SiO2 表面金屬包覆處理對(duì)銅基粉末冶金材料制動(dòng)摩擦磨損性能的影響*

劉軍鋒 張 鑫 上官寶 商宏飛 傅麗華 杜三明

（1. 河南科技大學(xué)高端軸承摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471023； 2. 河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 河南洛陽(yáng) 471023； 3. 清華大學(xué)高端裝備界面科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100000）

銅基粉末冶金摩擦材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能、 導(dǎo)熱性能和摩擦磨損性能， 使其在高速列車的發(fā)展中得到廣泛應(yīng)用［1-3］。 銅基粉末冶金摩擦材料是以銅或銅合金為基體， 再加入潤(rùn)滑組元和摩擦組元， 采用粉末冶金工藝制備得到的摩擦材料［4-6］。 常用的潤(rùn)滑組元石墨以及摩擦組元SiO2都是非金屬材料， 而石墨、SiO2等非金屬與金屬之間界面結(jié)合較差， 會(huì)降低基體連續(xù)性， 進(jìn)而影響材料的力學(xué)性能、 熱物理性能以及摩擦學(xué)性能等［7-8］。 將非金屬進(jìn)行表面金屬包覆處理， 是改善燒結(jié)過(guò)程中其與銅基體間界面結(jié)合的有效方法［9-12］。

石墨、 MoS2、 SiO2等非金屬通過(guò)表面金屬包覆處理的方式強(qiáng)化材料微觀界面結(jié)合性能， 來(lái)增強(qiáng)基體連續(xù)性， 可提高材料導(dǎo)熱性能， 進(jìn)而改善材料力學(xué)、 熱物理學(xué)和摩擦學(xué)性能。 ZHAO 等［9］研究了干滑動(dòng)摩擦條件下銅基摩擦材料的顯微組織和摩擦性能， 發(fā)現(xiàn)石墨表面經(jīng)Cu 或Ni 包覆后， 可明顯改善其與基體之間的界面結(jié)合能力， 材料物理及力學(xué)性能均比采用普通石墨時(shí)顯著提高。 在相同的摩擦條件下， 采用金屬包覆處理石墨時(shí)材料的摩擦因數(shù)穩(wěn)定性以及表面摩擦膜的完整性均比采用普通石墨時(shí)要好， 且其磨損率也更低。 QIU 等［10］研究了油潤(rùn)滑和干摩擦2 種工況下鎳包覆MoS2對(duì)銅基摩擦材料力學(xué)及摩擦學(xué)性能的影響，結(jié)果顯示， MoS2經(jīng)Ni 包覆后， 改善了其與基體間的界面結(jié)合性， 提高了材料的硬度， 且其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)獲得優(yōu)良的力學(xué)及摩擦學(xué)性能。 ZOU 等［11］利用高速載流銷盤(pán)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究了非載流條件下SiO2表面金屬包覆處理對(duì)銅基摩擦材料摩擦學(xué)行為的影響。 結(jié)果表明： SiO2表面金屬包覆處理可以有效改善SiO2與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度， 顯著提高材料的密度和硬度， 同時(shí)可有效提高材料的耐磨性、 摩擦因數(shù)和摩擦穩(wěn)定性， 且有效減輕材料磨損， 其磨損機(jī)制變?yōu)檩p微的黏著磨損和剝層磨損， 但由于其最高速度仍小于60 km／h， 有一定的局限性。 許成法等［12］采用粉末冶金法分別制備含Cu 和Ni 包覆的納米SiO2（n-SiO2） 銅基摩擦材料， 研究了濕式工況條件下金屬包覆n-SiO2對(duì)銅基摩擦材料組織與摩擦磨損性能的影響。 結(jié)果表明： n-SiO2表面金屬包覆處理可有效改善其與基體的界面結(jié)合性能， 顯著提高銅基體的致密度和硬度； 加入Cu 包覆n-SiO2和Ni 包覆n-SiO2材料比采用普通n-SiO2材料的耐磨性能顯著增強(qiáng)， 分別提高了3.95 倍和7.46 倍。 以上工作取得了一些成果，但在高速列車干式制動(dòng)摩擦條件下， SiO2表面金屬包覆處理后對(duì)材料摩擦學(xué)行為， 以及摩擦磨損微觀形貌方面的研究不夠深入， 故開(kāi)展這方面的相關(guān)研究仍具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文作者通過(guò)SiO2表面金屬包覆處理的方式， 改善其與基體間的界面結(jié)合性來(lái)提高材料導(dǎo)熱性能， 從而改善其材料力學(xué)、 熱物理學(xué)及制動(dòng)摩擦磨損性能；采用粉末冶金工藝分別制備了含銅包覆SiO2和普通SiO22 種銅基粉末冶金摩擦材料， 分別對(duì)其微觀組織、 力學(xué)及物理性能進(jìn)行檢測(cè)， 并對(duì)二者的制動(dòng)摩擦磨損性能、 摩擦表面及其三維形貌特征、 磨屑特征和摩擦表面物相等進(jìn)行分析， 研究了SiO2表面經(jīng)Cu 包覆處理后對(duì)制動(dòng)條件下銅基粉末冶金材料摩擦磨損性能的影響。 研究結(jié)果為設(shè)計(jì)并制備出具有優(yōu)良抗熱衰退性能的材料， 并對(duì)其結(jié)構(gòu)和工藝的進(jìn)一步優(yōu)化提供一定的理論支持。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料制備

試驗(yàn)選用電解Cu 粉作為基體材料， 加入Sn 形成Cu-Sn 固溶體來(lái)強(qiáng)化基體， 潤(rùn)滑組元為銅包覆石墨，摩擦組元為SiO2和Fe， 其中SiO2分為銅包覆SiO2和普通SiO22 種。 采用放電等離子燒結(jié)（SPS） 技術(shù)制備2 種含銅包覆SiO2和普通SiO2銅基粉末冶金摩擦材料。 2 種試驗(yàn)材料的化學(xué)成分見(jiàn)表1， 試驗(yàn)所用銅包覆SiO2顆粒被Cu 完全覆蓋（見(jiàn)圖1 （a） ）， 其采用化學(xué)鍍工藝獲得， 且其中Cu 與SiO2的質(zhì)量比為4 ∶1， 因而2 種試驗(yàn)材料中SiO2實(shí)際質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為4%。 試驗(yàn)所用燒結(jié)設(shè)備型號(hào)為SPS-30， 試驗(yàn)材料燒結(jié)溫度為780 ℃， 燒結(jié)壓力為30 MPa， 燒結(jié)時(shí)爐內(nèi)真空度控制在0.1 Pa 以下， 燒結(jié)所得試樣尺寸為?20 mm×15 mm。

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

1.2 材料物理及力學(xué)性能測(cè)試

分別對(duì)2 種試驗(yàn)材料進(jìn)行了硬度、 密度和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試。 硬度測(cè)試選用320HBS-3000 型布氏硬度儀，測(cè)試時(shí)載荷大小為250 N， 并選用直徑為5 mm 的鋼質(zhì)壓頭。 密度測(cè)試采用阿基米德排水法， 并計(jì)算出2種材料的致密度。 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試采用LFA467 型激光導(dǎo)熱儀（NETZSCH， 德國(guó)）， 以銅為參照物， 測(cè)試溫度分別為室溫（20 ℃）、 300 ℃及500 ℃。

1.3 材料制動(dòng)摩擦磨損性能測(cè)試

采用MM1000-Ⅱ型慣性制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)， 選用25Cr2MoVA 鋼為配幅制動(dòng)盤(pán)（?160 mm×9 m）， 在0.4 和0.8 MPa 2 種制動(dòng)壓力 （p） 下， 選取60、100、 150、 200、 250 km／h 5 種列車制動(dòng)初速度（v0）， 分別測(cè)試2 種試驗(yàn)材料的制動(dòng)摩擦磨損性能， 試驗(yàn)分組見(jiàn)表2。 測(cè)試時(shí)相同條件下的制動(dòng)摩擦試驗(yàn)次數(shù)為7 次， 最終獲得各試驗(yàn)條件下的平均制動(dòng)時(shí)間（t） 和平均摩擦因數(shù)（μ）， 并計(jì)算出相應(yīng)條件下的平均磨損率（即消耗單位能量時(shí)的質(zhì)量損耗）。

表2 制動(dòng)摩擦試驗(yàn)分組及結(jié)果Table 2 Brake friction test groups and results

1.4 微觀分析

采用DMi8C 型光學(xué)顯微鏡（OM） 和JSM-7800F型掃描電子顯微鏡（SEM） 分析2 種試驗(yàn)材料的微觀結(jié)構(gòu)間的差異， 并重點(diǎn)分析SiO2表面金屬包覆處理對(duì)SiO2與基體間界面結(jié)合性的影響。

利用Nanofocus AG 型三維形貌掃描儀， 分析制動(dòng)摩擦試驗(yàn)后材料摩擦表面的典型磨損現(xiàn)象和幾何質(zhì)量等， 對(duì)比不同制動(dòng)條件下材料摩擦表面磨損行為的差異。 再利用SEM、 能譜儀 （EDS）、 X 射線衍射儀（XRD） 對(duì)試驗(yàn)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， 獲得不同制動(dòng)條件下材料表面摩擦磨損行為的主要特點(diǎn)和典型磨損機(jī)制。

2 結(jié)果與分析

2.1 材料微觀組織

2 種材料通過(guò)SEM 得到如圖2 所示的顯微組織，可以看出， 使用30 MPa、 780 ℃SPS 燒結(jié)工藝可以得到組織分布均勻、 致密度良好的試驗(yàn)材料。 如表3所示， 經(jīng)EDS 分析可知： 圖2 （a） 中淺灰色區(qū)域A為Cu 與Sn 互溶得到的Cu-Sn 固溶體， 是材料中含量最高的基體組元； 面積較大的黑色區(qū)域B 為石墨，是材料的潤(rùn)滑組元； 深灰色區(qū)域C 是Fe， 黑色無(wú)規(guī)則小顆粒D 是SiO2， 二者是材料的摩擦組元。

圖2 2 種材料的顯微組織（SEM）Fig.2 Microstructures of two materials （SEM）：（a） material containing Cu-coated SiO2；（b） material containing uncoated SiO2

表3 圖2 （a） 中各區(qū)域的EDS 分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 單位：%Table 3 EDS analysis results of each area in Fig.2 （a） （mass fraction） Unit：%

圖3 示出了OM 下SiO2與銅基體的界面結(jié)合情況。 可以發(fā)現(xiàn)， 圖3 （a） 中銅包覆SiO2與銅基體間的界面輪廓清晰、 接觸平滑， 無(wú)明顯孔隙， 顯然有著良好的結(jié)合性能； 圖3 （b） 中普通SiO2與銅基體間的界面模糊， SiO2四周邊緣粗糙且有孔隙， 由此可知， 普通SiO2與銅基體的界面結(jié)合性能較差。

圖3 2 種材料的顯微組織（OM）Fig.3 Microstructures of two materials （OM）：（a） material containing Cu-coated SiO2；（b） material containing uncoated SiO2

2.2 材料物理及力學(xué)性能

表4 給出了2 種材料硬度、 致密度和導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試結(jié)果。 采用含銅包覆SiO2材料的3 種性能指標(biāo)與采用普通SiO2時(shí)相比均顯著提高， 其硬度和致密度分別提高了約12.9%和3.2%， 導(dǎo)熱系數(shù)則提高了66.7%～81.3%。 含銅包覆SiO2材料良好的界面結(jié)合能力增強(qiáng)了基體連續(xù)性， 也有利于材料物理及力學(xué)性能的提高， 進(jìn)而減輕其在制動(dòng)摩擦過(guò)程中所受的機(jī)械損傷和熱損傷。

表4 2 種材料的硬度、 致密度和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果Table 4 Test results of hardness， relative density and thermal conductivity coefficient for two materials

2.3 材料制動(dòng)摩擦磨損性能

2.3.1 平均摩擦因數(shù)和磨損率

由表2 中的制動(dòng)摩擦試驗(yàn)結(jié)果可以看出， 在2 種壓力下， 隨著v0的升高， 2 種材料的平均摩擦因數(shù)均呈現(xiàn)先升高再逐漸下降的趨勢(shì)。 含銅包覆SiO2材料的平均摩擦因數(shù)除了在100 km／h 時(shí)低于含普通SiO2材料外， 均高于含普通SiO2材料。 另外， 含銅包覆SiO2材料的磨損率始終低于含普通SiO2材料， 且v0小于200 km／h 時(shí)更加顯著。

圖4 示出了100 和250 km／h 制動(dòng)速度下2 種材料的平均摩擦因數(shù)和磨損率。 可以看出在2 種壓力下，v0為100 km／h 時(shí)2 種材料的平均摩擦因數(shù)與v0為60 km／h 時(shí)相比均略有升高， 應(yīng)該是由于v0的提升， 使得摩擦副間實(shí)際接觸面積和微突峰嚙合程度增加所引起的［13-15］。 而v0大于100 km／h 時(shí)， 平均摩擦因數(shù)逐漸下降， 這是由于摩擦速度和壓力的升高都會(huì)引起摩擦表面溫度的急劇上升， 從而降低材料力學(xué)性能， 同時(shí)增強(qiáng)其塑性變形能力， 并促進(jìn)摩擦表面形成摩擦膜而起到潤(rùn)滑作用［13］。

圖4 不同v0下2 種材料的平均摩擦因數(shù)和磨損率Fig.4 Average friction coefficient and wear rate of two materials under different braking speeds：（a） p ＝0.4 MPa； （b） p ＝0.8 MPa

從圖4 中還可看出， 在相同的制動(dòng)條件下， 含銅包覆SiO2材料的磨損率始終低于含普通SiO2材料。 這是由于SiO2經(jīng)銅包覆后有效改善了其與基體間界面結(jié)合強(qiáng)度， 基體連續(xù)性顯著增強(qiáng)， 進(jìn)而提高了材料的力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能（見(jiàn)表4）， 因此在相同制動(dòng)條件下， 其表面擁有較低的摩擦溫度和較高的力學(xué)性能， 進(jìn)而減輕了材料的機(jī)械損傷和摩擦熱帶來(lái)的熱損傷， 從而顯著降低了材料磨損［16-17］。

圖4 中還顯示含銅包覆SiO2材料的磨損率和平均摩擦因數(shù)相對(duì)變化較小， 這是由于該材料本身具有較高的力學(xué)性能， 使得其在相同v0下所受的機(jī)械損傷明顯減輕， 且其較高的導(dǎo)熱性能也有利于摩擦副熱量的耗散， 也會(huì)顯著減少材料所受的熱損傷， 且在高速時(shí)材料表面形成的摩擦膜也會(huì)減輕磨損。 因此， SiO2經(jīng)表面金屬包覆處理材料具有更穩(wěn)定的平均摩擦因數(shù)和較低的磨損率。

2.3.2 摩擦表面三維形貌

SiO2表面經(jīng)銅包覆處理后會(huì)顯著增強(qiáng)材料力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能， 會(huì)顯著降低制動(dòng)摩擦條件下材料的磨損率， 因此2 種材料試驗(yàn)后摩擦表面形貌和幾何質(zhì)量等方面也必然存在差異。 圖5 給出了0.8 MPa 壓力下2 種材料分別在100 和250 km／h 下試驗(yàn)后的摩擦表面三維形貌以及表面輪廓線變化情況。

圖5 不同v0下2 種材料摩擦表面三維形貌Fig.5 3D morphologies of friction surfaces of two materials under different braking speeds： （a） material containing Cu-coated SiO2， v0 ＝100 km／h； （b） material containing uncoated SiO2， v0 ＝100 km／h； （c） material containing Cu-coated SiO2， v0 ＝250 km／h； （d） material containing uncoated SiO2， v0 ＝250 km／h

如圖5 所示， 在v0為100 km／h 時(shí)， 與含普通SiO2材料相比， 含銅包覆SiO2材料表面明顯更為平整， 且其表面凹坑和犁溝相對(duì)較淺， 故表面沿箭頭指示方向的輪廓線高度變化相對(duì)較小。 而當(dāng)v0為250 km／h 時(shí)， 2 種材料表面上僅存在輕微的犁溝痕跡，也未發(fā)現(xiàn)明顯的凹坑， 且沿箭頭指示方向表面輪廓線的變化不大， 即表面輪廓線沿箭頭指示方向較為平直， 但含銅包覆SiO2材料的摩擦表面三維形貌更為平整。 上述分析結(jié)果表明， 在相同的制動(dòng)摩擦條件下，含銅包覆SiO2材料摩擦表面的磨損程度明顯低于含普通SiO2材料， 且低速時(shí)更加顯著。

2.4 摩擦表面及磨屑的特征與磨損機(jī)制

2.4.1 摩擦表面特征

圖6 所示為0.8 MPa 壓力下2 種材料分別在100、250 km／h 下制動(dòng)摩擦試驗(yàn)后的摩擦表面形貌。 表5給出了圖6 中區(qū)域A、 B、 C、 D、 E、 F、 G 的能譜分析結(jié)果。

圖6 不同v0下2 種材料的摩擦表面形貌Fig.6 Friction surface morphologies of two materials under different braking speeds： （a） material containing Cu-coated SiO2， v0 ＝100 km／h； （b） material containing uncoated SiO2， v0 ＝100 km／h； （c） material containing Cu-coated SiO2， v0 ＝250 km／h； （d） material containing uncoated SiO2， v0 ＝250 km／h

表5 圖6 中各區(qū)域EDS 掃描結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 單位：%Table 5 EDS scan results of each area in Fig.6 （mass fraction） Unit：%

由圖6 （a）、 （b） 可以看出， 在v0為100 km／h時(shí)， 2 種材料摩擦表面均出現(xiàn)了犁溝， 表現(xiàn)出了明顯的磨粒磨損特征［18］。 同時(shí)， 該速度下2 種材料表面雖然均存在剝落坑， 但含普通SiO2材料表面所形成的剝落坑明顯多且深， 坑內(nèi)也多伴有石墨存在， 如區(qū)域C （其能譜分析結(jié)果見(jiàn)表5）。 而此時(shí)含銅包覆SiO2材料摩擦表面形成的剝落坑少且淺， 其坑內(nèi)也未發(fā)現(xiàn)石墨， 其表面的剝落坑是由于表面發(fā)生了輕微的黏著磨損［19］。 而含普通SiO2材料摩擦表面所形成的剝落坑則主要是由于其自身力學(xué)性能相對(duì)較低， 從而使SiO2和石墨所在位置附近的材料受到外力作用易被從表面剝離所導(dǎo)致， 且該材料此時(shí)發(fā)生了較重的剝層磨損［20-22］。 因此， 該條件下含普通SiO2材料的磨損率明顯高于含銅包覆SiO2材料（見(jiàn)圖4）。 另外， 由圖6 （a） 還可看出， 含銅包覆SiO2材料表面局部已出現(xiàn)了輕微氧化， 如區(qū)域A， 該區(qū)域與該表面其他大部分區(qū)域（如區(qū)域B） 相比， 其顏色明顯較深， 且表5中區(qū)域A、 B 的EDS 分析結(jié)果也顯示， 區(qū)域A 中的O含量明顯較高（氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于25%）， 同時(shí)主要元素Cu 的含量明顯降低， 但此時(shí)制動(dòng)摩擦?xí)r間較短，摩擦表面溫度升高有限， 故氧化區(qū)域面積相對(duì)較小且氧化程度相對(duì)較低。 然而該條件下含普通SiO2材料摩擦表面并未出現(xiàn)氧化現(xiàn)象。

如圖6 （c）、 （d） 所示，v0為250 km／h 時(shí)2 種材料摩擦表面形貌特征與v0為100 km／h 時(shí)相比均發(fā)生了明顯變化， 并且該條件下2 種材料的摩擦表面形貌也存在差異。 與速度為100 km／h 時(shí)相比， 此時(shí)2種材料表面氧化區(qū)域面積明顯增大， 幾乎覆蓋整個(gè)摩擦面， 如區(qū)域E 和G （其能譜分析結(jié)果見(jiàn)表5）； 同時(shí)摩擦表面上非氧化區(qū)域面積大大減小， 故此時(shí)該材料摩擦表面大部分區(qū)域已經(jīng)形成了氧化膜， 這是由于v0的提高加劇了摩擦表面溫升， 又延長(zhǎng)了制動(dòng)時(shí)間，使得摩擦表面發(fā)生了強(qiáng)烈的氧化反應(yīng)［14，23］。

圖6 （c）、 （d） 還顯示含銅包覆SiO2材料摩擦表面的剝落坑僅出現(xiàn)在非氧化區(qū)域， 即黏著磨損僅發(fā)生在非氧化區(qū)內(nèi)， 而氧化區(qū)內(nèi)并未發(fā)生， 表明氧化膜的形成隔離了摩擦副， 可明顯減輕摩擦副間的黏著效應(yīng)， 從而減輕材料磨損。 另外， 含銅包覆SiO2材料表面氧化區(qū)內(nèi)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(shí)還未發(fā)生氧化磨損。 但圖6 （d）中左下側(cè)氧化區(qū)域邊緣有較淺的剝落坑出現(xiàn)，說(shuō)明此時(shí)含普通SiO2材料在該區(qū)域發(fā)生了輕微的氧化磨損。 此外， 2 種材料摩擦表面都出現(xiàn)了犁溝， 但是含銅包覆SiO2材料摩擦表面的犁溝相對(duì)較淺， 應(yīng)該是SiO2表面經(jīng)銅包覆處理后改善了其與基體間界面結(jié)合性能， 進(jìn)而增強(qiáng)基體連續(xù)性， 提高了材料物理及力學(xué)性能， 使得SiO2不易擠出材料表面， 從而減輕了磨粒磨損。

上述分析表明， 制動(dòng)摩擦速度的提高有利于材料表面形成以氧化膜為主的摩擦膜， 但含銅包覆SiO2材料表面的摩擦膜更加均勻、 完整， 且其磨損機(jī)制也是較輕微的黏著磨損和磨粒磨損， 因而所受的磨損程度較輕， 即磨損率較低。

2.4.2 磨屑特征

磨屑特征可進(jìn)一步反映2 種材料摩擦磨損行為的差異。 圖7 示出了0.8 MPa 壓力下2 種材料分別在100、 250 km／h 下制動(dòng)摩擦試驗(yàn)所產(chǎn)生磨屑的SEM 分析結(jié)果， 表6 給出了圖6 中A、 B 區(qū)域能譜分析結(jié)果。 對(duì)于含銅包覆SiO2材料， 當(dāng)v0為100 km／h 時(shí)，如圖7 （a） 所示， 磨屑形狀主要為大顆粒和尺寸較小的薄片狀； 當(dāng)v0為250 km／h 時(shí)， 如圖7 （b） 所示，此時(shí)磨屑主要呈尺寸較大的厚片狀， 且個(gè)別磨屑上還有明顯的氧化痕跡， 如區(qū)域A， 說(shuō)明此時(shí)摩擦表面已有氧化物形成， 這與該條件下摩擦表面的EDS 分析結(jié)果相符（見(jiàn)表6）。 而對(duì)于含普通SiO2材料， 當(dāng)v0為100 km／h 時(shí)， 如圖7 （c） 所示， 磨屑主要呈塊狀，其形狀、 尺寸與同速下含銅包覆SiO2材料相比明顯增加； 當(dāng)v0為250 km／h 時(shí)， 如圖7 （d） 所示， 磨屑呈大的片狀， 且磨屑上也有較明顯的氧化痕跡， 但與同速下的含銅包覆SiO2材料相比， 磨屑上有明顯的裂紋， 可能是由于脆性氧化膜受摩擦力剝落而形成的。區(qū)域B 的EDS 分析結(jié)果也表明， 該區(qū)域O 和Fe 的含量明顯增加， 說(shuō)明該磨屑應(yīng)為脫落的部分氧化膜（見(jiàn)表6）。

圖7 不同v0下2 種材料所產(chǎn)生磨屑的形貌Fig.7 Morphologies of wear debris produced by two materials under different braking speeds： （a） material containing Cu-coated SiO2， v0 ＝100 km／h； （b） material containing Cu-coated SiO2， v0 ＝250 km／h； （c） material containing uncoated SiO2， v0 ＝100 km／h； （d） material containing uncoated SiO2， v0 ＝250 km／h

對(duì)2 種材料不同制動(dòng)條件下所產(chǎn)生的磨屑分析結(jié)果表明， 低速時(shí)， 2 種材料均未形成摩擦膜； 高速時(shí)時(shí)， 2 種材料均會(huì)形成氧化膜， 且含銅包覆SiO2材料未發(fā)生氧化膜脫落的現(xiàn)象， 因而保護(hù)作用更好。

2.4.3 摩擦表面物相

由于2 種材料摩擦表面及磨屑的特征均存在差別， 則二者摩擦表面物相組成也必定有差異。 圖8 所示為0.8 MPa 壓力下2 種材料分別在100、 250 km／h制動(dòng)初速度下試驗(yàn)后摩擦表面的XRD 分析結(jié)果。 可以看出， 當(dāng)v0不同時(shí)， 2 種材料表面物相組成及其衍射峰強(qiáng)度也存在較大變化。 與v0為100 km／h 時(shí)相比，v0為250 km／h 時(shí)， 2 種材料表面均出現(xiàn)了氧化物Fe3O4的衍射峰， 且其主要物相Cu 和α- （Cu， Sn）固溶體的衍射峰強(qiáng)有所降低， 表明此時(shí)材料摩擦表面已經(jīng)形成了氧化膜， 有利于減輕材料表面的磨損。 此外， 當(dāng)速度同為250 km／h 時(shí)， 含銅包覆SiO2材料表面氧化物Fe3O4的衍射峰強(qiáng)度明顯高于含普通SiO2材料， 可知此時(shí)含銅包覆SiO2材料表面生成的氧化物更多， 且其摩擦表面形貌更平整， 表明含銅包覆SiO2材料生成的氧化膜對(duì)材料表面的保護(hù)作用更好。

圖8 不同v0下2 種材料摩擦表面XRD 分析結(jié)果Fig.8 XRD analysis results of friction surfaces for two materials under different braking speeds

3 結(jié)論

（1） SiO2表面金屬包覆處理可有效改善其與銅基體間的界面結(jié)合能力， 并能明顯提高材料的硬度、 致密度和導(dǎo)熱系數(shù)， 可有效減少材料的機(jī)械損傷和摩擦熱帶來(lái)的熱損傷。

（2） 隨著制動(dòng)初速度的提高， 2 種材料的平均摩擦因數(shù)均呈現(xiàn)先升高后逐漸降低的趨勢(shì)； 含銅包覆SiO2材料的磨損率始終低于含普通SiO2材料， 且在v0低于200 km／h 時(shí)， 磨損率降低明顯； 在相同制動(dòng)條件下， 除當(dāng)v0為100 km／h 時(shí)， 含銅包覆SiO2材料的平均摩擦因數(shù)略低于含普通SiO2材料外， 其平均摩擦因數(shù)均高于含普通SiO2材料。 含銅包覆SiO2材料具有較高的摩擦因數(shù)和低的磨損率， 且摩擦表面幾何質(zhì)量也更好。

（3） 提高制動(dòng)摩擦速度和壓力有利于2 種材料摩擦表面形成以氧化膜為主的摩擦膜， 但含銅包覆SiO2材料摩擦表面形成的氧化膜更均勻、 完整， 也未發(fā)生氧化膜脫落現(xiàn)象， 故含銅包覆SiO2材料形成的摩擦膜起到的保護(hù)作用更好。