铜基复合材料的摩擦磨损性能

铜基复合材料的摩擦磨损性能

0铜基复合材料的增强体铜基材料具有强度高、电导热好、研磨范围广、耐腐蚀性好等优点。在摩擦、研磨材料、电接触材料和机械零件材料方面发挥着重要作用。f、f。随着铜基复合材料应用的越来越广泛,其对摩擦性能要求越来越高,因此需要不断开发耐磨铜基复合材料。颗粒增强是常见的在提高复合材料整体强度的同时还可以提高其耐磨性的途径,常用的增强颗粒有TiC［３－５］、Al２O３［６］、FeAl［７］、SiC［８］和WC等。石墨作为自润滑材料也是常见的提高铜基复合材料耐磨性的增强体,其本身的结构使得复合材料兼有基体性能和良好的耐磨性。纤维是一种新的增强体,它比传统的颗粒增强体具有更优异的性能,研究较多的纤维增强体是碳纤维、Al２O３纤维［９］、W纤维［１０］、SiC纤维［１１］和B纤维［１２］等。新型的增强体还有碳纳米管,其增强作用与碳纤维增强相比更为明显。1纳米粒子复合的摩擦学性能颗粒增强即在软韧的Cu基体中形成弥散分布的硬质颗粒,既能改善基体的室温和高温性能,又不明显降低基体的导电性,达到导电、强度和耐磨性能综合提高的效果。由于颗粒增强铜基复合材料具有制造成本低、性能优异等优点,其研制和开发日趋广泛［１３］。TiC颗粒硬度高,具有良好的力学性能,是优良的耐磨材料。例如,将Cu-Cr-Zr作为基体材料,与TiC粉末混合制备成TiC弥散强化铜基复合材料,在销盘式摩擦试验机上进行干摩擦磨损实验,结果表明,随着TiC颗粒体积分数的增加复合材料的磨损率先降低后增大,当TiC颗粒体积分数约为3%时磨损率最低［１４］。RajkumarK等［１５］研究了Cu-TiC-C复合材料的摩擦性能,实验用纯铜作为基体,TiC和C作为增强体,利用微波烧结技术制备出了(5%~15%)TiC-(5%~10%)C的铜基复合材料,同时以纯铜试样作对比,在销盘式摩擦试验机上测试两种材料的摩擦性能。结果表明,纯铜磨损量远大于含增强体的复合材料,并且随着TiC和C含量的增加磨损率呈降低趋势。这是由于随着石墨含量的增加,复合材料在摩擦过程中更容易产生石墨磨粒,这些磨粒起到了润滑作用,降低了复合材料的磨损率。而随着TiC含量的增加,复合材料摩擦滑动的初始阶段发生了磨损,这些硬质粒子裸露在磨损表面承载了摩擦载荷,减缓了铜基体的继续磨损。Al２O３也是常见的增强体之一。FathyA等［１６］研究了纳米尺寸的Al２O３颗粒增强铜基复合材料的摩擦磨损性能,实验结果证明,经Al２O３增强的铜基复合材料耐磨性提高,摩擦性能较好。在WC颗粒增强的铜基复合材料上添加适量合金元素可以进一步改善原有复合材料的摩擦性能。EunjiHong等［１７］分别制备了含铟和不含铟的WC颗粒增强铜基复合材料,并对其进行摩擦磨损实验,结果证明铟的固溶减小了复合材料的摩擦系数,尤其在较高的滑动位移下,减磨效果更为明显。La２O３的加入同样可以提高铜材料的耐磨性能,用粉末冶金法内氧化生成Cu-La２O３复合材料,其耐磨性能高于不含La２O３的纯铜材料［１８］,并且在适当含量范围内随着La２O３含量的增加磨损量下降。2纳米石墨材料的摩擦学性能在金属基体中加入固体自润滑材料可提高材料的摩擦磨损性能［１９，２０］,而石墨由于其本身具有良好的自润滑作用、稳定的化学性质、良好的导电性,以及不易与铜或铜基体中含有的常见的锡和铅等元素反应等特性,在铜基自润滑材料中应用广泛［２１，２２］。铜-石墨类材料广泛用于低电压直流发电机、汽车起动机,以及传导电流和传输信号的滑动接触点等［２３］。由于石墨的自润滑作用,铜-石墨复合材料的摩擦系数比纯基体要小。在一定含量范围内,适量的石墨有助于提高铜基复合材料的耐磨性能,减小其摩擦系数,并且随着石墨含量的增加摩擦系数逐渐降低,磨损率也逐渐减小;超过临界值,磨损率随石墨含量的增加呈增高趋势［２４］。焦明华等［２５］以青铜合金粉作为复合材料的基体,石墨作为固体润滑组元,适量添加镍和铁等合金元素制备了镀镍石墨铜基复合材料,探究了其摩擦磨损性能。试样采用粉末冶金复压复烧工艺制备,在室温和干摩擦条件下进行实验。结果表明,随着载荷增加,复合材料的磨损率逐渐增大,而摩擦系数受到的影响较小。当载荷小于40N时,其摩擦系数随载荷增加而逐渐减小,磨损率缓慢增加;当载荷大于40N时,石墨含量为6%的镀镍复合材料摩擦系数逐渐增大而且磨损率增幅较快。继续增加载荷至60N时复合材料磨损率仍然较低,其摩擦系数也处于较低(0.23)水平。该实验证明石墨的添加显著提高了铜基复合材料的摩擦性能。在石墨自润滑铜基复合材料的基础上添加MoS２等化合物,并在室温下测试这种含石墨和MoS２的铜锡自润滑材料的干摩擦磨损性能,结果表明石墨的加入有效地减小了复合材料的摩擦系数,尤其当石墨体积分数为40%时复合材料的摩擦系数达到最小值(0.15)。而随着MoS２体积分数的增加复合材料的磨损率也呈进一步降低趋势。铜-石墨-MoS２是典型的滑动电接触材料［２６］,由于MoS２的电阻率高、导电性能差,同时石墨、MoS２较软,可能导致电接触材料的承载能力和耐磨性差,而滑动电接触材料的工作环境是大电流,会产生电火花,使温度升高,吸附在表面的水分挥发,破坏了表面膜的完整性,造成磨粒磨损,因此需要进一步优化和改良铜-石墨-MoS２复合材料。刘元等［２７］用纳米NbSe２材料与青铜粉配制成含纳米NbSe２质量分数分别为5%、10%、15%、20%的复合材料,并采用球盘式接触摩擦形式测试其摩擦性能。结果表明,纳米NbSe２的质量分数为5%时,摩擦系数显著降低并且比较稳定,基本不随载荷的变化而变化,并且纤维状纳米NbSe２表现出比片层状纳米NbSe２材料更好的减磨效果;当纤维状纳米NbSe２的质量分数为15%时,复合材料表现出的减磨效果最佳。3碳纤维增强对复合材料耐久性的影响最常用的增强纤维是碳纤维,碳纤维具有高比强度、高比模量、高的导热和导电性以及低的热膨胀系数［２８］,此外,碳纤维缺陷数量少、比表面积大、结构致密,并且有自润滑作用,已被广泛应用于电子元件材料、滑动材料及耐磨器件等领域。碳纤维在铜基复合材料中的主要作用是承受载荷,减少磨损,而铜基的作用是承受部分载荷并将载荷传递给碳纤维。其摩擦磨损的基本过程为:较软的基体先磨损,硬质纤维逐渐突出并承受大部分载荷,纤维本身的耐磨性较好,且其大部分表面又受到基体的保护而不易受到损伤,形成纤维的露头,从而保护基体。在摩擦力的作用下碳纤维变成微小的碳颗粒,涂覆在磨损面上,起到了一定的自润滑作用。龙卧云等［２９］的实验发现,在干摩擦条件下,随着碳纤维含量的增加,碳纤维增强铜基复合材料的磨损量下降,耐磨性提高,纤维含量小于5%时,耐磨性提高很明显,纤维含量大于5%时,耐磨性随碳纤维含量的增加增幅不明显［３０］。唐谊平等采用新的电镀技术在短碳纤维上镀铜,之后用冷压烧结工艺制备出了耐磨性能较好的短碳纤维增强的铜基复合材料。实验在干摩擦条件下进行,随着纤维含量的增加,摩擦系数和磨损量明显下降,如表1所示［３１］,说明碳纤维的加入提高了材料的耐磨性。通过对磨损表面形貌的分析可以判断碳纤维的加入能有效地阻碍基体变形,这是由于碳纤维具有高温稳定性,可以阻碍基体软化。DingT等［３２］在探究电流强度和温度对碳纤维增强铜基复合材料摩擦磨损性能的影响时发现,在没有电流的情况下,试样进行摩擦磨损试验时的温度开始上升迅速,然后逐渐上升并维持在38℃左右,摩擦系数随着温度的上升而增大;在有电流的情况下,温度随着电流的增加而上升,温度上升幅度随电流增强幅度增大而增大,并且摩擦系数也随着电流增加而增大。碳纤维的磨损主要是热磨损和电弧侵蚀造成的,电弧放电比温度上升对碳纤维磨损量具有更大的影响。多种增强体增强金属基复合材料比单一增强体复合材料具有更连续的优异性能［３３］,因此将颗粒增强与碳纤维增强结合也能达到良好效果。研究表明［３４］,镀铜Ti３SiC２和碳纤维增强的铜-石墨复合材料的摩擦磨损性能优于未镀铜Ti３SiC２和碳纤维增强的复合材料。通过比较得出,用2%的镀铜Ti３SiC２、1%的碳纤维代替铜-石墨复合材料中的部分石墨后,复合材料的耐磨性最好。夏龙等［３５］在研究碳纤维增强Cu-Sn-Zn基复合材料和ZQSn663锡青铜在干摩擦条件下的摩擦性能时发现,碳纤维增强Cu-Sn-Zn基复合材料的磨损率和摩擦系数远远低于ZQSn663锡青铜,当碳纤维体积分数为12%时,复合材料的磨损率达到最低值,说明碳纤维的加入提高了材料的耐磨性。4碳纳米管对复合材料摩擦系数的影响碳纳米管同样具有强度高、弹性模量大、减磨耐磨性优良、导电导热性好和自润滑性优良等特性［３６］,其吸波能力也强,可达吉赫兹水平［３７］。与碳纤维相比碳纳米管的性能更为优良,可能是目前比强度和比刚度最高的材料［３８－４０］。LinCB等［４１］研究了体积分数分别为5%、10%、15%、20%的经真空烧结的碳纳米管增强铜基复合材料的摩擦磨损性能。结果表明,随着碳纳米管含量的减少,复合材料的摩擦系数呈增加趋势,当碳纳米管的含量在10%~15%范围内时复合材料的磨损率达到最低水平,意味着在这个范围内材料的磨损性能最为优异。将体积分数为10%的碳纳米管增强铜基复合材料和纯铜块体试样在销盘式摩擦试验机上测试摩擦磨损性能,结果表明［４２］,载流条件下碳纳米管能明显提高铜基复合材料的摩擦磨损性能,电流对纯铜的摩擦磨损性能的影响要比对碳纳米管增强铜基复合材料的影响明显得多,如图1所示。当碳纳米管直径增大到24~76nm,长度增加到几微米时,通过比较微波烧结的不同体积分数(5%、10%、15%和20%)碳纳米管的铜基复合材料发现［４３］,复合材料表现出了比纯铜高出4~5倍的抗磨损能力。碳纳米管体积分数从5%增加到15%的过程中,复合材料摩擦系数减小,而碳纳米管体积分数超过15%时复合材料摩擦系数随着碳纳米管体积分数的增加而增加,当达到20%时随着载荷的增加磨损率急剧增加。放电等离子烧结的碳纳米管增强材料的摩擦性能比未增强的铜材高3倍。这种强化效果归结于碳纳米管在铜基体中的均匀分布、与铜基体良好的界面结合以及铜基体相对较高的密度［４４］。由于放电等离子烧结成本较高,而微波烧结成本相对较低,因此微波烧结使用比较广泛。5铜基复合材料的研究方向铜基复合材料作为一种新型材料,已引起国内外众多学者的关注,但是依然存在一些尚不成熟的问题。目前增强铜基复合材料的制备工艺已多样化,但有些工艺并不适合规模化工业生产,如何选择最经济的制备方法,研究出真正适合于工业化生产的耐磨铜基复合材料,将是今后的主要研究方向。从碳纤维(碳纳米管)增强铜基复合材料的研究现状来看,今后对其研究将主要侧重于进一步简化工艺,降低成本,探讨碳纤维