(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復合材料載流摩擦磨損行為

林煥然，國秀花,b,c，宋克興,b,c，蘇娟華,b,c，李韶林,b,c，馮江

摩擦磨損與潤滑

(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復合材料載流摩擦磨損行為

林煥然a，國秀花a,b,c，宋克興a,b,c，蘇娟華a,b,c，李韶林a,b,c，馮江a

（河南科技大學 a.材料科學與工程學院 b.河南省有色金屬材料科學與加工技術(shù)重點實驗室 c.有色金屬新材料與先進加工技術(shù)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 洛陽 471023）

研究相同載流條件下納米Al2O3顆粒、微米WC顆粒和SiC晶須對(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復合材料表面摩擦磨損性能的影響。采用粉末冶金法和內(nèi)氧化法相結(jié)合的方式，制備了(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復合材料，并利用HST-100高速載流摩擦試驗機進行載流摩擦磨損性能測試。采用透射電鏡和掃描電鏡觀察復合材料的顯微組織和載流摩擦磨損表面形貌。研究不同的增強相對(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復合材料磨損性能的影響，分析其磨損機理。采用AUTOGRAPH AG-I 250 kN拉伸設備對試樣進行拉伸，并分析抗拉強度與磨損性能的變化關(guān)系。(1WC+2SiCw)/Cu-Al2O3復合材料的硬度和極限抗拉強度相較于Cu-Al2O3復合材料分別提高了20.2%和12.7%。(1WC+2SiCw)/Cu-Al2O3復合材料的摩擦系數(shù)最小，為0.33，相對Cu-Al2O3復合材料降低了42.1%。(1WC+2SiCw)/Cu-Al2O3復合材料表面磨損形貌最為光滑，無大面積電弧燒蝕現(xiàn)象，犁溝數(shù)量少且淺。(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復合材料的磨損機理主要是粘著磨損、磨粒磨損和電弧燒蝕；納米級Al2O3顆粒、微米級WC顆粒和SiC晶須三者協(xié)同強化銅基體，提高了復合材料的強度和硬度，從而降低了銅基復合材料的摩擦系數(shù)和磨損率。WC顆粒和SiC晶須采用合適質(zhì)量配比時，可以有效地改善Cu-Al2O3復合材料的磨損情況。

Cu-Al2O3復合材料；摩擦磨損；納米Al2O3顆粒；微米WC顆粒；SiC晶須；協(xié)同強化

Cu-Al2O3復合材料因其優(yōu)異的導電性、導熱性和耐電弧侵蝕性，廣泛用于制備摩擦副材料、導電彈性材料和集成電路引線框架等材料[1-2]。然而隨著軌道交通、電子電器和航空航天等領(lǐng)域的快速發(fā)展，單一顆粒增強銅基復合材料逐漸無法滿足日益苛刻的服役條件[3-4]。載流摩擦副的服役條件逐漸向高速、重載、高溫等苛刻方向發(fā)展，要求復合材料具有更高的力學性能和更好的耐磨性[5-6]。在盡量保持銅基復合材料導電率的前提下，研究出能夠耐電弧燒蝕、耐摩擦磨損的高強度復合材料，是減少或避免設備使用過程中材料失效的關(guān)鍵[7]。

眾所周知，復合材料性能的好壞與增強相的選擇有極大的關(guān)系。Guo等[8]研究表明，Al2O3/Cu復合材料的磨損率明顯低于SiC/Cu和SiO2/Cu復合材料。WC顆粒的高熔點、高硬度和承載能力可以使其更好地承受磨損，減小Cu-WC復合材料載流摩擦磨損過程中的體積損失，廣泛應用于制備苛刻條件下的抗磨損材料[9-10]。SiC晶須具有高硬度、高強度和良好的穩(wěn)定性，可以與銅基體構(gòu)成高硬度、高耐磨性和耐高溫的銅基復合材料[11-13]。這些增強相均可以有效提高銅基體的耐磨性，但耐磨性在很大程度上還會受到材料機械性能的影響，而單一增強相強化銅基復合材料仍然存在強度與耐磨性無法同時提升的問題[14]。

Feng等[15]發(fā)現(xiàn)TiB2/Cu-Cr復合材料比TiB2/Cu復合材料具有更優(yōu)異的耐磨性，這主要得益于雙尺度顆粒的協(xié)同作用。Mittal等[16]發(fā)現(xiàn)，利用石墨烯的潤滑作用和Al2O3顆粒的高硬度可以降低銅基體的摩擦系數(shù)和磨損量，但隨著石墨含量增加，復合材料的硬度明顯降低。Zou等[17]制備了雙尺度顆粒增強Cu-Zr- ZrB2復合材料，微米級的ZrB2顆粒有助于提高耐磨性，而納米級的Cu5Zr沉淀顆粒通過強化銅基體提高復合材料的強度。Pan等[18]研究表明，納米Al2O3顆粒通過彌散強化提高了銅基體的耐磨性，而CNTs作為固體潤滑劑提高了復合材料的減摩性，Cu-1.5CNTs- 0.5Al2O3復合材料相較于Cu-1.5CNTs復合材料，具有更好的機械和摩擦學性能。Jamwal等[19]制備了不同含量SiC-石墨（石墨的質(zhì)量分數(shù)為0%、2.5%、5%、7.5%、10%）混雜增強的銅基復合材料，當增強相的含量為5%時，復合材料的磨損率最小，但復合材料的硬度隨著石墨含量的增加而降低。Zhang等[20]發(fā)現(xiàn)，Cu/Ni/NbSe2復合材料的減摩性和耐磨性明顯優(yōu)于Cu/NbSe2復合材料，Ni/NbSe2增強相為15%時，復合材料具有最低的摩擦系數(shù)和磨損率。

綜上，將兩種增強相同時引入銅基體，可以進一步提高銅基復合材料的強度和耐磨性。然而對于混雜增強銅基復合材料的研究多集中于兩種增強相協(xié)同強化銅基復合材料，關(guān)于多元多尺度顆粒/晶須混雜增強銅基復合材料力學性能和載流摩擦磨損性能的研究鮮有報道。本文采用內(nèi)氧化法和粉末冶金法相結(jié)合的方式，制備了納米Al2O3顆粒、微米WC顆粒和微米SiC晶須混雜增強銅基復合材料。實驗以鉻青銅為摩擦副，在銷-盤式摩擦磨損試驗機上進行了載流摩擦磨損特性研究。分析了摩擦系數(shù)、磨損率、載流效率和載流穩(wěn)定性，觀察了銷試樣摩擦表面的磨損形貌，探討了載流條件下材料的磨損機理，以期為新型銅基復合材料的研發(fā)提供一定理論依據(jù)。

1 實驗

1.1 材料制備和性能檢測

實驗原材料包括：Cu-0.2%Al合金粉（平均粒徑為40 μm）、Cu2O粉（平均粒徑為1 μm）、WC顆粒（平均粒徑10 μm）和SiC晶須（直徑0.5 μm，長度5～10 μm）。外加WC+SiCw的總體積分數(shù)為4.7%。

首先，將Cu-0.2%Al合金粉、Cu2O粉、WC顆粒以及SiC晶須按比例混合，并放置在QQM/B輕型球磨機上混粉16 h，球料比為5∶1；然后，將混合粉末放置在LDJ200/600-300型冷等靜壓機內(nèi)壓制成形，壓力為210 MPa，保壓10 min；再將壓制成形的坯料置于氬氣保護的管式爐內(nèi)于950 ℃保溫3 h，進行內(nèi)氧化燒結(jié)（Cu2O粉用以提供內(nèi)氧化所需氧源，為保證內(nèi)氧化過程充分進行，所需Cu2O與實際添加的Cu2O質(zhì)量比為1∶1.1，具體內(nèi)氧化過程詳見課題組前期研究[21]）；之后，將燒結(jié)后的試樣放入ZT-200-22Y型真空燒結(jié)爐內(nèi)，通入氫氬混合氣進行還原，升溫至900 ℃保溫2 h；最后，為提高銅基復合材料的致密度，將燒結(jié)后的試樣放入YA32-315A四柱液壓機進行熱擠壓，擠壓比為10∶1，制得尺寸為15 mm的棒材。為更好地對比不同增強相對銅基復合材料載流摩擦磨損性能的影響，在同等條件下制備了相同Al2O3含量、不同(WC+SiCw)質(zhì)量配比的(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復合材料和Cu-Al2O3復合材料。

將不同成分的試樣進行打磨、拋光后，采用JSM-IT100掃描電鏡進行顯微組織觀察；采用320HBS-3000型數(shù)顯式布氏硬度計測量其硬度；采用Sigma 2008B1數(shù)字電導率儀測試導電率；采用JEM- 2100透射電鏡觀察分析復合材料的顯微組織；采用AUTOGRAPH AG-I 250 kN拉伸設備對試樣進行拉伸，拉伸應變速率為0.5 mm/min。

1.2 摩擦磨損性能測試

實驗在HST-100載流高速摩擦磨損試驗機上進行，摩擦盤的材料為QCr0.5，尺寸為180 mm× 15 mm，銷試樣尺寸為10 mm×25 mm，設備示意圖如圖1所示。試驗載荷50 N，電流25 A，轉(zhuǎn)速10 m/s，磨損時間20 s，保持實驗參數(shù)不變，對不同質(zhì)量配比的(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復合材料進行載流摩擦磨損實驗。載流條件下材料的摩擦磨損性能用摩擦系數(shù)和磨損率表征[22]，實驗中采用質(zhì)量磨損率。為了對不同材料的磨損性能進行對比，采用平均摩擦系數(shù)和平均載流效率分別表征摩擦系數(shù)和載流效率平均值。平均摩擦系數(shù)和平均載流效率計算公式如下[23]：

式（1）（2）中：μi為動態(tài)摩擦系數(shù)；Ni為動態(tài)摩擦扭矩（N·m）；Fi為動態(tài)載荷壓力（N）；L為銷試樣之間的距離（m）；n為測量值總數(shù)。式（3）（4）中：ηi為動態(tài)載流效率（%）；Ii為動態(tài)電流（A）；Io為額定電流（A）。

2 試驗結(jié)果

2.1 微觀結(jié)構(gòu)及物理性能

圖2為納米Al2O3顆粒在銅基體中彌散分布的透射顯微組織形貌。從圖2a可以看出，內(nèi)氧化過程中生成了納米級Al2O3顆粒，且生成的納米Al2O3顆粒在銅基體上彌散分布。圖2b為圖2a中黃色框線區(qū)域的高分辨透射圖像，圖2b1是對圖2b黃線區(qū)域進行傅里葉逆變換得到的圖片。由圖2b1可以發(fā)現(xiàn)，納米Al2O3顆粒與銅基體界面處無雜質(zhì)產(chǎn)生，不存在物理間隙，二者界面結(jié)合良好。

圖2 (WC+SiCw)/Cu-Al2O3復合材料的TEM形貌

圖3a為SiCw/Cu-Al2O3復合材料的縱截面掃描組織形貌，沿著擠壓方向排列的SiC晶須較為均勻地分布在銅基體上，但仍存在小面積團聚現(xiàn)象。這是由于晶須的長徑比對晶須的分散效果有一定的影響，晶須的含量較高時，不易分散，導致銅基體中的SiC晶須產(chǎn)生局部團聚現(xiàn)象[24]。圖3b為(2WC+1SiCw)/Cu-Al2O3復合材料的縱截面掃描組織形貌，隨著WC比例增多，SiC晶須團聚現(xiàn)象減少，顯微組織無明顯氣孔缺陷，顯微組織更加均勻致密。

表1為純銅及其復合材料的物理性能，對比純Cu、Cu-Al2O3復合材料和SiCw/Cu-Al2O3復合材料可以發(fā)現(xiàn)，隨著增強相含量的增加，銅基復合材料的相對密度和導電率明顯降低，但是硬度和極限抗拉強度顯著提高。對比SiCw/Cu-Al2O3復合材料以及其他配比的(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復合材料的相對密度和導電率可以發(fā)現(xiàn)，WC顆粒的加入使(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復合材料的相對密度相較于SiCw/Cu-Al2O3復合材料有所提高，導電率也明顯上升。隨著(WC+SiCw)/ Cu-Al2O3復合材料中WC顆粒比例的增加，復合材料的硬度和極限拉伸強度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。當WC顆粒和SiCw的質(zhì)量配比為1∶2時，(1WC+ 2SiCw)/Cu-Al2O3復合材料具有最高的硬度和極限抗拉強度，與其他復合材料相比，其相對密度和導電率也沒有明顯降低。

圖3 (WC+SiCw)/Cu-Al2O3復合材料的縱截面SEM形貌

表1 銅基復合材料的物理性能

Tab.1 Physical properties of copper matrix composites

2.2 摩擦磨損特性

2.2.1 摩擦系數(shù)和磨損率

在電流為25 A、滑動速度為10 m/s和載荷為50 N的條件下，不同WC顆粒和SiCw質(zhì)量配比對銅基復合材料摩擦系數(shù)和磨損率的影響如圖4所示。隨著時間的變化，Cu-Al2O3復合材料與(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復合材料摩擦系數(shù)的變化曲線如圖4a所示。圖4a中，Cu-Al2O3復合材料摩擦系數(shù)的波動較大，隨著微米WC顆粒和SiC晶須的加入，(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復合材料摩擦系數(shù)的波動變小，說明向Cu-Al2O3復合材料中引入WC顆粒和SiC晶須有利于提高復合材料載流摩擦磨損的穩(wěn)定性。由圖4b可知，摩擦系數(shù)和磨損率呈現(xiàn)相同的變化趨勢，二者均呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢。與Cu-Al2O3復合材料相比，(WC+SiCw)/ Cu-Al2O3復合材料的摩擦系數(shù)和磨損率均明顯降低，且WC與SiCw的質(zhì)量配比為1∶2時，銅基復合材料的摩擦系數(shù)和磨損率最小。(1WC+2SiCw)/Cu-Al2O3復合材料的摩擦系數(shù)為0.33，相較于Cu-Al2O3復合材料降低了42.1%。微凸體之間空隙的電弧燒蝕機理或摩擦面的微凸體運動干涉機制均表明，摩擦系數(shù)越大，接觸材料的磨損消耗越大[9]。結(jié)合表1可以發(fā)現(xiàn)，硬度和抗拉強度增加時，摩擦系數(shù)和磨損率降低，變化趨勢呈負相關(guān)。

圖4 (WC+SiCw)/Cu-Al2O3復合材料的摩擦系數(shù)和磨損率

2.2.2 載流效率和載流穩(wěn)定性

圖5顯示了在25 A電流、10 m/s滑動速度和50 N載荷的條件下，Cu-Al2O3復合材料和不同質(zhì)量配比的(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復合材料的載流效率和載流穩(wěn)定性。Cu-Al2O3復合材料的載流效率和載流穩(wěn)定性分別為88.2%和80.0%，(1WC+2SiCw)/Cu-Al2O3復合材料的載流效率和載流穩(wěn)定性分別為83.9%和83.4%。與Cu-Al2O3復合材料相比，(1WC+2SiCw)/Cu-Al2O3復合材料的載流效率降低了4.9%，而載流穩(wěn)定性提高了4.3%。載流效率和復合材料的導電率有關(guān)，WC顆粒和SiC晶須的加入使(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復合材料的導電率降低，導致復合材料載流效率降低。但WC顆粒和SiC晶須加入使(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復合材料的載流穩(wěn)定性明顯提高。(2WC+1SiCw)/Cu-Al2O3復合材料的載流效率和載流穩(wěn)定性相較于Cu-Al2O3復合材料均有所降低，表明WC顆粒和SiC晶須的含量變化對復合材料的載流效率和載流穩(wěn)定性有一定的影響。

圖5 (WC+SiCw)/Cu-Al2O3復合材料的載流效率和載流穩(wěn)定性

2.3 表面形貌

圖6為銅基復合材料磨損表面微觀形貌，可以看出，Cu-Al2O3復合材料和不同質(zhì)量配比的(WC+SiCw)/ Cu-Al2O3復合材料均出現(xiàn)了不同程度的粘著和撕裂現(xiàn)象。圖6a為Cu-Al2O3復合材料的表面磨損形貌，磨損表面有明顯的犁溝、粘著撕裂和大塊熔融液滴，磨損形式主要是磨粒磨損、粘著磨損和電弧燒蝕。在滑動磨損過程中，銷試樣和摩擦盤之間產(chǎn)生電弧，導致磨損表面產(chǎn)生燒蝕坑和熔融液滴。圖6b為(1WC+ 1SiCw)/Cu-Al2O3復合材料表面的磨損形貌，相較于Cu-Al2O3復合材料，其磨損表面犁溝數(shù)量減少，撕裂和粘著現(xiàn)象加重，存在少量熔融液滴。由圖6c可知，(1WC+2SiCw)/Cu-Al2O3復合材料磨損表面相對平滑，犁溝數(shù)量減少，深度變淺，表面銅基體被磨損以后可以觀察到裸露的WC顆粒和SiC晶須端部孔洞。圖6d為(2WC+1SiCw)/Cu-Al2O3復合材料的表面磨損形貌，磨損表面粘著痕跡較多，局部可以看到粘著塊和剝落坑，電弧燒蝕現(xiàn)象減輕，磨損機理主要是粘著磨損。此外，磨損表面還可以看到一條寬為8 μm左右的犁溝，這可能是平均粒徑10 μm的WC顆粒在磨損過程中形成的磨粒磨損形貌，或者熔融液態(tài)金屬銅在試樣表面形成的液滴沿摩擦副運動方向發(fā)生瞬時冷焊，剝落后形成磨粒，造成磨粒磨損。

圖7為(1WC+2SiCw)/Cu-Al2O3復合材料的顯微組織形貌和EDS元素分布。從顯微組織形貌中可以觀察到，WC顆粒嵌入銅基體中，表面犁溝較少且淺。面掃描能譜圖以及各元素分布圖表明，磨損表面存在Cu、C、O、W、Si、Al幾種元素，結(jié)合試樣制備過程，可以確定磨損表面分布著WC顆粒、SiCw和Al2O3顆粒。載流摩擦磨損過程中，銷試樣摩擦表面的增強相顆?；蚓ы殨冻霾糠謪^(qū)域，在摩擦過程中與摩擦盤直接接觸，起到支撐銅基體的作用。

圖6 銅基復合材料載流摩擦磨損表面形貌

圖7 (2WC+1SiCw)/Cu-Al2O3復合材料的EDS元素分布

3 討論

載流摩擦磨損過程中，摩擦副材料受到摩擦接觸系統(tǒng)和電接觸系統(tǒng)的共同作用，因此影響摩擦磨損特性的因素較多，載荷、滑動速度、摩擦材料的顯微組織和力學性能均對材料的磨損性能有影響[25]。本文在保持載荷和滑動速度一定的條件下，研究了顯微組織和力學性能對銅基復合材料載流摩擦磨損性能的影響。

3.1 顯微組織對磨損性能的影響

圖8為銅基復合材料的EBSD圖，從圖8可以看出，Cu-Al2O3復合材料的平均晶粒尺寸為1.63 μm，SiCw/Cu-Al2O3復合材料的平均晶粒尺寸為1.43 μm，(1WC+2SiCw)/Cu-Al2O3復合材料的平均晶粒尺寸為1.35 μm。可以發(fā)現(xiàn)WC顆粒和SiCw的加入進一步細化了銅基復合材料的晶粒。研究表明[26]，摩擦磨損過程中形成的微裂紋主要沿晶界擴展，晶粒尺寸越小，則晶界體積越大，可阻礙裂紋擴展，外在表現(xiàn)形式為磨損率降低，耐磨性能提高。

圖8 銅基復合材料的EBSD(IPF)圖及對應晶粒尺寸分布

3.2 相對密度和導電率對磨損性能的影響

通常認為，增強相的加入會降低銅基復合材料的燒結(jié)能力，導致復合材料的相對密度有所降低[27]。銅基復合材料中，導電性差的第二相含量增加時會使電子散射現(xiàn)象加重，不可避免地導致復合材料的導電率下降。銅基體晶粒細化，晶界變多，晶界處原子分布不規(guī)整，同樣會對電子產(chǎn)生散射作用，降低復合材料的導電率。納米Al2O3顆粒、微米WC顆粒和SiCw可以互相調(diào)節(jié)在銅基體中的空間分布，減少顆粒和晶須的團聚現(xiàn)象，從而減少因團聚產(chǎn)生的電子散射效應，提高銅基復合材料的相對密度和導電率。導電率提高是提高摩擦材料載流效率的重要前提，(WC+ SiCw)/Cu-Al2O3復合材料的導電率相較于Cu-Al2O3復合材料大幅度下降，導致銅基復合材料的載流效率下降。此外，復合材料相對密度的提高有利于降低摩擦系數(shù)。裴露露等[25]研究表明，摩擦表面的微孔和裂紋會導致摩擦系數(shù)增加，孔隙率減少使得相對密度提高，摩擦系數(shù)降低。

3.3 硬度和強度對磨損性能的影響

內(nèi)氧化生成的納米Al2O3顆?？梢葬斣诲e，阻礙晶粒長大，產(chǎn)生細晶強化作用，使Cu-Al2O3復合材料的硬度和強度相較于純Cu明顯提高[28]。WC顆粒和SiC晶須的加入進一步提高了Cu-Al2O3復合材料的強度和硬度，使得復合材料的摩擦系數(shù)和磨損率降低。這是由于WC顆粒和SiC晶須的加入使Cu- Al2O3復合材料的硬度升高、支撐點增多，隨著摩擦表面溫度升高，可以加快表面熱量擴散，使粘著痕跡較輕，摩擦系數(shù)較小[29]，如圖6c所示。銅基體的強度大幅度提高有利于減少銷試樣材料向摩擦盤轉(zhuǎn)移，減少摩擦質(zhì)量損失[30]。向永華等[31]研究表明，提高材料表面硬度及強度可以有效提升材料的耐磨性。在盡量保持銅基體導電率和相對密度的基礎上，(1WC+ 2SiCw)/Cu-Al2O3復合材料的硬度和抗拉強度大幅度提高，進而提高了復合材料的摩擦磨損性能。

3.4 增強相對磨損性能的影響

單一顆粒增強銅基復合材料和多元多尺度顆粒晶須混雜增強銅基復合材料中，增強相的作用不同。Cu-Al2O3復合材料中彌散分布的納米Al2O3顆粒起支撐作用，摩擦磨損過程中，摩擦副表面的部分納米Al2O3顆粒在剪切力的作用下脫落，導致接觸表面產(chǎn)生磨粒磨損，形成較淺的犁溝形貌。載流摩擦磨損過程中，摩擦表面產(chǎn)生大量熱量（主要包括焦耳熱、摩擦熱和電弧熱），摩擦表面起支撐作用的納米Al2O3顆粒尺寸較小，無法避免大面積銅基體與摩擦盤接觸，導致試樣表面溫度急劇升高，局部區(qū)域熔化，產(chǎn)生的液滴凝固后，粘著在摩擦表面。熔化形成的小液滴凝固后也會作為磨粒，在后續(xù)摩擦磨損過程中產(chǎn)生磨粒磨損。

(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復合材料的磨損機理如圖9所示。摩擦磨損過程中，表層和次表層發(fā)生嚴重的塑性變形，在熱和外力的作用下，復合材料的磨損表面由上到下形成破碎層、塑性變形層和基體層[15]。磨損過程中產(chǎn)生的大量熱量使接觸材料的表面溫度迅速升高，導致靠近表面的部分區(qū)域發(fā)生再結(jié)晶，使這些區(qū)域的晶粒變細。整體來講，(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復合材料中裸露在摩擦副表面的硬質(zhì)WC顆粒在摩擦磨損過程中起到支撐作用，可以保護銅基體，減少銅基體與摩擦盤的接觸，減少電弧燒蝕現(xiàn)象，提高載流穩(wěn)定性。內(nèi)氧化產(chǎn)生的納米Al2O3顆粒強化了銅基體，可提高高溫性能，使磨損過程中WC顆粒難以被移動和剝落，提高WC顆粒的支撐作用。而SiCw則對提高銅基復合材料的強度起主要作用，微米WC顆粒和納米Al2O3顆粒的存在可以調(diào)節(jié)SiCw在銅基體中的分布，減少增強相的團聚，使晶須與銅基體的接觸面積增加，更好地發(fā)揮SiCw的強化作用。隨著銅基體硬度和強度的提高，銅基復合材料抵抗塑性變形的能力和抗粘著能力提高，抑制載流摩擦磨損過程中的粘著和嚴重塑性變形，有助于減少復合材料的粘著磨損和磨粒磨損，提高材料的耐磨性。

三種增強相互相調(diào)節(jié)在銅基體中的空間分布狀態(tài)，使顯微組織更加均勻，電弧均勻分散在各個微區(qū)內(nèi)，減少大面積集中燒蝕現(xiàn)象。由于多種顆粒和晶須的存在，摩擦過程中，微米級WC顆粒起到支撐作用，負載從WC顆粒傳遞到Al2O3顆粒和SiC晶須，最后傳遞到銅基體上，可以保護小顆粒和銅基體。同時，在摩擦過程中產(chǎn)生的高溫使得材料表層軟化，硬度降低，導致表面裂紋的產(chǎn)生。(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復合材料中微米級WC顆粒抑制了裂紋的萌生，而納米級Al2O3顆粒和SiC晶須阻礙了裂紋的擴展。三者的協(xié)同作用使(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復合材料的耐磨性得到提高。

圖9 (WC+SiCw)/Cu-Al2O3復合材料載流摩擦磨損機理

4 結(jié)論

1）采用內(nèi)氧化法生成的納米Al2O3顆粒與銅基體有良好的界面結(jié)合，納米Al2O3顆粒的生成明顯細化了晶粒，提高了復合材料的強度和硬度。相較于Cu-Al2O3而言，(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復合材料具有更高的硬度和抗拉強度、更好的抵抗塑性變形和抗粘著能力，摩擦系數(shù)和質(zhì)量損失更小。

2）采用合適的WC與SiCw質(zhì)量配比可以顯著提高銅基復合材料的耐磨性。其中，(1WC+2SiCw)/ Cu-Al2O3復合材料的摩擦系數(shù)和磨損率最小，載流穩(wěn)定性最高。

3）納米Al2O3顆粒、微米WC顆粒和SiCw協(xié)同強化銅基體，提高銅基復合材料的耐磨性。納米Al2O3顆粒強化銅基體，可以更好地固定WC顆粒和SiCw，發(fā)揮WC顆粒的支撐作用和SiCw對抗拉強度的提升作用。

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Current Carrying Friction and Wear Behavior of (WC+SiCw)/Cu-Al2O3Composites

a,a,b,c,a,b,c,a,b,c,a,b,c,a

(a.School of Materials Science and Engineering, b.Key Laboratory of Materials Science & Processing Technology for Non- ferrous Metals of Henan, c.Provincial and Ministerial Co-construction of Collaborative Innovation Center for Non-ferrous Metal New Materials and Advanced Processing Technology, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, China)

The aim of this paper is to study the effect of nano-Al2O3particles, micro-WC particles and SiC whiskers on the surface friction and wear properties of (WC+SiCw)/Cu-Al2O3composite under the same current carrying conditions.The (WC+SiCw)/Cu-Al2O3composites were prepared by powder metallurgy and internal oxidation, and their current carrying friction and wear properties were tested by HST-100 current carrying high speed tester.The microstructure of the composite materials and its surface morphology after current carrying friction and wear test were observed by transmission electron microscope and scanning electron microscope.The effects of different reinforcing phases on the wear property of (WC+SiCw)/ Cu-Al2O3composites were studied and the wear mechanism was analyzed. The samples were drawn using an AUTOGRAPH AG-I 250 kN drawing device and the relation between tensile strength and wear property was analyzed. The results show that the hardness and ultimate tensile strength of (1WC+2SiCw)/Cu-Al2O3composites are 20.2% and 12.7% higher than those of Cu-Al2O3composites.The friction coefficient of (1WC+2SiCw)/Cu-Al2O3composite is the least (0.33), which is 42.1% lower than that of Cu-Al2O3composite.The wear morphology of (1WC+2SiCw)/Cu-Al2O3composite is the smoothest, and there is no large area arc ablation, and the number of grooves is small and superficial.Therefore, the wear mechanism of (WC+SiCw)/ Cu-Al2O3composite is mainly relevant to adhesive wear, abrasive wear and arc ablation; Nano-Al2O3particles, micro-WC particles and SiC whiskers strengthen the copper matrix and improve the strength and hardness of the composite, thus reducing the friction coefficient and wear rate of the copper matrix composite. Besides, the wear of Cu-Al2O3composites can be effectively improved when the mass ratio of WC particles and SiC whiskers is appropriate.

Cu-Al2O3composite material; wear property; nano-Al2O3particles; micro-WC particles; SiC whiskers; synergetic reinforcement

2021-03-13；

2021-06-07

LIN Huan-ran (1995—), Female, Master, Research focus: preparation and properties of novel copper matrix composites for current carrying friction.

國秀花（1981—），女，博士，副教授，主要研究方向為載流摩擦高性能銅基復合材料設計及其磨損機理研究。

Corresponding author：GUO Xiu-hua (1981—), Female, Doctor, Associate professor, Research focus: design and wear mechanism of high- performance copper matrix composites under current-carrying friction conditions.

林煥然, 國秀花, 宋克興, 等. (WC+SiCw)/Cu-Al2O3復合材料載流摩擦磨損行為[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(1): 33-42.

TG146.1；TH117

A

1001-3660(2022)01-0033-10

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.003

2021-03-13；

2021-06-07

國家自然科學基金（51605146, U1502274）；河南省重點研發(fā)與推廣專項（科技攻關(guān)項目）（212102210110）；河南省高等學校青年骨干教師培養(yǎng)計劃項目（2018GGJS045）；中國博士后科學基金（2020T130172, 2020M682288）

Fund：Supported by the National Natural Science Foundation of China (51605146, U1502274), Key R&D and Promotion Projects in Henan Province(Scientific Research Public Relations Project) (212102210110), Henan Plan Project for College Youth Backbone Teacher (2018GGJS045), China Postdoctoral Science Foundation (2020T130172, 2020M682288)

林煥然（1995—），女，碩士研究生，主要研究方向為載流摩擦領(lǐng)域用新型銅基復合材料制備及其性能研究。

LIN Huan-ran, GUO Xiu-hua, SONG Ke-xing, et al. Current carrying friction and wear behavior of (WC+SiCw)/Cu-Al2O3composites[J]. Surface Technology, 2022, 51(1): 33-42.