CVD碳粉含量對銅基粉末冶金離合器材料性能的影響

王秀飛，李丙菊，張翔，易旭，王斌，譚周建

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CVD碳粉含量對銅基粉末冶金離合器材料性能的影響

王秀飛1，李丙菊2，張翔2，易旭2，王斌2，譚周建2

(1. 華南理工大學(xué) 佛山研究院，佛山 528051；2. 中南大學(xué) 粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083)

以化學(xué)氣相沉積(CVD)法制備的C/C復(fù)合材料切削碎屑作為碳粉來源，采用粉末冶金方法制備不同碳粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的銅基粉末冶金摩擦材料，利用掃描電鏡(SEM)和能譜分析儀(EDS)分析材料摩擦表面的微觀結(jié)構(gòu)和成分, 并研究該材料的力學(xué)性能和摩擦磨損性能。研究結(jié)果表明：CVD碳粉?銅基粉末冶金材料的布氏硬度、密度、抗壓強(qiáng)度均隨化學(xué)氣相沉積碳粉含量的增大而減小，開孔隙率隨碳粉含量的增加而增大；CVD碳粉為光滑層熱解炭，CVD碳粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%~2%的CVD碳粉?銅基粉末冶金樣品的主要磨損機(jī)理為磨粒磨損，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%~5%的CVD碳粉?銅基粉末冶金樣品的磨損機(jī)理為磨粒磨損和剝層磨損共同作用。

粉末冶金；銅基摩擦材料；CVD碳粉；切削碎屑

離合器摩擦材料的種類主要有銅基摩擦材料、紙基摩擦材料和炭/炭復(fù)合材料(carbon/carbon composite, C/C)或炭/陶復(fù)合材料。粉末冶金摩擦材料，又稱燒結(jié)金屬摩擦材料，是以金屬及其合金為基體，添加摩擦組元及潤滑組元，以粉末冶金技術(shù)制成的復(fù)合材料，具有摩擦因數(shù)穩(wěn)定、耐磨性好、制動平穩(wěn)、力學(xué)性能優(yōu)良和導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點[1]。銅具有高的熱導(dǎo)性、穩(wěn)定耐磨、耐腐蝕、耐高溫特性，易于壓制成形，故在粉末冶金材料中銅大都以基體形式出現(xiàn)。炭材料是銅基摩擦材料中重要的潤滑組分，其結(jié)構(gòu)和性能影響著銅基摩擦材料的摩擦因數(shù)、摩擦穩(wěn)定性和磨損率。銅基摩擦材料中常用的炭材料有鱗片石墨[2?4]、土狀石墨[5?6]、炭纖維[7?8]、中間相炭微球[9]、碳納米管[10?12]、石墨烯[13]等。中南大學(xué)的嚴(yán)深浪等[14?15]研究了炭纖維含量對濕式摩擦材料的摩擦磨損性能和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)1%的炭纖維材料具有最高的摩擦因數(shù)和最小的磨損率，而材料的配方中包括了短切炭纖維和天然鱗片石墨。譚慧強(qiáng)[16]的研究表明石墨與銅基體的結(jié)合強(qiáng)度較低，影響了材料的硬度和抗壓強(qiáng)度，但高石墨含量使得摩擦副表面容易形成摩擦膜，提高了材料的耐磨性。RAJA等[17?18]將多壁碳納米管加入銅基粉末冶金材料中制備摩擦材料，使復(fù)合摩擦材料的摩擦因數(shù)顯著降低。化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)制備的C/C復(fù)合材料是一種炭纖維為基體的炭基復(fù)合材料，廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器具、機(jī)械制動等領(lǐng)域，具有摩擦因數(shù)穩(wěn)定、高溫性能優(yōu)良、高比強(qiáng)度和高比模量等優(yōu)異的特性。CVD法制備的C/C復(fù)合材料的切削碎屑是機(jī)械加工過程中產(chǎn)生的廢棄物，目前還沒有相應(yīng)的二次利用途徑，考慮到C/C復(fù)合材料性能優(yōu)異以及環(huán)保政策的要求，本研究將化學(xué)氣相沉積法制備的C/C復(fù)合材料的切削碎屑作為研究對象，通過添加不同含量的CVD碳粉制備CVD碳粉?銅基粉末冶金材料，測試其力學(xué)性能和摩擦磨損性能，并探討其摩擦磨損機(jī)理。

1 實驗

1.1 原材料

實驗用的主要原材料包括：電解銅粉：10~35 μm，純度99.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、鐵粉：20~45 μm，純度99.5%、錫粉：20~45 μm，純度99.0%、鉻粉：15~25 μm，純度99.0%、二硫化鉬：≤44 μm、三氧化二鋁：≤124 μm、鱗片石墨：≤420 μm、化學(xué)氣相沉積(CVD)碳粉：≤20 μm，碳純度 99.0%，熱解炭：炭纖維=1:4。銅基粉末冶金摩擦材料的配方設(shè)計如表1所列。

1.2 制備工藝

按照表1中的配方，稱取粉末配置混合粉料，添加少量機(jī)油后，放入V型混料機(jī)VH-1.0(南京飛宇生產(chǎn))中混合8 h，混合均勻后的粉料放入模具中，在四柱液壓機(jī)YHD32-100(江蘇銘格生產(chǎn))上，經(jīng)480 MPa的單位壓制壓力壓成初坯，然后將其置于鐘罩式燒結(jié)爐中燒結(jié)成形，以氮氣作為保護(hù)氣氛，燒結(jié)壓力為2.5 MPa，燒結(jié)溫度為930 ℃，燒結(jié)時間為3 h。具體制備工藝如表2所列。

1.3 性能測試

根據(jù)《燒結(jié)金屬摩擦材料表觀硬度的測定》(GB/T10425—2002 )[19]要求，用布氏硬度計HB3000 -B(萊州德川生產(chǎn))測量摩擦材料的布氏硬度。根據(jù)《燒結(jié)金屬材料(不包括硬質(zhì)合金)可滲透燒結(jié)金屬材料密度、含油率和開孔率的測定》(GB/T5163—2006)[20]測試摩擦材料的密度。根據(jù)《燒結(jié)金屬摩擦材料抗壓強(qiáng)度的測定》(GB/T10424—2002)[21]測試摩擦材料的抗壓強(qiáng)度，樣品尺寸為200 mm×200 mm。用ZEISS EVO?18型掃描電子顯微鏡(德國卡爾蔡司生產(chǎn))分析樣品摩擦表面和亞表面的顯微形貌以及摩擦表面的元素組成。

采用摩擦磨損試驗機(jī)MM-1000Ⅲ型(西安順通生產(chǎn))測試摩擦材料的摩擦磨損性能，摩擦試驗試樣尺寸為25 mm×25 mm×10 mm，結(jié)果取3個試樣測試結(jié)果的平均值。對偶材料為 GrC15鋼，硬度為HRC40~45。試驗過程固定轉(zhuǎn)動慣量為 0.8 kg·m2，制動轉(zhuǎn)速分別為2 000，3 000和 4 000 r/min。每個條件下測試 5 條制動曲線，取其平均值作為材料的摩擦因數(shù)。

表1 實驗配方設(shè)計

表2 制備工藝參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 CVD碳粉?銅基粉末冶金材料的力學(xué)性能

圖1(a)所示為CVD碳粉含量對銅基粉末冶金材料硬度的影響。由圖可知，隨碳粉含量增加，材料樣品的布氏硬度呈下降趨勢?；w相和增強(qiáng)相共同決定了銅基粉末冶金材料的硬度，CVD碳粉與基體結(jié)合較差，在結(jié)合界面間形成許多孔隙，減弱了基體強(qiáng)度，并且CVD碳粉中存在大量的炭纖維碎屑，這些碎屑呈長條狀團(tuán)聚在基體之中，割裂了基體相和增強(qiáng)相之間的連續(xù)性，致使銅基粉末冶金材料的布氏硬度值下降[22?23]。

圖1 CVD碳粉含量對銅基粉末冶金材料硬度(a)和密度(b) 的影響(一次回歸分析)

其中，1%CVD碳粉?銅基粉末冶金材料的硬度最高，為255 HBW；5%CVD碳粉?銅基粉末冶金材料的硬度最低，為199 HBW，隨著CVD碳粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1%增加到5%，材料的布氏硬度降低了21.96%。

圖1(b)為CVD碳粉對銅基粉末冶金材料密度的影響。如圖所示，隨CVD碳粉含量增加，樣品密度出現(xiàn)明顯的下降趨勢。CVD碳粉自身密度較小，當(dāng)銅基粉末冶金材料體積幾乎不變的情況下，CVD碳粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，銅基體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相應(yīng)下降，使得銅基粉末冶金材料的密度隨之下降。其中，1%CVD化碳粉?銅基粉末冶金材料的密度最高，為5.21 g/cm3；5%CVD碳粉?銅基粉末冶金材料的硬度最低，為4.07 g/cm3，隨CVD碳粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1%增加到5%，其密度降低了21.88%。

圖2為CVD碳粉對銅基粉末冶金材料開口孔隙率的影響。如圖所示，隨CVD碳粉含量增加，樣品的開孔隙率逐漸增大。原因主要有三方面：一是銅基粉末冶金材料內(nèi)部的各組元之間存在很多孔隙；二是由于CVD碳粉與基體結(jié)合很差，結(jié)合界面中存在著許多的孔隙；三是CVD碳粉中包含許多炭纖維碎屑，這些長條狀的碎片團(tuán)聚在一起，它們之間也存在許多的孔隙。在三者共同作用下，當(dāng)CVD碳粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大時，產(chǎn)生的孔隙越來越多，因此樣品材料的開孔隙率增大。其中，5%CVD碳粉?銅基粉末冶金材料的開孔隙率最大，為20%；1%CVD碳粉?銅基粉末冶金材料的開口孔隙率最小，為4%，隨著CVD碳粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1%增加到5%，其開口孔隙率增加了4倍。

圖2 CVD碳粉含量對銅基粉末冶金材料開口孔隙率的影響(一次回歸分析)

圖3為CVD碳粉對銅基粉末冶金材料抗壓強(qiáng)度的影響。如圖所示，隨碳粉含量增加，復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度總體上出現(xiàn)下降的趨勢。CVD碳粉與基體結(jié)合較差，在結(jié)合界面間存在許多孔隙，減弱了基體強(qiáng)度，同時CVD碳粉中包含的大量的長條狀的炭纖維碎屑，這些碎片團(tuán)聚在基體之中，割裂了基體相和增強(qiáng)相之間的連續(xù)性，進(jìn)一步減弱了基體強(qiáng)度，從而導(dǎo)致銅基粉末冶金材料的抗壓強(qiáng)度隨CVD碳粉含量增加而降低。其中，1%CVD碳粉?銅基粉末冶金材料的抗壓強(qiáng)度最大，為318.8 MPa；5% CVD碳粉?銅基粉末冶金材料的抗壓強(qiáng)度最低，為255.4 MPa。其抗壓強(qiáng)度降低了19.89%。

圖3 CVD碳粉含量對銅基粉末冶金材料壓縮強(qiáng)度的影響(一次回歸分析)

2.2 CVD碳粉?銅基粉末冶金材料的摩擦磨損性能

圖4為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CVD碳粉?銅基粉末冶金材料摩擦因數(shù)的二次回歸方程擬合曲線。由圖可知，D1到D5所有樣品均出現(xiàn)隨初始制動轉(zhuǎn)速提高，摩擦因數(shù)下降的現(xiàn)象。其主要原因為，從受力角度，在摩擦過程中，隨初始制動轉(zhuǎn)速提高，摩擦剪切力增大，銅基粉末冶金材料的塑性形變也增大，使得真實接觸面積變大，從而降低了摩擦因數(shù)；從能量角度，在摩擦過程中，隨初始制動轉(zhuǎn)速提高，其初始動能增大，摩擦過程實際上是動能轉(zhuǎn)化成熱能的一個過程，當(dāng)初始動能越來越大，轉(zhuǎn)化的熱能也越來越多，宏觀表現(xiàn)為摩擦對偶的溫度升高，溫度的升高進(jìn)一步降低了材料的強(qiáng)度，使硬度降低，所以導(dǎo)致材料摩擦因數(shù)降低。1%CVD碳粉?銅基粉末冶金材料的摩擦因數(shù)下降趨勢最為平緩；同時，對于各個初始制動速度段，5%CVD碳粉?銅基粉末冶金材料的摩擦因數(shù)均為最高。

圖4 D組粉末冶金樣品的摩擦性能(二次回歸分析)

圖5為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CVD碳粉?銅基粉末冶金材料體積磨損率的二次回歸方程擬合曲線圖。由圖可知，由于摩擦熱的急劇增加，交變應(yīng)力的反復(fù)作用以及材料自身強(qiáng)度不足的原因，隨初始制動轉(zhuǎn)速提高，D1到D5樣品均出現(xiàn)體積磨損率上升的趨勢。

對于D1到D5樣品來說，當(dāng)初始制動速度為2 000 r/min時，2%CVD碳粉?銅基粉末冶金材料的體積磨損率明顯低于其他4組，為1.831×10?8cm3/(N·m)；當(dāng)初始制動速度為3 000 r/min時，5% CVD碳粉?銅基粉末冶金材料的體積磨損率最低，為2.902×10?8cm3/ (N·m)，當(dāng)初始制動速度為4 000 r/min時，5%CVD碳粉?銅基粉末冶金材料的體積磨損率最低，為3.560× 10?8cm3/(N·m)；同時，對于各個初始制動速度段，1%CVD碳粉?銅基粉末冶金材料的體積磨損率均為最高。

圖5 CVD碳粉?銅基粉末冶金樣品的磨損性能(二次回歸分析)

2.3 CVD碳粉?銅基粉末冶金材料的摩擦磨損機(jī)理

圖6所示為5%CVD碳粉?銅基粉末冶金樣品的SEM照片及標(biāo)出相的EDS能譜分析。由實驗原材料配比可知，碎屑的CVD炭和炭纖維比例為1:4，碎屑的粒度分布范圍為≤20 μm。如圖所示，5%CVD碳粉粉末冶金樣品中，各組分均勻分布。圖6(b)EDS能譜結(jié)果表明，圖6(a)中所標(biāo)注區(qū)域為CVD碳粉。由圖6(a)可以看出，碳粉呈長條狀分布在基體中，并且與基體的結(jié)合性能較差，可觀察到結(jié)合界面處有大量孔隙。同時，還可以觀察到，圖6(a)中所標(biāo)的CVD碳粉實際是由許多纖維束團(tuán)聚而成，這說明CVD碳粉包含有大量的炭纖維碎屑，并且它們團(tuán)聚分布在銅基粉末冶金材料基體中。

圖6 5%CVD碳粉?銅基粉末冶金樣品顯微結(jié)構(gòu)及EDS分析

圖7 CVD碳粉?銅基粉末冶金樣品摩擦表面SEM照片

(a) Sample D1; (b) Sample D2; (c) Sample D3; (d) Sample D4; (e) Sample D5

圖7所示為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CVD碳粉?銅基粉末冶金材料摩擦表面顯微形貌的SEM照片。如圖所示，樣品D1-D5的摩擦表面均出現(xiàn)了完整的摩擦膜以及明顯的犁溝。比較D1到D5樣品，樣品D3出現(xiàn)了明顯的垂直于犁溝方向的裂紋，這是由于在摩擦過程中，交變應(yīng)力和急劇上升的摩擦熱共同作用使得在孔隙處產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)其超過基體強(qiáng)度時，則發(fā)展為垂直應(yīng)力方向的裂紋，同時裂紋在剪切力的作用下，沿孔隙擴(kuò)展，生成橫向大裂紋。樣品D4出現(xiàn)了鱗片狀表面，這是由于在摩擦開始，動能轉(zhuǎn)化成熱能，摩擦表面溫度升高，隨著摩擦過程的進(jìn)行，摩擦對偶動能減小轉(zhuǎn)速下降，摩擦表面溫度有所下降，由于溫度下降和低速滑動摩擦產(chǎn)生了剪切變形，形成了鱗片狀表面。樣品D5出現(xiàn)了最為明顯的表面犁溝痕跡，增大了真實接觸面積，穩(wěn)定了摩擦因數(shù)。

圖8所示為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CVD碳粉?銅基粉末冶金材料的亞表面SEM照片。由圖可知，D1到D5樣品的亞表面均出現(xiàn)了完整的機(jī)械混合層和塑形紊流層，且隨CVD碳粉含量提高，塑形紊流層的厚度增大。這是因為CVD碳粉與基體之間潤濕性差，在結(jié)合界面產(chǎn)生了大量的孔隙，降低了材料的強(qiáng)度，同時碳粉包含有大量的炭纖維碎屑，它們團(tuán)聚分布在銅基粉末冶金材料基體中，這些團(tuán)聚在一起的炭纖維碎屑之間也存在大量的孔隙，進(jìn)一步降低了材料的強(qiáng)度。隨著材料強(qiáng)度的降低，其抗變形能力減弱，塑形變形可傳遞到材料更深的地方，外在表現(xiàn)為塑形紊流層的厚度隨CVD碳粉含量的增加而增大。同時，也使得微裂紋在組元間擴(kuò)展，導(dǎo)致硬質(zhì)相脫離摩擦界面，形成了第三體摩擦，使得摩擦表面出現(xiàn)了明顯的犁溝。綜上所述，1%~2%的CVD碳粉?銅基復(fù)合材料的主要磨損機(jī)理為磨粒磨損，3%~5%的CVD碳粉?銅基粉末冶金樣品的主要磨損機(jī)理為磨粒磨損和剝層磨損共同作用。

圖8 CVD碳粉?銅基粉末冶金樣品亞表面SEM照片

(a) Sample D1; (b) Sample D2; (c) Sample D3; (d) Sample D4; (e) Sample D5

3 結(jié)論

1) 隨著CVD碳粉含量增大，CVD碳粉?銅基粉末冶金材料的布氏硬度、密度、抗壓強(qiáng)度均減小，而開孔隙率增大。

2) CVD碳粉?銅基粉末冶金材料出現(xiàn)隨初始制動轉(zhuǎn)速提高，摩擦因數(shù)下降，體積磨損率上升的趨勢。

3) 1%~5%的CVD碳粉?銅基粉末冶金材料樣品的摩擦表面均出現(xiàn)了完整的摩擦膜，1%~5%的CVD碳粉?銅基粉末冶金材料的亞表面均出現(xiàn)了完整的機(jī)械混合層和塑形紊流層，且隨CVD碳粉含量增加，塑形紊流層的厚度增大。

4) 1%~2%的CVD碳粉?銅基復(fù)合材料的主要磨損機(jī)理為磨粒磨損，3%~5%的CVD碳粉?銅基粉末冶金樣品的主要磨損機(jī)理為磨粒磨損和剝層磨損共同 作用。

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Effect of CVD carbon content on the properties of copper-based powder metallurgy clutch material

WANG Xiufei1, LI Bingju2, ZHANG Xiang2, YI Xu2, WANG Bin2, TAN Zhoujian2

(1. Foshan Research Institute, South China University of Technology, Foshan 528051, China; 2. State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

The cutting debris of C/C composites prepared by chemical vapor deposition (CVD) was used as the source of carbon powder. Chemical vapor deposition (CVD) carbon powder/copper-based powder metallurgy friction materials with different CVD carbon powder contents were prepared by powder metallurgy method. The microstructure and composition of the friction surface of the materials were analyzed by scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive spectrometer (EDS). The mechanical properties, friction and wear properties were also studied. The results show that the brinell hardness, density and compressive strength of CVD carbon powder/copper-based powder metallurgy materials decrease and the open porosity increases respectively with increasing the content of CVD carbon powder. The CVD carbon powder is smooth layer pyrolytic carbon. The main wear mechanism of 1%?2% CVD carbon powder/ copper-based powder metallurgy materials is abrasive wear, and the main wear mechanism of 3%?5% CVD carbon powder/copper-based powder metallurgy materials samples is mixture of abrasive and delamination wear.

powder metallurgy; copper-based friction material; CVD carbon powder; cutting debris

TF125.9

A

1673-0224(2019)02-129-08

廣東省科技計劃項目(2008B050100003)

2018?10?11；

2018?12?05

譚周建，高級工程師，博士。電話：15292069282；E-mail:tanzhoujian@csu.edu.cn

(編輯 高海燕)