石墨相形態(tài)對(duì)銅/石墨復(fù)合材料摩擦學(xué)性能和可靠性的影響

張孝禹, 樊恒中, 黃曉鵬*, 胡天昌, 宋俊杰*, 張永勝, 胡麗天

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070;2.中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730000)

銅/石墨復(fù)合材料由于具有高承載、耐磨損、抗沖擊、高導(dǎo)熱和低摩擦系數(shù)等優(yōu)異性能，作為滑動(dòng)軸套、軸承保持架和動(dòng)密封件等廣泛應(yīng)用于航空航天和化工冶金等領(lǐng)域中.現(xiàn)用銅/石墨復(fù)合材料多為均相材料，即采用球磨混合-粉末冶金的方法制備石墨相在三維空間中呈均勻分布狀態(tài)的復(fù)相材料[1-3].然而，石墨相與銅合金間的浸潤(rùn)性差，其界面結(jié)合為弱界面結(jié)合，使得裂紋易于界面處萌生并擴(kuò)展.同時(shí)復(fù)合材料中均勻分布的石墨粉體會(huì)嚴(yán)重破壞銅基體的連續(xù)性，不僅使得材料耐磨性能降低，還致使其抗裂紋破壞能力和應(yīng)用可靠性大幅下降.尤其是作為動(dòng)密封材料，其在高轉(zhuǎn)速下與表面沉積有陶瓷涂層(如Al2O3陶瓷涂層)的轉(zhuǎn)軸相對(duì)摩擦?xí)r，更易出現(xiàn)嚴(yán)重磨損和急劇破損分解的現(xiàn)象，極大限制其實(shí)際應(yīng)用[4-6].

基于宏/微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以提高承載基體的連續(xù)性可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料摩擦學(xué)性能和力學(xué)性能的兼顧[7-9]，通過(guò)采用不同形狀和粒徑的石墨相與銅復(fù)合可以制備具有不同三維連續(xù)程度的銅/石墨復(fù)合材料.陳如詩(shī)等[10]以電解銅粉、鱗片狀石墨(19 μm)和不同粒徑的近球形石墨粉(4～19 μm)為原料制備了具有不同宏/微觀結(jié)構(gòu)的銅/石墨復(fù)合材料.研究表明，對(duì)比鱗片狀石墨，采用相同粒徑的近球形石墨可以獲得更為優(yōu)異的力學(xué)性能和耐磨損性能.姜小芳等[11]通過(guò)振動(dòng)滾球造粒法和粉末冶金法制備了石墨相呈球形顆粒的銅/石墨(石墨相體積分?jǐn)?shù)為10%)復(fù)合材料.研究表明，以團(tuán)聚形態(tài)呈現(xiàn)的石墨相可顯著改善銅合金基體在三維空間中的連續(xù)性，進(jìn)而有效利用金屬的高承載和強(qiáng)韌性實(shí)現(xiàn)銅/石墨復(fù)合材料可靠性的大幅提升.同時(shí)，材料在干摩擦條件下與軸承鋼相對(duì)摩擦?xí)r的摩擦系數(shù)和磨損率可低至0.17和1.5×10-6mm3/(N·m).但是，石墨相形態(tài)對(duì)銅/石墨復(fù)合材料摩擦學(xué)性能和抵抗外載破壞能力的影響機(jī)制尚不明確[12-15]，尤其缺乏關(guān)于以陶瓷為摩擦配副材料的摩擦磨損性能研究和機(jī)理分析.因此，本研究中將以石墨粉體、鱗片狀石墨和近球形顆粒石墨等具有不同粒度和形狀的石墨為固體潤(rùn)滑相，制備具有不同三維連續(xù)程度金屬基體的銅/石墨復(fù)合材料，探討材料與Al2O3陶瓷配副摩擦過(guò)程中石墨相形態(tài)對(duì)材料減摩抗磨機(jī)制的影響，并分析材料在外載作用下的可靠性.

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料制備

選用663牌號(hào)銅粉(粒徑約10 μm，北京金源新材料科技有限公司)、膠體石墨粉(粒徑約5 μm，上海膠體試劑廠)、鱗片狀石墨(粒徑454～636 μm，深圳瀚輝石墨有限公司)和近球形顆粒石墨(粒徑200～300 μm，致密度92.5%，青島墨都石墨制品有限公司)為原料，不同形態(tài)的石墨相顯微形貌如圖1所示.

采用混料-干壓-真空熱壓燒結(jié)法制備具有不同石墨形態(tài)的銅/石墨復(fù)合材料.首先，采用四頭混料機(jī)將663銅粉與石墨相按照體積比為3:2 (即石墨相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.5%)進(jìn)行均勻混合，獲得復(fù)合粉體.然后，將復(fù)合粉體置于鋼模具中，采用雙向加壓方式，軸向壓力為180 MPa，保壓時(shí)間為10 min，干壓得到所需素坯,最后，將素坯轉(zhuǎn)移至石墨模具中，在真空熱壓燒結(jié)爐(上海晨華科技股份有限公司)中進(jìn)行燒結(jié)，獲得燒結(jié)樣品.燒結(jié)工藝如下：在無(wú)壓力作用下，60 min升至850 ℃，保溫40 min后，將爐溫在60 min內(nèi)降至770 ℃；然后將燒結(jié)壓力升至16 MPa，保溫保壓30 min，燒結(jié)后隨爐冷卻.將復(fù)合粉體、鱗片狀和近球形顆粒石墨的銅/石墨復(fù)合材料分別命名為Cu-Gp、Cu-Gf和Cu-Gb.

1.2 力學(xué)性能測(cè)試

通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(DY-35)對(duì)樣品進(jìn)行室溫力學(xué)性能測(cè)試；抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)采用三點(diǎn)彎曲法，試樣尺寸設(shè)置為25 mm×4 mm×3 mm，跨距為20 mm，加載速率為0.5 mm/min；斷裂韌性采用單邊缺口梁(SENB)法，試樣尺寸為25 mm×4 mm×2 mm，跨距為16 mm，切口深度為2 mm，切口寬度為0.2 mm，加載速率為0.05 mm/min；用于壓縮試驗(yàn)的試樣尺寸為5 mm×5 mm×5 mm，加載速度為0.5 mm/min；采用JB-500B形擺錘式夏洛比沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)定試樣沖擊韌性，試樣尺寸為50 mm×10 mm×5 mm，“U”形切口深度為2 mm，切口寬度為2 mm.

1.3 摩擦磨損性能測(cè)試

采用栓-盤(pán)接觸和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的形式，在HT-1 000摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(蘭州中科凱華科技開(kāi)發(fā)有限公司)上測(cè)試材料的摩擦磨損性能.樣塊尺寸為25 mm×25 mm×4 mm，摩擦對(duì)偶為硬度1 470±42 HV的Ф3 mm Al2O3陶瓷栓.試驗(yàn)前將摩擦副接觸表面在砂紙上逐級(jí)打磨至表面粗糙度(Ra)為0.2～0.4 μm.試驗(yàn)載荷為7.0 N(接觸壓強(qiáng)為1 MPa)，旋轉(zhuǎn)半徑為5 mm，轉(zhuǎn)速為2 000 r/min(平均線速度為1.05 m/s)，摩擦?xí)r間為60 min.此外，試驗(yàn)考察了材料在不同運(yùn)行階段下摩擦磨損性能的變化規(guī)律，即啟停第1次、第2次和第3次過(guò)程中材料的摩擦系數(shù)和磨損率，單次摩擦?xí)r間為60 min.文中所呈現(xiàn)的摩擦系數(shù)曲線均為相同試驗(yàn)條件下重復(fù)3次后的典型代表曲線.磨損率(K)通過(guò)Archard方程K=V/(S×F)計(jì)算，其中：V為磨損體積(mm3)，S為滑動(dòng)總行程(m)，F(xiàn)為摩擦試驗(yàn)中所施加的法向載荷(N).

1.4 顯微結(jié)構(gòu)、斷裂形貌和磨損表面表征

采用配備有X射線能譜分析(EDS)檢測(cè)器的掃描電子顯微鏡(SEM，日本，JSM-5600LV)和三維表面輪廓儀(Keyence VHX-6 000)表征和分析摩擦學(xué)和力學(xué)性能測(cè)試前后材料的宏/微觀結(jié)構(gòu)、元素組成和表面以及斷面形貌圖.

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微形貌

圖2所示為具有不同石墨相形態(tài)的銅/石墨復(fù)合材料顯微形貌圖，由圖2分析可得，采用混料-干壓-真空熱壓燒結(jié)法制得的銅/石墨復(fù)合材料在宏觀層次具有較為均勻的組織結(jié)構(gòu)，致密無(wú)明顯氣孔，銅合金與石墨相界面處無(wú)明顯缺陷.以粉體呈現(xiàn)的石墨相在材料顯微結(jié)構(gòu)中呈均勻分布狀態(tài)，但是銅合金的連續(xù)性卻被石墨相嚴(yán)重割裂.鱗片狀和顆粒狀石墨在材料中以聚集形態(tài)呈現(xiàn)，銅合金在三維空間中具有很好的連續(xù)性.但是，由于鱗片狀石墨的各向異性結(jié)構(gòu)致使石墨相在材料表面呈非均勻分布狀態(tài)，而顆粒狀石墨能夠使得石墨相在材料表面以較為均勻的狀態(tài)呈現(xiàn)，石墨相與銅基體交替結(jié)構(gòu)更為規(guī)律.

Fig.1 The graphite with different morphologies圖1 具有不同形態(tài)的石墨

2.2 力學(xué)性能

優(yōu)異力學(xué)性能是保證材料在高載、高速和振動(dòng)等摩擦工況條件下穩(wěn)定可靠運(yùn)行的關(guān)鍵.試驗(yàn)中考察了具有不同石墨相形態(tài)的銅/石墨復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、斷裂韌性和沖擊韌性，試驗(yàn)結(jié)果列于表1中.石墨相形態(tài)對(duì)材料的力學(xué)性能具有顯著影響，具有近球形顆粒狀的復(fù)合材料展現(xiàn)出了最為優(yōu)異的綜合力學(xué)性能.材料Cu-Gb的抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、斷裂韌性和沖擊韌性分別可高達(dá)155.4±3.6 MPa、365.7±4.9 MPa、5.34±0.6 MPa·m1/2和4.04±0.38 J/cm2，分別為Cu-Gp力學(xué)性能的3.2倍、9.2倍、5.5倍和4.5倍.從圖3中可以看出，復(fù)合石墨粉的銅/石墨復(fù)合材料的抗裂紋破壞能力最差，而復(fù)合近球形顆粒狀石墨的銅/石墨復(fù)合材料的抗裂紋破壞能力最強(qiáng)，在外載作用下展現(xiàn)出較高的抗破壞能力.

表1 銅/石墨復(fù)合材料的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of copper/graphite composites

Fig.3 Load-displacement curves of composites with pre-crack圖3 含預(yù)裂紋復(fù)合材料的載荷-位移曲線

在外力破壞作用下，裂紋首先在石墨相與銅基體的弱界面處萌生并發(fā)展，然后擴(kuò)展至銅合金部位被鈍化，以此交替發(fā)生直至材料完全斷裂[16].在此過(guò)程中，裂紋沿弱界面擴(kuò)展所消耗的斷裂能較小，以銅合金對(duì)裂紋的鈍化作用消耗的斷裂能為主.萌生裂紋由界面擴(kuò)展至銅基體后，裂紋尖端被金屬銅鈍化，傳播能力削弱.因此，裂紋尖端前金屬銅的抗斷能力越強(qiáng)，對(duì)裂紋擴(kuò)展能的消耗越大，材料的力學(xué)性能越高.裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中穿過(guò)銅合金基體的總路徑越長(zhǎng)，則消耗的斷裂能越多，材料的力學(xué)性能更優(yōu)異.

石墨相形態(tài)不同時(shí)，則石墨相的表面積也不同，與銅基體形成的弱界面面積也將不同，進(jìn)而影響到材料的抗裂紋破壞能力.圖4所示為材料斷面微觀形貌圖和裂紋擴(kuò)展示意圖，當(dāng)材料中石墨相含量一定時(shí)，石墨相的粒徑越小，形成的弱界面面積越多，在裂紋傳播方向上阻礙裂紋擴(kuò)展的銅合金有效作用部分越少；同時(shí)，石墨相粒徑越小，石墨相在銅基體中的分布越均勻，相鄰石墨相間的間距越小，使得相鄰石墨相間的連續(xù)銅基體部分(圖4標(biāo)注 L部分)越少，對(duì)萌生裂紋擴(kuò)展的阻礙能力越弱.石墨相形態(tài)分別為粉體(粒徑約5 μm)、鱗片狀(粒徑445～636 μm)和近球形顆粒狀(粒徑200～300 μm)時(shí)，石墨相在材料中形成的弱界面面積顯著減小，金屬銅在三維空間中變得更連續(xù)，使得材料抵抗裂紋破壞的能力明顯提高，因此，材料Cu-Gp綜合力學(xué)性能最差，而材料Cu-Gb具有最佳綜合力學(xué)性能.石墨相在一定粒徑范圍內(nèi)，以近球形顆粒呈現(xiàn)時(shí)，對(duì)提升銅/石墨復(fù)合材料在外載作用下的抗破壞能力具有重要意義.

2.3 摩擦磨損性能

圖5為不同銅/石墨復(fù)合材料在室溫時(shí)接觸壓力為2 MPa，轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，摩擦?xí)r間為60 min的干摩擦條件下的摩擦系數(shù)曲線.可以看出，材料中石墨相形態(tài)不同，與Al2O3栓對(duì)偶相對(duì)摩擦?xí)r的摩擦系數(shù)曲線也隨之改變.材料Cu-Gb具有低且平穩(wěn)的摩擦系數(shù)曲線，在整個(gè)摩擦過(guò)程中材料的摩擦系數(shù)可維持在0.13±0.02.材料Cu-Gp的摩擦系數(shù)略高，局部摩擦階段的摩擦系數(shù)波動(dòng)較大，但總體上摩擦系數(shù)曲線也相對(duì)平穩(wěn)，摩擦系數(shù)可維持在0.18±0.02.然而，材料Cu-Gf具有與材料Cu-Gp和Cu-Gb不同的摩擦學(xué)行為，在不同重復(fù)次數(shù)下材料Cu-Gf的摩擦系數(shù)或高或低，摩擦系數(shù)較高的情況下可達(dá)0.32±0.03[圖5(a)]，在較低的情況下可低至0.13±0.01[圖5(b)].

同時(shí)，試驗(yàn)中考察了不同材料在不同運(yùn)行次數(shù)摩擦過(guò)程中摩擦磨損性能的變化，圖6為材料在不同啟停階段下的摩擦系數(shù)曲線和磨損率.由摩擦系數(shù)曲線[圖6(a)]可得，在不同啟停過(guò)程中，材料Cu-Gb展現(xiàn)出低且平穩(wěn)的摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)可穩(wěn)定在0.13±0.02；材料Cu-Gp的摩擦系數(shù)起始階段較高，但隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，摩擦系數(shù)逐漸降低，可從起始階段0.20降至0.14并保持穩(wěn)定；材料Cu-Gf的摩擦系數(shù)隨著運(yùn)行時(shí)間的推移呈現(xiàn)出不穩(wěn)定狀態(tài)，摩擦系數(shù)呈逐漸上升趨勢(shì)，摩擦系數(shù)從0.14增至0.25.

此外，石墨相形態(tài)對(duì)材料的耐磨性能也有顯著影響，且不同運(yùn)行次數(shù)下的磨損率變化規(guī)律也不盡相同.從整體上來(lái)看[圖6(b)]，隨著運(yùn)行次數(shù)的增加，所有材料的磨損率均呈逐漸減小的趨勢(shì).在首次摩擦運(yùn)行過(guò)程中，材料Cu-Gp和Cu-Gf的磨損率均很高，磨損率高達(dá)24.4×10-6和23.6×10-6mm3/(N·m).經(jīng)第1次摩擦運(yùn)行后，材料Cu-Gp和Cu-Gf的磨損率顯著降低，Cu-Gp的磨損率仍保持在9.5×10-6mm3/(N·m)左右，Cu-Gf的磨損率可保持在5.2×10-6mm3/(N·m)左右.然而，材料Cu-Gb具有更為優(yōu)異的抗磨損性能，在首次摩擦運(yùn)行過(guò)程中，材料的磨損率便可低至7.40×10-6mm3/(N·m)，比相同摩擦階段Cu-Gp和Cu-Gf的磨損率分別降低了69.7%和68.7%，并且隨著運(yùn)行次數(shù)的增加，材料的磨損率逐漸降低，在第3次摩擦運(yùn)行過(guò)程中材料的磨損率可低至3.1×10-6mm3/(N·m).

Fig.4 Microstructure and schematic diagram of crack propagation path of copper/graphite composites圖4 銅/石墨復(fù)合材料裂紋擴(kuò)展路徑的微觀組織和示意圖

2.4 減摩抗磨機(jī)制

由上述試驗(yàn)結(jié)果可以得出，石墨相形態(tài)對(duì)材料的摩擦磨損性能具有顯著影響.為闡明石墨相形態(tài)對(duì)銅/石墨復(fù)合材料減摩抗磨性能的作用機(jī)制，觀察并分析摩擦副磨斑形貌及組成成分.可以看出，具有不同石墨相形態(tài)的銅/石墨復(fù)合材料在摩擦過(guò)程均可在材料表面形成摩擦潤(rùn)滑膜(圖7)，并在Al2O3陶瓷栓表面形成石墨相與金屬銅復(fù)合的摩擦轉(zhuǎn)移膜(圖8)，進(jìn)而使銅/石墨復(fù)合材料與Al2O3陶瓷栓間的摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈?rùn)滑膜與轉(zhuǎn)移膜間的摩擦.并且，隨著摩擦?xí)r間的累積，摩擦副表面潤(rùn)滑膜和轉(zhuǎn)移膜的破壞與形成達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，摩擦系數(shù)和磨損率趨于穩(wěn)定[16-17].

Fig.5 Friction coefficient curves of different copper/graphite composites under different repetition times圖5 不同銅/石墨復(fù)合材料在不同重復(fù)次數(shù)下的摩擦系數(shù)曲線

Fig.6 (a) Friction coefficient curves and (b) wear rates of different copper/graphite composites at different start-stop stages圖6 不同銅/石墨復(fù)合材料在不同啟停階段下的(a)摩擦系數(shù)曲線和(b)磨損率

但是，材料中石墨相形態(tài)不同時(shí)，材料表面的磨痕深度截然不同，且摩擦系數(shù)曲線的變化規(guī)律也不同.從材料的磨損形貌可以看出(圖7)，材料Cu-Gp的磨痕最深，材料Cu-Gf的磨痕次之，材料Cu-Gb的磨損輕微.為深入闡述復(fù)合材料宏/微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其摩擦磨損性能的影響，圖9給出了不同材料的摩擦磨損示意圖，圖9中的摩擦副接觸面的微凸體結(jié)構(gòu)是通過(guò)三維輪廓儀表征獲得的材料表面實(shí)際輪廓.摩擦損傷和摩擦膜形成過(guò)程在本質(zhì)上是摩擦副表面微凸體間接觸并相互作用的結(jié)果，在本研究中由于摩擦對(duì)偶為表面硬度和強(qiáng)度極高的Al2O3陶瓷，磨損以銅/石墨復(fù)合材料微凸體的摩擦損傷為主.

當(dāng)石墨相以粉體形態(tài)存在時(shí)，石墨相與金屬銅間形成的弱界面越多，銅基體的連續(xù)性被石墨顯著割裂[圖9(a)].摩擦起始階段，在摩擦副接觸表面微凸體相互接觸摩擦滑動(dòng)過(guò)程中，在摩擦阻力作用下，割裂的銅顆粒易被剝離并進(jìn)入摩擦界面，與摩擦副形成“三體”磨損，從而導(dǎo)致材料的大量磨損.與此同時(shí)，在摩擦副微凸體接觸過(guò)程中，復(fù)合在材料中的石墨相由于較弱的界面結(jié)合力，在摩擦滑動(dòng)過(guò)程中會(huì)被拖敷于材料表面形成潤(rùn)滑膜.隨著摩擦過(guò)程的進(jìn)行，脫落的金屬銅顆粒逐漸被碾壓粘附轉(zhuǎn)移到Al2O3陶瓷表面，與被拖敷出來(lái)的石墨相復(fù)合形成摩擦轉(zhuǎn)移膜，將銅/石墨復(fù)合材料與Al2O3陶瓷間的摩擦逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殂~-石墨復(fù)合潤(rùn)滑膜與銅-石墨轉(zhuǎn)移膜間的摩擦，從而降低摩擦副間的摩擦磨損.

當(dāng)石墨相以鱗片狀形態(tài)存在時(shí)，石墨相的聚集程度相對(duì)增加，使得金屬銅的連續(xù)程度相對(duì)提高，避免了類(lèi)似于材料Cu-Gp磨屑產(chǎn)生過(guò)程的發(fā)生.但是，鱗片狀石墨呈大塊片層狀，形狀呈各向異性[圖9(b)].當(dāng)鱗片狀石墨在材料中隨機(jī)均勻分布時(shí)，材料表面存在一定數(shù)量的鱗片石墨平行或接近平行于水平面，即在鱗片石墨周?chē)嬖诤穸容^薄的銅基體.起始摩擦滑動(dòng)過(guò)程中，在摩擦對(duì)偶表面微凸體摩擦作用力下，容易將鱗片石墨周?chē)穸容^薄的銅基體部分撕裂，并順著摩擦運(yùn)動(dòng)方向?qū)⑺毫训你~顆粒鑲嵌入鱗片石墨與銅基體的界面處，將部分銅顆粒捕獲，但同時(shí)也會(huì)造成另外的銅基體凸出于表面并被剝落，剝落的銅顆粒將直接暴露于摩擦副的摩擦界面，造成較為嚴(yán)重的磨損，如圖7(b)和圖9(b)所示.然而，以聚集形態(tài)呈現(xiàn)的石墨相[11]，特別是鱗片石墨在材料表面處于平行或接近平行狀態(tài)時(shí)，更易于被拖敷于摩擦界面，并與脫落的金屬銅一起被碾壓形成潤(rùn)滑膜和轉(zhuǎn)移膜，使材料具有低的摩擦系數(shù).但是，隨著鱗片石墨的摩擦損耗，或者垂直于材料表面的鱗片石墨較多時(shí)，將造成摩擦副間較大的摩擦系數(shù)[圖5(a)].

Fig.7 SEM micrographs and EDS results of worn surfaces of copper/graphite composites圖7 銅/石墨復(fù)合材料的磨斑表面的SEM照片和EDS分析結(jié)果

當(dāng)石墨相以一定直徑的近球形顆粒呈現(xiàn)時(shí)，使得石墨相的聚集程度相對(duì)增加，銅基體在三維空間內(nèi)變得更連續(xù)，同時(shí)還避免了大塊鱗片狀石墨各向異性導(dǎo)致的不足.在起始摩擦過(guò)程中，以聚集形態(tài)呈現(xiàn)的石墨相對(duì)于均勻分布的石墨粉體更易被拖敷于摩擦界面，并在摩擦副表面快速形成潤(rùn)滑膜和轉(zhuǎn)移膜[16]，降低摩擦副間的摩擦系數(shù).同時(shí)，近球形顆粒石墨具有較好的各向同性特征，大幅減少了類(lèi)似于鱗片狀石墨

周?chē)^薄銅基體存在的問(wèn)題，進(jìn)而減少金屬銅被剝離和撕裂現(xiàn)象的發(fā)生，避免了嚴(yán)重磨損的發(fā)生.即使產(chǎn)生少量銅磨屑，也可在碾壓過(guò)程中被擠入到石墨顆粒部位[圖9(c)]，發(fā)揮“類(lèi)織構(gòu)”的作用[1]，不僅避免了“三體”磨損的發(fā)生，而且金屬磨屑的擠入過(guò)程中也會(huì)同時(shí)擠出部分石墨，進(jìn)而起到減摩抗磨作用.此外，材料表面相對(duì)于材料Cu-Gf具有更加均勻的組織結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出均勻分布的軟/硬交替結(jié)構(gòu)，更有利于連續(xù)潤(rùn)滑膜的形成以及對(duì)磨屑的及時(shí)捕獲，使材料保持低的摩擦系數(shù)和磨損率.

Fig.8 Microstructures and element analysis of worn surface of the friction pair圖8 摩擦配副磨損表面微觀形貌及元素分析

Fig.9 The schematic diagram of the formation process of tribo-films and wear modes for different composites圖9 不同復(fù)合材料的摩擦膜形成及磨損模式示意圖

3 結(jié)論

a.石墨相形態(tài)對(duì)銅/石墨復(fù)合材料的減摩抗磨機(jī)制具有重要影響，以聚集形態(tài)呈現(xiàn)的石墨協(xié)同高承載耐磨三維連續(xù)銅基體、均勻分布軟/硬相交替結(jié)構(gòu)及“類(lèi)織構(gòu)”對(duì)磨屑的捕獲作用，使得材料具有優(yōu)異的減摩抗磨性能.

b.具有近球形顆粒石墨的復(fù)合材料具有最優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，與Al2O3栓相對(duì)摩擦?xí)r的摩擦系數(shù)和磨損率分別低至0.13±0.02和5.4×10-6mm3/(N·m).

c.當(dāng)石墨相呈近球形顆粒形態(tài)時(shí)，復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、斷裂韌性和沖擊韌性分別可高達(dá)155 MPa、366 MPa、5.3±0.6 MPa·m1/2和4.0 J/cm2，展現(xiàn)出較高的可靠性.