度為22.0 HBW，都高于試樣Cu50的燒結(jié)密度4.99 g/cm3、硬度18.5 HBW，孔隙率為12.54%低于試樣Cu50的孔隙率16.55%，其原因在于Cu50和Cu100試樣的基體顆粒較大，材料其他成分的顆粒很多在150 μm以上，接觸顆粒之間形成較大的空隙，成型燒結(jié)過程中，彼此進入對方空隙的效果差.Cu200試樣的基體粒度則較小，由于顆粒尺寸間的差異，在成型燒結(jié)的過程中，相互填補彼此空隙的效果好.Cu300試樣的基體顆粒雖小，但其流動性差，并不能達到填補彼此空隙的良好效果.所以試樣Cu200中基體銅顆粒和其他組元顆粒之間形成了最佳配比，增加各組元之間的接觸面積，使壓坯密度升高，孔隙率降低，提高燒結(jié)密度和硬度.

表3 各試樣的物理和力學(xué)性能Table 3 Physical and mechanical properties of the samples

圖1為4種試樣的組織形貌.其中大片淺灰色為金屬基體銅，鑲嵌在基體銅中的深灰色為金屬Fe，棱角分明的暗灰色為金屬Cr-Fe，黑色條狀成分為石墨，F(xiàn)e粉上分布的黑色點狀物質(zhì)為空隙.由圖1可以看出,隨著銅粉粒度減小，基體銅分布的均勻性越高，且連續(xù)性越好，這是由于粒度越小，銅顆粒之間的界面越容易結(jié)合.但是，F(xiàn)e和Cr-Fe與基體銅的界面結(jié)合性先升高后降低，孔隙率呈先降低后升高的趨勢，這是因為隨著基體銅粒度的減小,Fe和Cr-Fe的擴散性能提高，在試樣中分布越均勻，相互接觸面積增大，結(jié)合性能增強，同時由于潤濕性的差異，孔隙率增加.然而Cu200的孔隙率卻最低，原因是銅顆粒和其他組元顆粒之間相互填補，增大了不同組元之間的結(jié)合面積，提高了整體的結(jié)合性能.摩擦?xí)r材料剝落大多都是從石墨層開始的，隨著基體銅粒度的減小，鱗片狀石墨逐漸由雜亂分布狀態(tài)變?yōu)閷訝罘植紶顟B(tài)，且試樣Cu200的石墨垂直于壓制方向呈層狀分布，可以從表面變形層擠出，均勻分布在摩擦表面，從而降低磨損.

圖1 試樣燒結(jié)后的微觀形貌Fig.1 Microstructures of the sintered sample with different copper particle size(a)—Cu50; (b)—Cu100; (c)—Cu200; (d)—Cu300.

2.2 摩擦磨損性能

圖2為4種試樣在初速度為 3 000、 4 000、 5 000、 6 000 和 7 000 r/min 下的平均摩擦系數(shù)變化曲線，可以觀察到隨著轉(zhuǎn)速的增加，4種試樣的平均摩擦系數(shù)大體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.隨著粒度的增大，直接作用于摩擦面的顆粒越大，摩擦系數(shù)越大.隨著轉(zhuǎn)速的增大，在摩擦力和摩擦熱的作用下，由于潤濕性、孔隙的存在，材料中有顆粒脫落，鑲嵌在表面的摩擦膜中，起磨粒的作用，在3 000～6 000 r/min 的初速度下，4種試樣的摩擦系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速增大而增大，其中Cu50、Cu100、Cu300三種試樣的摩擦系數(shù)增幅較大，最高可達0.03，Cu200樣品組織分布均勻，各組元結(jié)合性好，顆粒脫落較少，摩擦系數(shù)的變化比較穩(wěn)定，僅為±0.1.轉(zhuǎn)速在6 000～7 000 r/min的條件下，由于摩擦面溫度不斷升高，促使摩擦面產(chǎn)生一系列的塑性變形和氧化現(xiàn)象，形成一層氧化膜.氧化膜有效減少了摩擦材料與對偶的直接接觸，所以4種試樣的摩擦系數(shù)都有所減小.氧化膜的穩(wěn)定直接影響摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性，隨著基體粒度的減小，在摩擦力作用下顆粒的脫落程度降低，摩擦面破壞程度降低，摩擦系數(shù)更穩(wěn)定.所以Cu50、Cu100、Cu300試樣隨著粒度的減小，摩擦系數(shù)的變化幅度呈減小趨勢，Cu200試樣的摩擦系數(shù)幾乎不變，是因為Cu200的基體粒度小，同其他組元相互顆粒間容隙度小，分布更加均勻，起到夾持作用，減少顆粒脫落，使摩擦面更穩(wěn)定.

圖2 試樣在不同初速度下的摩擦系數(shù)變化曲線Fig.2 Friction coefficient curves with different rotation speeds

圖3 為4種試樣在初速度為3 000、 4 000、 5 000、 6 000和7 000 r/min下的磨損率變化曲線，以試樣每10次制動的面磨損量(mg)作為磨損率參數(shù).由圖3可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的升高，磨損率呈增大的趨勢.試樣Cu50、Cu100、Cu300隨著基體Cu粒度的減小，磨損呈降低的趨勢，Cu200的磨損率最小，且磨損率波動最小.在5 000 r/min初速度時，最大相差15 mg，但在7 000 r/min初速度條件下最大相差卻達到50 mg.

圖3 試樣在不同初速度下的磨損率變化曲線Fig.3 Wear loss curves with different rotation speeds

圖4 為4種試樣摩擦(初速度為7 000 r/min)后的表面形貌.由圖可觀察出，Cu50試樣的摩擦表面有大面積的脫落，摩擦膜被嚴重破壞，且脫落處有石墨粒聚集.Cu100試樣呈現(xiàn)斑狀脫落，僅有小片區(qū)域出現(xiàn)脫落，同時表面部分區(qū)域被磨屑覆蓋.Cu200的摩擦表面比較平整幾乎沒有表面脫落現(xiàn)象，且分布著均勻的第三體，有效減小材料的磨損.Cu300的摩擦表面只有微量的脫落，第三體的分布狀態(tài)介于Cu200和Cu100之間.4種試樣隨著粒度的減小，一方面，石墨分布狀態(tài)由雜亂無章逐漸變?yōu)閷訝罘植紶顟B(tài)，良好的嵌入材料中，可以通過表面變形層擠出，均勻的分布在摩擦面，起到良好的潤滑作用.另一方面，孔隙率逐漸減少，在摩擦的過程中，增強相與基體的結(jié)合性逐漸增強，從而減少了材料的脫落.在摩擦作用下，材料會產(chǎn)生磨屑，隨著磨屑的不斷增加，在摩擦力、壓力和溫度的共同作用下，這些磨屑顆粒會發(fā)生塑性變形，形成薄膜.由于氧化作用形成一層致密的氧化膜，氧化膜在摩擦過程中，一方面把材料和對偶阻隔開，減少直接接觸，從而降低黏著磨損的可能；另一方面，高硬度的氧化膜阻礙遺留在摩擦副之間的磨粒直接作用在材料摩擦面上，降低磨粒對摩擦表面產(chǎn)生犁溝效應(yīng).

通過觀察摩擦表面脫落膜的厚度并進行Fe元素掃描分析，發(fā)現(xiàn)Fe、O元素含量較高，由此得出為氧化膜.在高速的摩擦作用下，磨屑增加，受摩擦力和載荷作用的影響，在摩擦面參與氧化膜的形成.當(dāng)氧化層的厚度增加到一定程度，在摩擦過程中，壓力和沖擊同時作用在脆硬的氧化膜上，氧化膜會產(chǎn)生裂紋，進而不斷地延伸和擴展，再由裂紋的相互連接，最后導(dǎo)致表面薄膜的脫落.如圖4(a)所示，從氧化膜脫落的磨粒最終在摩擦表面參與摩擦，在壓力和摩擦力的作用下，磨粒被壓入氧化膜，導(dǎo)致材料表面進一步產(chǎn)生裂紋，引起材料表面脫落，循環(huán)往復(fù)，材料的磨損逐漸增大.如圖4(c)和(d)所示，只有較小的脫落，在摩擦過程中，形成的磨屑較少，對表面的氧化膜破壞較小，所以摩擦表面的氧化膜比較穩(wěn)定，不僅有效地降低了材料的磨損，同時氧化膜的脫落程度也很低，從而減少了氧化膜產(chǎn)生的磨粒對摩擦表面的進一步磨損.

圖4 試樣摩擦后的微觀形貌Fig.4 Friction surface micrographs of the samples(a)—Cu50; (b)—Cu100; (c)—Cu200; (d)—Cu300

3 結(jié) 論

(1)采用不同粒度的氣霧化銅粉作為基體，通過熱壓燒結(jié)制成銅基粉末冶金摩擦材料試樣，研究表明隨著銅粉粒度的減小，試樣基體的連續(xù)性越來越均勻，試樣的硬度大體呈降低的趨勢，但試樣Cu200的硬度最高，為22.0 HBW，提高了材料的耐磨損性能.

(2)隨著銅粉粒度的減小，密度呈減小的趨勢，試樣Cu200的密度最大，為5.23 g/cm3；孔隙率和密度相反，呈增大的趨勢，但Cu200的孔隙率最小，為12.54/%，減少材料的脫落，提高材料的抗摩擦磨損性能.

(3)在7 000 r/min的初速度下進行摩擦磨損試驗，隨著粒度的減小，摩擦系數(shù)整體呈降低的趨勢，Cu200摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性最高，磨損率呈降低的趨勢，且Cu200的磨損率最低.Cu基體的粒度為106 μm，銅基粉末冶金摩擦材料具有最佳綜合性能，材料的硬度為22.0 HBW，密度為5.23 g/cm3，孔隙率為12.54/%，摩擦系數(shù)為0.348，磨損率為47 mg.

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