Cu粉类型对铜基摩擦材料性能的影响

2019-11-06

摘要：分别以电解Cu粉、气雾化Cu粉、水雾化Cu粉等纯Cu粉，锡青Cu粉、黄Cu粉、白Cu粉等合金Cu粉为基体，通过粉末冶金热压烧结的方式，制备了铜基摩擦材料。结果表明，以纯Cu粉为基体的摩擦材料综合性能比要优于合金Cu粉为基体的，其中以电解Cu粉制备的试样在6组试样中，密度最大，为5．46g/cm3，孔隙率最小，为18.14%，硬度（HBW）最高，为23.20；采用雾化Cu粉制备的试样，由于其球形颗粒形状的原因，增加了粉体的表面能和界面能，起到了稳定摩擦、增大摩擦因数的作用，其摩擦因数最大，为0.33；而以合金Cu粉制备的试样，由于基体材料的形状结构不规则，导致材料的结合能力和流动性降低，摩擦后材料变形严重，磨损加剧。

关键词：Cu基粉末冶金；Cu粉种类；摩擦因数；磨损量

粉末冶金摩擦材料也称为烧结金属摩擦材料，主要采用粉末冶金技术，通过对粉末原材料进行配比，粉末混合，压缩成型，加压烧结和后续机械加工处理等，使材料具有较高的强度、耐磨性、耐粘附性和稳定的高摩擦因数。粉末冶金技术按基体成分的不同分为铜基、铁基、铝基、镁基等。目前，日本、法国、德国形成了铁基、铁铜基和铜基粉末冶金摩擦材料体系，而国内时速在300km/h以上的高速列车刹车片仍依赖进口。

铜基粉末冶金摩擦材料因其具有良好的导电性、导热性、耐磨性及在不同干湿度条件下均能保持稳定的摩擦性能的突出特点，被广泛应用于机械制动器中，尤其是在汽车、高铁和航空领域，具有良好的市场前景。

铜基粉末冶金摩擦材料主要是由基体铜、摩擦组元、润滑组元等制备的金属基复合材料，其中作为基体相的Cu粉类型对摩擦材料的综合性能具有显著影响。王晔等分别采用电解Cu粉、氧化铝弥散强化Cu粉和Fe-Co-Cu预合金化Cu粉为基体，采用粉末冶金工艺制备铜基摩擦材料，发现分散在铜基体中的氧化铝陶瓷颗粒起到稳定摩擦和增大摩擦因数的作用，因此该材料表现出良好的摩擦稳定性，然而，脱落后的硬质颗粒增加了材料的磨损量；Fe-Co复合强化的铜基材料由于稳定的氧化膜存在，使得材料呈现出较小且稳定的磨损量。李世鹏以Cu-Sn-Zn、Cu-Sn-Ni、Cu-Sn-Zn-Ni等为研究对象，讨论了Cu-Sn合金基体对材料摩擦磨损行为的影响和机理，发现在Cu-Sn合金基体中添加Zn可以改善材料耐磨性能，同时基体中加Ni比加Zn更有利于改善摩擦材料的综合性能。姚萍屏等也发现在Cu-Sn合金基体中加入少量Zn和Ni可以增大材料的摩擦因数。虽然目前关于不同Cu粉类型对铜基材料摩擦磨损性能的影响有较多研究，然而，关于Zn和Ni在铜基粉末冶金刹车材料中作用的研究不多。本课题以电解Cu粉、气雾化Cu粉、水雾化Cu粉、锡青铜粉、黄铜粉和白铜粉为基体，分别讨论了这6种Cu粉对铜基摩擦材料的摩擦磨损性能的影响，旨在为选择最优的Cu粉作为制动器基体提供参考。

1试验材料及方案

1.1试样制备
试验采用市售的电解Cu粉（>99．0%），以及纯度高于99．5%的气雾化Cu粉、水雾化Cu粉、锡青铜粉（Cu-15.0Sn）、黄铜粉（Cu-40.0Zn）和白铜粉（Cu-18.0Zn-18.0Ni）等6种200目的Cu粉为基体。试验用其他原料：还原性Fe粉（粒度为200目，纯度为99.9%），高碳Cr-Fe（粒度为100目），鳞片石墨（为80目），MoS2（粒度为200目，纯度99.9%），Sn（粒度为200目，纯度为99.9%）。材料成分配比见表1。

1.2 试验方法
通过Ｖ型混料机对原料进行均匀混合后，在ＷaＷ-600微机控制的电液伺服万能试验机上通过模具压制成100mm×200mm试样，成形压力为600MPa，保压时间为60s。压制试样在管式烧结炉中进行烧结，使用N2气作为还原保护气体，烧结温度为950℃，保温2h后随炉冷却。

试样硬度采用320HBS-3000型布氏硬度计测量，载荷为250N，压头为硬质合金钢，直径为10mm，保压30s，每个试样测5次取平均值；采用排水法测定试样的实际密度，同时在材料的表面涂抹上石蜡或凡士林，用于排除表面空隙对试样数据造成的干扰；采用ＸＬ型扫描电镜（SEM）观察试样的显微组织和摩擦形貌。磨损试验在MMW-1a立式万能摩擦磨损试验机上进行，采用针对环法进行摩擦，对磨盘为45钢，试样半径为25mm，在100N载荷、600r/min摩擦转速下摩擦30min。测量出来的摩擦因数图像采用打点法求出摩擦因数的平均值。最后，使用精密电子天平称量试验前后的质量，得到试样的磨损量。

2试验结果与讨论

2.1材料的微观组织
图1为6种试样的SEM照片。黑色相主要是石墨和残余空隙，大片浅色相为铜基体，镶嵌在基体Cu中的深灰色为金属Fe，棱角分明的暗灰色为金属Cr-Fe，Fe粉上分布的黑色点状物质为空隙。从图1可以看出，以电解Cu粉、气雾化Cu粉和水雾化Cu粉为基体的纯Cu的均匀性、连续性以及Cu颗粒之间的界面结合性，优于以锡青铜、黄铜和白铜粉为基体的合金铜，这是由基体颗粒形状决定的，Cu颗粒形状越均匀，Cu颗粒之间的界面越容易结合。


通过对比图1a~图1c可以发现，以电解Cu粉为基体材料中Fe和Cr-Fe在试样中的分布较其他两组更加均匀，这是因为电解Cu颗粒呈树枝状分布，使得基体与硬质颗粒之间的接触面积增大，从而降低材料的孔隙率；以气雾化Cu粉为基体的Cu粉上镶嵌着大颗粒状的Fe和Cr-Fe，这是因为3种Cu粉颗粒的形状不同，而气雾化Cu粉的球形特征使得Fe和Cr-Fe的结合性能增加，同时由于润湿性的差异，使得以气雾化Cu粉为基体的孔隙率增加；以水雾化Cu粉为基体的试样中，鳞片状石墨分布较其他两种更加均匀，硬颗粒和基体之间的结合较紧密。通过比较3组合金Cu可以发现，基体材料的不规则导致鳞片状石墨由层状分布逐渐变得无序，硬质颗粒与金属基体之间结合较差。

2.2材料的物理性能
表2为6种试样基体的密度、孔隙率和布氏硬度。可以看出，以电解Cu粉、气雾化Cu粉、水雾化Cu粉为基体的纯Cu粉的密度和硬度明显高于基于锡青铜粉、黄铜粉和白铜粉的合金Cu粉的密度和硬度。由于纯Cu粉的基体颗粒形状是规则的，而合金Cu粉的基体颗粒形状都是不规则的，而粉末越不规则，颗粒之间的摩擦力也就越大，这也就造成烧结材料的密度降低，孔隙率增大。



对于3组Cu粉来说，电解Cu粉为树枝状微粉，相比较雾化Cu粉的球状特征，由于电解Cu粉颗粒具有良好的成形性能，粉末流动性的增加导致压坯密度增加和孔隙率降低。3组试样的硬度值的变化规律同烧结密度的变化保持一致，随着烧结密度降低，硬度值呈上升趋势。所以，以电解Cu粉为基体的1号试样的密度最高，为5.46g/cm3，孔隙率最小，为18.14%，硬度（HBW）最大，为23.20。

对于3组合金Cu粉来说，在烧结的过程中能够在Sn、Zn、Ni和Cu原子之间发生相互扩散，同时这些合金元素的原子在溶入Cu晶格后可以形成α固溶体。但是，3组Cu粉中含有除Cu以外的其他元素和杂质，而其他元素和杂质并不能和Cu完全互溶，从而产生一定的空隙，以至于以锡青铜为基体的4号试样具有最大的密度，为4．96g/cm3，最小的孔隙率，为25．64%。而3组试样硬度值的变化规律跟密度的变化规律正好相反，这是由于Ni、Zn、Sn等3种元素对于基体都有一定的固溶强化作用，然而，强化效果与固溶度有关，固溶度越大，材料的强度越高。以黄铜粉为基体的5号试样中Zn的含量较高，具有较高的固溶度，导致5号试样的硬度（HBW）最高，为1.84。

2.3材料的摩擦磨损性能
图2为6组试样的摩擦因数和磨损量。可以看出，以电解Cu粉、气雾化Cu粉、水雾化Cu粉为基体的纯Cu粉的摩擦因数明显高于以锡青铜粉、黄铜粉和白铜粉为基体的摩擦因数。对于纯Cu粉来说，以气雾化Cu粉为基体的2号试样具有最大的摩擦因数，为0.33；而对于合金Cu粉来说，以黄铜为基体的5号试样具有最大的摩擦因数，为0.19。


纯Cu粉的摩擦因数明显高于合金Cu粉，主要是因为以合金铜为基体的摩擦材料含有较多的合金元素和杂质，相比于纯Cu粉来说，其在与硬质颗粒的结合过程中对摩擦性能的改善效果不明显。对于3种纯Cu粉而言，由于电解Cu粉为树枝状微粉，试样在摩擦的过程中表面温度迅速升高，发生局部软化使得表面的抗剪切强度降低，因此试样1的摩擦因数最低。雾化Cu粉为球形微粉，在与其他粉体混合以后，雾化Cu基体的冲击韧度高，塑性变形能力较好，所以雾化Cu粉的摩擦因数较高，同时气雾化Cu粉比水雾化Cu粉更加规则，在摩擦的过程中组元之间的结合性能更好，对于Cu基粉末冶金摩擦材料的摩擦性能有更好的改善。而对于3种合金Cu粉而言，根据粘着摩擦和摩擦理论，对于粉末冶金摩擦材料，粘着摩擦因数计算公式为：

式中，μ为摩擦因数；Tb为摩擦材料的抗压强度；σbc为摩擦产生的氧化膜的剪切强度。从上式可以发现，粘着摩擦时摩擦因数与抗压强度成正比，抗压强度与材料的硬度有关，硬度越高抗压强度越大，所以合金Cu粉中5号试样的摩擦因数最大。通过比较6种试样，发现2号试样对改进材料的摩擦因数的影响最明显。

另外，1~3号试样的磨损量呈现先增大后减小的趋势，其中1号试样的磨损量最低，为13mg；而4~6号试样的磨损量则呈现先减小后增大的趋势，其中5号试样的磨损量最低，为11mg。对于6组Cu粉来说，当材料中的硬质点——摩擦组元的含量、粒度、颗粒形状一定时，其耐磨性主要取决于基体夹持硬质点的能力。材料中的力学性能的降低，会导致基体夹持能力的下降，材料在进行摩擦的过程中硬质点就会发生松动或是脱落，加剧磨损，由表2可知，1号试样的硬度最大，所以1号试样的磨损量最小；6号试样的硬度最小，磨损量最大，为19mg。

2．4　材料的摩擦表面形貌
图3为经摩擦磨损后试样的微观形貌及表面特征。可以发现，6组摩擦试样都有不同程度的黑色凹坑的出现，这是由于在交变循环应力作用下，在摩擦材料表面由于疲劳剥落的作用所产生。在图3a中，摩擦表面有划痕以及磨屑产生，此时磨损机制是以磨粒磨损为主，这是因为随着摩擦材料与对磨盘摩擦时间的增加，在摩擦表面产生局部高温，材料基体软化程度增加，塑性变形程度加剧，在与对磨盘摩擦的过程中易于在摩擦表面形成犁沟，导致微凸体易于从摩擦表面脱落形成磨屑。由图3b可以发现，摩擦材料在制动热的作用下产生微裂纹，这是促使气雾化Cu基体磨损量在一定程度上增加的原因。在图3c中，摩擦表面除了有部分磨屑以及凹坑外，磨损表面比较稳定，这也使得以水雾化Cu粉为基体的材料具有比较稳定的摩擦因数。由图3d~图3f可知，3组材料表面裂纹痕迹较明显，经磨损后材料的表面组织被破坏，呈无序状。这主要与3组基体材料的硬度和密度有关。硬度较低、孔隙较大，导致材料在摩擦过程中抗剪切能力降低，耐磨性随之降低。


图4为1号试样经摩擦磨损后的SEM图像及方框区域的EDS能谱分析。从图4a可以看出，经摩擦磨损以后，材料表面出现犁沟以及脱落的现象。通过对方框区域的犁沟进行EDS分析可知，发现除基体成分外，在摩擦表面主要是Cr和Fe元素，它表明在摩擦的过程中对偶材料表面未发生氧化作用，无氧化磨损产生。


3　结　论
（1）以电解Cu粉、气雾化Cu粉、水雾化Cu粉为基体的3组纯Cu粉的微观组织形态、力学性能和摩擦磨损性能均优于以锡青铜粉、黄铜粉和白铜粉为基体的合金Cu粉。其中以电解Cu粉为基体的1号试样，密度最大，为5.46g/cm3，孔隙率最低，为18.14%，硬度（HBW）最大，为23.20。
（2）雾化Cu粉由于其独特的球形颗粒形状，使得摩擦材料的抗剪切能力增强，材料的摩擦因数的稳定性较高，摩擦因数增大，其中以气雾化Cu粉的摩擦因数最大，为0.33，磨损量为19mg。因此，最终确定以气雾化Cu粉作为基体，来提高摩擦材料的摩擦磨损性能。
（3）合金Cu粉由于其形状结构的不规则，影响其摩擦膜的成分、厚度和硬度，导致材料在摩擦过程中裂纹增大，磨损加剧，摩擦因数的稳定性降低。

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