石墨表面金屬包覆處理對Cu基粉末冶金摩擦材料制動摩擦學(xué)行為的影響

張 鑫, 郭 丹, 劉軍鋒, 杜三明,2, 楊正海,2, 上官寶

(1. 河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 河南 洛陽 471023;2. 河南科技大學(xué) 高端軸承摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程實驗室, 河南 洛陽 471023)

高速列車制動工況下對摩擦材料的要求極為嚴(yán)格，不僅要求摩擦材料要在制動過程中發(fā)揮出足夠且穩(wěn)定的摩擦性能，而且須具備較高的耐磨性能[1-3]. 在各類摩擦材料中，銅基粉末冶金材料以其優(yōu)異的力學(xué)性能、導(dǎo)熱能力和耐磨性從中脫穎而出，已成為最為可靠且應(yīng)用最廣的高速列車制動摩擦材料[4-6]. 石墨作為銅基粉末冶金摩擦材料的首選固體潤滑劑[7-9]，其雖具有摩擦系數(shù)低、導(dǎo)熱性好和價格低廉等優(yōu)勢，但因其相對銅基體明顯較軟，且燒結(jié)時與銅基體不發(fā)生互溶和反應(yīng)而導(dǎo)致二者間界面結(jié)合很差，故石墨往往被視作基體中的孔隙，大量石墨的加入必然會顯著降低基體連續(xù)性，并對材料力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能及摩擦學(xué)性能等產(chǎn)生不利影響[10-11]. 相關(guān)研究[12-15]表明，將石墨進(jìn)行表面金屬包覆處理，是改善燒結(jié)時石墨與銅基體間界面結(jié)合的一種有效手段.

石墨表面金屬包覆處理后對于石墨與銅基體間界面結(jié)合的增強，必然會引起材料性能和摩擦學(xué)行為的變化，基于此，國內(nèi)外很多學(xué)者開展了相關(guān)研究工作，并取得了一些重要結(jié)果. 文獻(xiàn)[13]中采用銅包覆石墨制備了銅基粉末冶金材料，并分析了其顯微組織和物理性能. 結(jié)果顯示，燒結(jié)過程中銅包覆石墨可與銅基體在界面處形成化合物，從而明顯減少了界面孔隙，使界面連續(xù)性增強，所得材料致密度和導(dǎo)熱系數(shù)能分別提高至99.5%和400～480 W/(m·K). 文獻(xiàn)[14]中研究了三種石墨含量條件下，分別采用銅包覆石墨和普通石墨時銅基粉末冶金材料的摩擦磨損性能.結(jié)果表明：當(dāng)石墨含量相同時，采用銅包覆石墨可顯著提高材料的力學(xué)性能和致密度；當(dāng)摩擦條件相同時，采用銅包覆石墨的材料摩擦系數(shù)和磨損率均較低；不論采用何種石墨，材料變形能力對于表面摩擦膜的形成均有較大影響. 但該研究中并未探討采用銅包覆石墨對表面摩擦膜的性質(zhì)是否具有影響. 文獻(xiàn)[15]中采用鍍銅和鍍鎳兩種方式對石墨進(jìn)行了表面處理，并研究了其對銅基粉末冶金材料顯微組織和摩擦學(xué)性能的影響，得出石墨表面經(jīng)鍍銅或鍍鎳后，均可明顯改善石墨與基體之間的界面結(jié)合性，且可使相同試驗條件下材料摩擦系數(shù)穩(wěn)定性及表面摩擦膜完整性均得到明顯提高，而該研究中也未涉及石墨表面金屬包覆對于表面摩擦膜性質(zhì)的影響作用. 以上工作雖然在石墨表面金屬包覆處理對于銅基粉末冶金材料性能影響的研究方面取得了一些成果，但對于石墨表面金屬包覆處理后所引起的材料力學(xué)及物理性能變化，是否會帶來一定條件下摩擦表面性質(zhì)，特別是表面摩擦膜形成機(jī)制及行為的改變等方面并未展開深入研究.

本文中基于石墨對銅基粉末冶金摩擦材料性能的重要影響，分別選用銅包覆石墨和普通石墨作為潤滑組元制備了兩種銅基粉末冶金摩擦材料，在對兩者的微觀組織和力學(xué)及物理性能進(jìn)行檢測、對比的基礎(chǔ)上，通過對兩種材料制動摩擦磨損性能、摩擦表面及磨屑特征、表面及近表層元素分布和表面物相組成等方面進(jìn)行深入分析，研究了石墨表面金屬包覆處理對于制動條件下銅基粉末冶金摩擦材料摩擦學(xué)行為的影響規(guī)律.

1 試驗部分

1.1 試驗材料及制備

試驗材料為銅基粉末冶金摩擦材料，即基體為Cu，并添加Sn對基體進(jìn)行強化，摩擦組元選用Fe和SiO2，潤滑組元則分別采用銅包覆石墨和普通石墨，采用放電等離子燒結(jié)(SPS)技術(shù)制備兩種銅基粉末冶金材料.兩種試驗材料的化學(xué)成分及各種粉末原料粒度列于表1中，所用銅包覆石墨粉末采用化學(xué)鍍工藝獲得(見圖1)，且其中Cu與石墨的質(zhì)量比為1:1，故兩種試驗材料中石墨的實際質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為4%. 所用燒結(jié)設(shè)備型號為SPS-30，材料燒結(jié)溫度為780 ℃，燒結(jié)壓力30 MPa，燒結(jié)時爐內(nèi)真空度控制在10-1Pa以下，燒結(jié)所得試樣尺寸為Φ20 mm×15 mm.

表1 試驗材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)及原料粒度Table 1 Chemical composition (mass fraction/%) and powder particle sizes of test materials

Fig. 1 Cu-coated graphite powder圖1 銅包覆石墨粉末

1.2 試驗方法

1.2.1 力學(xué)及物理性能測試

分別對兩種試驗材料進(jìn)行了硬度、密度和導(dǎo)熱系數(shù)測試. 硬度測試選用320HBS-3000型布氏硬度儀，測試時載荷大小為2 500 N，并選用Φ5 mm的鋼質(zhì)壓頭.密度測試采用阿基米德排水法，并根據(jù)測試結(jié)果計算出每種材料的致密度. 導(dǎo)熱系數(shù)測試采用LFA-1000型激光導(dǎo)熱測試儀，測試溫度分別為室溫、300及600 ℃，以石墨作為參考物.

1.2.2 制動摩擦試驗

利用MM1000-Ⅱ型慣性制動試驗臺，以25Cr2MoVA鋼作為配幅制動盤(Φ160 mm×9 mm)，試驗轉(zhuǎn)動慣量約為0.5 kg·m2，在0.4 MPa的試驗制動壓力(p)下，選取100、150、200和250 km/h四種列車實際制動初始速度(v0，以下簡稱制動速度)，分別對兩種試驗材料進(jìn)行制動摩擦磨損性能測試，試驗分組列于表2中. 測試時同一條件下的制動摩擦試驗重復(fù)進(jìn)行5次，最終可得到各試驗條件下的平均制動時間(t)和平均摩擦系數(shù)(μ)，并測算出各條件下的材料磨損率(能量磨損率，即消耗單位能量時的質(zhì)量損耗)，測試材料1包含銅包覆石墨，測試材料2包含普通石墨.

表2 制動摩擦試驗分組和試驗結(jié)果Table 2 Table 2 Brake friction test groups and results

1.2.3 微觀分析與表征

利用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡(SEM)對兩種試驗材料進(jìn)行微觀分析，對比兩種材料微觀結(jié)構(gòu)間的差異，并重點分析石墨表面金屬包覆處理對于其與基體間界面結(jié)合性的影響作用.

制動摩擦試驗后，須對材料摩擦表面及磨屑的各種特征進(jìn)行微觀分析，以對比不同條件下材料摩擦磨損行為的差別，特別是磨損機(jī)制方面的差異性. 首先利用Nanofocus AG型三維形貌掃描儀對試驗后材料摩擦表面的幾何質(zhì)量和典型磨損特征等進(jìn)行分析，對比不同條件下材料表面磨損行為的差異. 其次利用SEM、能譜儀(EDS)和X射線衍射儀(XRD)對試驗后材料摩擦表面及磨屑的形貌、成分特征和表面物相等進(jìn)行分析，獲得不同條件下材料表面摩擦磨損行為的主要特點和典型磨損機(jī)制. 另外，為了更好地對比不同條件下材料摩擦表面特征和磨損機(jī)制間的差異，試驗采用切割、鑲嵌、打磨、拋光和浸泡等一系列手段制備了斜切面試樣，并對其摩擦表面和近表層進(jìn)行了微觀形貌及成分分析，斜切面試樣型式見圖2.

Fig. 2 Inclined-plane sample圖2 斜切面試樣

2 結(jié)果與討論

2.1 材料微觀組織與力學(xué)及物理性能

圖3給出了兩種試驗材料的微觀組織，表3為對圖3(a)中區(qū)域A、B、C和D的能譜分析結(jié)果. 如圖3(a)所示，當(dāng)采用銅包覆石墨作潤滑組元時，材料的基體由Cu和Cu-Sn固溶體構(gòu)成，例如區(qū)域A. 根據(jù)對區(qū)域B和C的能譜分析結(jié)果，可知圖中較大的灰色和黑色顆粒分別為Fe和石墨，而圖中白色箭頭所指示的深色小顆粒D則為SiO2，其在基體中呈彌散分布. 而對于采用普通石墨作潤滑組元的材料，如圖3(b)所示，除石墨外，其他各組元在基體中的分布及形貌特征與采用銅包覆石墨的材料大致相似，但該材料中石墨與基體間的界面結(jié)合明顯較弱，并且還出現(xiàn)了個別石墨顆粒被明顯破壞的情況，可以看到石墨顆粒一部分已經(jīng)從基體中脫落，余下部分則深陷基體之中，致使石墨顆粒的完整性明顯降低. 而這一現(xiàn)象在含銅包覆石墨材料中并未出現(xiàn)，表明采用銅包覆石墨作潤滑組元時，石墨與基體之間界面結(jié)合良好.

表3 圖3中區(qū)域A、B、C和D的能譜分析結(jié)果Table 3 EDS analysis results of area A, B, C and D in Fig. 3

界面結(jié)合性改善所帶來的基體連續(xù)性增強，也有利于材料力學(xué)及物理性能的提高. 表4列出了兩種材料硬度、致密度和導(dǎo)熱系數(shù)的測試結(jié)果. 如表4所示，采用銅包覆石墨作潤滑組元時，材料以上三種性能指標(biāo)與采用普通石墨時相比均顯著提高，其中硬度和致密度分別提高了約33%和8%，導(dǎo)熱系數(shù)則提高了50%～70%. 材料力學(xué)及物理性能的提高，對于提升其制動摩擦學(xué)性能，特別是減輕其在制動摩擦過程中所受的機(jī)械損傷和熱損傷是有益的.

表4 兩種材料的硬度、致密度和導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果Table 4 Hardness, relative density and thermal conductivity coefficient for two materials

2.2 制動摩擦磨損性能

2.2.1 平均摩擦系數(shù)與磨損率

Fig. 3 Microstructures of two materials圖3 兩種材料的顯微組織

制動摩擦試驗結(jié)果列于表2中，在各制動速度下，與含普通石墨材料相比，雖然含銅包覆石墨材料的平均摩擦系數(shù)均有所降低，并使得其平均制動時間也均有所延長，然而其磨損率卻均出現(xiàn)了大幅的減小. 文中詳細(xì)分析兩種材料在摩擦磨損性能方面的差異，圖4為兩種材料平均摩擦系數(shù)和磨損率隨制動速度的變化曲線.

Fig. 4 Average friction coefficient and wear rate of two materials under different braking speeds圖4 不同制動速度下兩種材料的平均摩擦系數(shù)和磨損率

如圖4所示，兩種材料的平均摩擦系數(shù)均隨著制動速度的提高而逐漸降低. 這是由于摩擦速度的升高會帶來摩擦表面溫度的急劇上升，從而導(dǎo)致材料力學(xué)性能不斷降低，同時塑性變形能力會不斷增強，并促進(jìn)摩擦表面形成摩擦膜而起到潤滑作用[16]，因此使摩擦系數(shù)降低. 圖4中還顯示，在相同速度下，含銅包覆石墨材料的平均摩擦系數(shù)均低于含普通石墨材料. 這是由于石墨表面經(jīng)銅包覆處理后使得石墨與基體間界面結(jié)合能力提高，增強了材料的力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能(見表4)，這一方面會使含銅包覆石墨材料在相同速度下產(chǎn)生較低的摩擦溫度，且其表層力學(xué)性能的下降幅度也較小，但含普通石墨材料會因本身較高的摩擦溫度和較低的力學(xué)性能而使其在摩擦過程中更容易產(chǎn)生塑性變形，從而有利于摩擦副表面微區(qū)的相互接觸與嚙合[14,16-17]，因此便產(chǎn)生較高的摩擦系數(shù)；另外一方面，摩擦過程中兩種材料表面溫度和力學(xué)性能的差異，也可能會導(dǎo)致二者摩擦表面所形成的摩擦膜具有不同的潤滑效果，甚至出現(xiàn)不同的潤滑機(jī)制，從而使兩種材料在相同速度下表現(xiàn)出不同的摩擦性能.

兩種材料磨損率隨制動速度的變化情況也存在明顯差別，如圖4所示，隨著制動速度的提高，含銅包覆石墨材料和含普通石墨材料的磨損率均逐漸下降，但后者磨損率的下降幅度更加明顯. 另外，對比兩種材料還可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)速度相同時，含銅包覆石墨材料的磨損率均顯著低于含普通石墨材料. 這是由于含銅包覆石墨材料本身具有較高的力學(xué)性能，同時其在相同速度下所產(chǎn)生的較低摩擦系數(shù)會使材料所受的機(jī)械損傷明顯減輕，另外該材料相對較高的導(dǎo)熱性能也有利于摩擦副熱量的耗散，從而也會顯著減小材料所受的熱損傷. 因此，當(dāng)采用銅包覆石墨作潤滑組元時，可有效降低相同摩擦條件下的材料磨損，此與文獻(xiàn)[14]的研究結(jié)果一致.

2.2.2 摩擦表面三維形貌

兩種材料磨損性能的分析和對比結(jié)果表明，石墨表面經(jīng)銅包覆處理后所帶來的材料力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能的增強，會顯著降低相同制動摩擦條件下材料的磨損率，因此，兩種材料摩擦試驗后摩擦表面的形貌和幾何質(zhì)量等方面也必然存在差別. 圖5給出了兩種材料分別在100和250 km/h兩種制動速度下摩擦試驗后的摩擦表面三維形貌以及表面沿圖中箭頭指示方向的輪廓線變化情況.

如圖5所示，在相同的制動速度下，與含普通石墨材料相比，含銅包覆石墨材料表面明顯更為平整. 當(dāng)速度為100 km/h時，含銅包覆石墨材料表面上僅出現(xiàn)了少量較淺的凹坑，且表面犁溝作用也很輕微，故表面沿箭頭指示方向的輪廓線僅在個別位置出現(xiàn)了較明顯的高度變化，見圖5(a). 而當(dāng)速度為250 km/h時，其表面上也僅存在輕微的犁溝痕跡，但未發(fā)現(xiàn)明顯的凹坑，從沿箭頭指示方向表面輪廓線的變化情況來看，僅在距離最左端約1 070 μm左右的位置才開始出現(xiàn)高度的變化，但變化不大，即表面輪廓線沿箭頭指示方向總體較為平直，如圖5(b)所示. 而對于含普通石墨材料，在兩種速度條件下，其摩擦表面均呈現(xiàn)較為明顯的粗糙結(jié)構(gòu)，表面上也均出現(xiàn)了許多較深的犁溝和較大的凹坑，且坑內(nèi)高低不平，因此使得該材料表面沿箭頭指示方向的輪廓線均出現(xiàn)了較大的高度變化，如圖5(c)和(d)所示，并且速度越高，表面犁溝深度更大. 上述分析結(jié)果表明，在相同的制動摩擦條件下，含銅包覆石墨材料摩擦表面的磨損程度明顯低于含普通石墨材料.

Fig. 5 3D morphology of friction surfaces of two materials under different braking speeds圖5 不同制動速度下兩種材料摩擦表面三維形貌

2.3 摩擦表面及磨屑的特征與磨損機(jī)制

2.3.1 摩擦表面特征

首先，根據(jù)對兩種材料制動摩擦試驗后摩擦表面SEM分析結(jié)果，對比兩種材料間磨損機(jī)制的差異以及分別在不同制動摩擦條件下每種材料磨損機(jī)制的變化情況. 圖6給出了兩種材料分別在100和250 km/h的制動速度下試驗后摩擦表面微觀形貌，表5為對圖6中區(qū)域A、B、C、D、E和F的能譜分析結(jié)果.

如圖6(a)和(b)所示，當(dāng)速度為100 km/h時，兩種材料摩擦表面均出現(xiàn)了犁溝，即均表現(xiàn)出了明顯的磨粒磨損特征. 另外，該速度下兩種材料表面雖然均存在剝落坑，但含普通石墨材料表面所形成的剝落坑明顯較多，且坑內(nèi)大都有石墨存在，如區(qū)域D(其能譜分析結(jié)果見表5). 而此時含銅包覆石墨材料表面的剝落坑相對較少，且在坑內(nèi)未發(fā)現(xiàn)石墨，該材料表面的剝落坑是因表面發(fā)生了黏著而導(dǎo)致的，即黏著磨損，但此時該種磨損較為輕微. 而含普通石墨材料摩擦表面所形成的剝落坑則主要是由于該材料及石墨自身力學(xué)性能均較低，從而使石墨所在位置附近的材料受到外力易被從表面剝離所導(dǎo)致，即該材料此時發(fā)生了較為嚴(yán)重的剝層磨損[18-19]，因此該條件下含普通石墨材料的磨損率明顯高于含銅包覆石墨材料(見圖4). 另外，由圖6(a)還可看到含銅包覆石墨材料表面局部已出現(xiàn)了輕微氧化，如區(qū)域A，該區(qū)域同表面其他大部分區(qū)域(如區(qū)域B)相比，其顏色明顯較深，且表5中區(qū)域A和B的EDS分析結(jié)果也顯示，區(qū)域A中的O含量明顯較高，同時主要元素Cu的含量明顯降低，但此時由于壓力較小且制動時間較短，所以表面溫升有限，故氧化區(qū)域面積并不大,然而該條件下含普通石墨材料表面并未出現(xiàn)氧化現(xiàn)象.

Fig. 6 Friction surface morphology of two materials under different braking speeds圖6 不同制動速度下兩種材料的摩擦表面形貌

表5 圖6中區(qū)域A、B、C、D、E和F的能譜分析結(jié)果Table 5 EDS analysis results of area A, B, C, D, E and F in Fig. 6

當(dāng)速度提高至250 km/h，如圖6(c～d)所示，可以看到每種材料摩擦表面形貌特征與速度為100 km/h時相比均發(fā)生了明顯變化，并且該條件下兩種材料表面形貌間的差異也十分明顯. 由圖6(c)可以看出，與速度為100 km/h時相比，此時含銅包覆石墨材料表面氧化區(qū)域面積明顯增大，如區(qū)域C(其能譜分析結(jié)果見表5)，同時表面上非氧化區(qū)域面積大大減小，故此時該材料表面局部已經(jīng)形成了氧化膜，這歸因于制動速度的提高使得表面溫升加劇且試驗時間延長，使得摩擦表面發(fā)生了十分強烈的氧化反應(yīng)[16,20-21]. 圖6(c)還顯示此時含銅包覆石墨材料表面的黏著磨損僅發(fā)生在非氧化區(qū)內(nèi)，而氧化區(qū)內(nèi)并未發(fā)生，表明氧化膜的形成可明顯減輕摩擦副間的黏著效應(yīng)，從而減小材料磨損. 另外，此時該材料表面氧化區(qū)內(nèi)也未出現(xiàn)明顯的裂紋和剝落，即未出現(xiàn)氧化膜被破壞的情況，故此時尚未發(fā)生氧化磨損. 而對于含普通石墨材料，由圖6(d)所示，此時其表面仍然沒有發(fā)生明顯氧化，即未形成明顯的氧化膜，但與速度較低時相比其表面形貌也發(fā)生了明顯變化，此時不僅表面剝落坑數(shù)量明顯減少，而且很多剝落坑中的石墨顆粒已明顯變得不夠完整，這一方面是由于普通石墨與基體結(jié)合不牢固，另一方面則由于速度提高后使材料受到的摩擦作用時間延長，從而造成大量石墨顆粒脫離基體. 圖6(b)和(d)中區(qū)域E和F的EDS分析結(jié)果還顯示，制動速度由100 km/h提高至250 km/h后，該材料表面上非石墨所在區(qū)域的C含量明顯升高，同時Cu含量有所降低，這是由于此時從基體脫落的石墨會與其他各類磨屑顆粒一起被外力壓平而粘附于材料表面，從而起到了隔離摩擦副的作用，即此時表面已經(jīng)形成了石墨膜[22-23]，故此時該材料磨損率與速度較低時相比也明顯減小(見圖4). 通過比較圖6(c)和(d)還可發(fā)現(xiàn)，與含銅包覆石墨材料表面所形成的氧化膜相比，含普通石墨材料表面石墨膜的連續(xù)性明顯較差，且表現(xiàn)出易于被外力剝落的傾向.

上述分析表明，制動摩擦速度的提高有利于材料表面形成摩擦膜，但分別采用銅包覆石墨和普通石墨作潤滑劑時，材料表面所形成的摩擦膜類別存在明顯差別. 接下來通過對兩種材料摩擦表面與近表層的元素分布情況進(jìn)行分析，進(jìn)一步比較兩種材料表面所形成摩擦膜的差異. 圖7給出了制動速度為250 km/h條件下試驗后兩種材料斜切面試樣中摩擦表面與近表層的形貌及主要元素分布情況，其中，圖7(a)中各主要元素的能譜分析結(jié)果見圖7(a1)、(a2)和(a3)，圖7(b)中各主要元素的能譜分析結(jié)果見圖7(b1)、(b2)和(b3).

如圖7(a)和(b)所示，與含普通石墨材料相比，含銅包覆石墨材料表面磨損明顯輕微，并且由于該材料的變形能力相對較低，故表面與近表層間的界線比較平直. 而含普通石墨材料由于其較強的變形能力，使得其表面與近表層間的界線明顯比較彎曲，并且可以看到該材料鄰近摩擦表面的近表層材料已經(jīng)發(fā)生了明顯的塑性變形. 對于含銅包覆石墨材料，如圖7(a1)、(a2)和(a3)所示，在此制動條件下，C元素在其表面與近表層的分布情況無明顯差別，而O和Cu元素在表面與近表層的分布卻表現(xiàn)出了明顯不同，可以看到此時摩擦表面O元素含量明顯比近表層要高，而表面Cu元素含量明顯低于近表層，這種情況的出現(xiàn)便是由于該條件下較高的摩擦表面溫度及較長的試驗制動時間，使得表面上形成了氧化膜并起到對摩擦副的隔離作用. 而對于含普通石墨材料，由圖7(b1)所示，材料表面C元素的分布明顯比近表層更為均勻，這是由于該材料中石墨與基體間的界面結(jié)合較差，從而使得石墨顆粒易于伴隨著近表層強烈的塑性變形而被擠至摩擦表面，并參與形成了石墨膜. 圖7(b2)和(b3)還顯示，此時含普通石墨材料表面與近表層的O及Cu元素的分布情況沒有明顯差別，表明此時該材料表面并未出現(xiàn)明顯氧化，且材料表面所受的摩擦膜隔離作用也明顯較弱.

對兩種材料摩擦表面與近表層元素分布情況的分析結(jié)果進(jìn)一步表明，當(dāng)摩擦速度較高時，兩種材料表面均形成了摩擦膜，但二者所形成的摩擦膜類別明顯不同. 當(dāng)采用銅包覆石墨時，表面摩擦膜主要由較多的氧化物構(gòu)成，即此時材料表面主要形成氧化膜.而當(dāng)采用普通石墨時，材料表面所形成的摩擦膜中含有較多的石墨，且其中氧化物含量較低，即此時材料表面主要形成石墨膜.

2.3.2 磨屑特征

通過分析和對比兩種材料在各制動條件下試驗后所產(chǎn)生磨屑的各種特征，可進(jìn)一步比較兩種材料摩擦磨損行為的差異. 圖8為兩種材料分別在100和250 km/h的制動速度時試驗后所形成磨屑的SEM分析結(jié)果，表6列出了對圖8中區(qū)域A和B的能譜分析結(jié)果. 對于含銅包覆石墨材料，當(dāng)速度為100 km/h時，如圖8(a)所示，磨屑主要呈細(xì)小顆粒狀. 當(dāng)速度提高至250 km/h時，如圖8(b)所示，粒狀磨屑的數(shù)量明顯減少，此時磨屑主要表現(xiàn)為厚片狀，且個別磨屑上還存在比較明顯的局部氧化痕跡，如區(qū)域A(其能譜分析結(jié)果見表6)，說明此時摩擦表面已有一定量的氧化物形成，這與前面對該條件下摩擦表面的分析結(jié)果相符. 而對于含普通石墨材料，如圖8(c)和(d)所示，當(dāng)速度相同時，其摩擦表面所形成磨屑的形態(tài)與含銅包覆石墨材料相比存在明顯差別，兩種速度下該材料摩擦表面所形成的磨屑均呈薄片狀，但高速下磨屑尺寸明顯增加，且此時在部分磨屑上還可發(fā)現(xiàn)有明顯的黑色石墨痕跡，如區(qū)域B，其能譜分析結(jié)果顯示此區(qū)域中碳含量明顯增加，說明高速下材料已有較多石墨參與形成摩擦膜，即石墨膜，但因其與基體結(jié)合不牢，故易被外力剝離表面而成為磨屑.

表6 圖8中區(qū)域A和B的能譜分析結(jié)果Table 6 EDS analysis results of area A and B in Fig. 8

對兩種材料在各制動速度下所產(chǎn)生磨屑的分析結(jié)果也表明，當(dāng)制動速度較低時，兩種材料表面均未形成明顯的摩擦膜，而當(dāng)制動速度較高時，兩種材料摩擦表面分別會形成以氧化膜或石墨膜為主的摩擦膜.

2.3.3 摩擦表面物相

既然兩種材料摩擦表面及磨屑的特征存在較大不同，故二者摩擦表面物相組成也必然存在差別. 圖9為兩種材料分別在100和250 km/h制動速度時試驗后摩擦表面的XRD分析結(jié)果. 如圖9所示，當(dāng)制動速度不同時，含銅包覆石墨材料表面物相組成及其衍射峰強度也存在很大變化. 與速度為100 km/h時相比，速度為250 km/h時含銅包覆石墨材料表面出現(xiàn)了氧化物Fe3O4的衍射峰，同時材料中主要物相Cu和α-(Cu, Sn)固溶體的衍射峰強有所降低，說明該條件下材料表面已經(jīng)形成了氧化膜，并對材料表面起到了一定保護(hù)作用.而在兩種制動速度下，含普通石墨材料表面均未發(fā)現(xiàn)氧化物的衍射峰，說明其表面未形成明顯的氧化膜，但兩種速度下其表面石墨衍射峰的強度卻明顯較高，表明該材料表面存在數(shù)量較多的石墨，甚至已形成石墨膜. 此外，當(dāng)速度同為250 km/h時，含銅包覆石墨材料表面Cu和α-(Cu, Sn)固溶體衍射峰強度明顯低于含普通石墨材料，而且此時含普通石墨材料表面Cu和α-(Cu, Sn)固溶體衍射峰強度與速度為100 km/h時相比雖有所降低，但降低幅度不大，這一點與含銅包覆石墨材料也存在不同，這些差異表明氧化膜對于材料表面的保護(hù)效果要強于石墨膜.

Fig. 7 Morphology and major elements distribution of friction surface and subsurface of two materials圖7 兩種材料摩擦表面與近表層形貌及主要元素分布

Fig. 8 Morphology of wear debris produced by two materials under different braking speeds圖8 不同制動速度下兩種材料所產(chǎn)生磨屑的形貌

Fig. 9 XRD pattern of friction surfaces for two materials under different braking speeds圖9 不同制動速度下兩種材料摩擦表面XRD分析結(jié)果

2.4 討 論

以上對各制動摩擦條件下試驗后兩種材料摩擦表面及磨屑的特征、摩擦表面及近表層元素分布和表面物相組成等方面的對比、分析結(jié)果表明，兩種材料表面的磨損機(jī)制存在很大差異，特別是當(dāng)制動速度較高時，兩種材料表面所形成的摩擦膜類型存在很大不同，即分別采用銅包覆石墨和普通石墨作潤滑組元時，材料表面會分別形成以氧化膜或石墨膜為主的摩擦膜.

對于摩擦材料而言，高制動速度條件下較高的摩擦溫度可促進(jìn)表面發(fā)生氧化反應(yīng)，并生成氧化物，如Fe2O3、Fe3O4和FeO等. 相關(guān)研究[24-25]表明，當(dāng)溫度在200 ℃以下，一般生成Fe2O3，溫度處于200～570 ℃之間，生成Fe3O4，溫度高于570 ℃，則生成FeO. 然而，在本試驗條件下，僅含銅包覆石墨材料表面生成了明顯的氧化物，從而使得兩種材料在一定條件下的摩擦磨損行為也存在很大差別. 根據(jù)對兩種材料力學(xué)及物理性能和顯微組織的分析，可知當(dāng)采用普通石墨作潤滑組元時，由于石墨與銅基體間界面結(jié)合較差，故造成材料導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能均較低，從而會導(dǎo)致材料表面及近表層產(chǎn)生較高的溫度，并會發(fā)生較強的塑性變形，又由于該情況下石墨顆粒在基體中具有較大的自由度，因而此時石墨顆粒易于在基體變形過程中被擠至摩擦表面，故此時材料表面的石墨含量明顯較高.摩擦表面若存在較多數(shù)量的石墨，則會引起下列化學(xué)反應(yīng)，如：

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的吉布斯函數(shù)判據(jù)公式[26]：

式中：ΔG為化學(xué)反應(yīng)的吉布斯自由能變化，J；ΔH為反應(yīng)焓，J/mol； ΔS為反應(yīng)熵變，J/(mol·K)；T為溫度，K.若 ΔG＜0 ，反應(yīng)可以自發(fā)進(jìn)行； ΔG＞0，反應(yīng)不能進(jìn)行；ΔG=0，則為平衡狀態(tài).

經(jīng)查閱各物質(zhì) ΔH和 ΔS[26]，并代入公式(6)，可得反應(yīng)(1)、(2)、(3)、(4)和(5)的ΔG分別為

根據(jù)吉布斯判據(jù)，從計算結(jié)果可以看出，在摩擦溫度條件下，反應(yīng)(1)、(2)和(3)的 ΔG均小于零，故反應(yīng)可以自發(fā)進(jìn)行. 而反應(yīng)(4)和(5)只有當(dāng)溫度分別高于一定程度(564和669 ℃)時才可發(fā)生. 因此在一定的摩擦溫度條件下，石墨氧化后所生成的CO氣體對于氧化物的形成具有更強的抑制作用. 因此當(dāng)采用普通石墨時，由于摩擦表面的石墨數(shù)量明顯較多，故化學(xué)反應(yīng)(1)、(2)和(3)也較為強烈，從而會使摩擦表面所形成的氧化物含量受到很大限制，含普通石墨材料摩擦表面的能譜及XRD分析結(jié)果也顯示，其表面沒有形成明顯的氧化物. 因此，當(dāng)采用普通石墨作潤滑組元時，材料摩擦表面不易形成氧化膜.

3 結(jié) 論

a. 石墨表面經(jīng)銅包覆處理后，可改善燒結(jié)時銅基粉末冶金材料中石墨與基體間的界面結(jié)合，并能顯著提高材料的硬度、致密度和導(dǎo)熱系數(shù).

b. 隨著制動速度的提高，兩種材料的平均摩擦系數(shù)和磨損率均逐漸降低；在相同的制動條件下，采用銅包覆石墨作潤滑劑時，材料的平均摩擦系數(shù)和磨損率均較低，同時材料摩擦表面具有較好的幾何質(zhì)量.

c. 提高制動摩擦速度能促進(jìn)材料表面形成摩擦膜，但分別采用銅包覆石墨和普通石墨作潤滑組元時，材料表面摩擦膜的形成機(jī)制不同. 采用銅包覆石墨時，材料表面主要形成氧化膜，而采用普通石墨時，由于表面存在較多石墨會對氧化反應(yīng)起到較強抑制作用，而使得此時表面主要形成石墨膜，且其對材料表面的保護(hù)效果不及氧化膜.