SiC_pCu復合材料摩擦磨損行為研究
SiG/Cu復合材料摩擦磨損行為研究湛永鐘，張國定（上海交通大學金屬基復合材料重點實驗室，上海200030）察了復合材料在干摩擦條件下同GCr15鋼對摩時的摩擦磨損性能；采用掃描電子顯微鏡觀察分析了復合材料磨損表面和截面形貌；采用X射線能量色散譜儀分析了復合材料磨損表面元素組成。結果表明，SiC顆粒作為增強相可以起到承載作用、減輕基體同偶件之間的粘著作用以及使基體產生塑性變形，從而顯著改善復合材料的耐磨性能。但由于硬質SC顆粒的犁削作用以及復合材料磨損表面高硬度機械混合層的形成，同Cu基體相比，復合材料的摩擦系數有所增大。SiCp/Cu復合材料主要呈現磨粒磨損和源于亞表層裂紋擴展的剝層磨損特征，其磨損表面形成的富Fe機械混合層對改善復合材料的耐磨性能具有重要影響。
為了滿足電子、航天及汽車等高新技術領域的發展需要，必須加強具有優良綜合性能的新型材料的研制開發工作。顆粒增強金屬基復合材料具有良好的耐磨性能和高溫力學性能，且制備工藝簡單成本較低，因此近年來得到了迅速發展。顆粒增強銅基復合材料既可發揮銅良好的導電導熱性能和耐蝕性，又可因增強顆粒的引入而具備更好的力學性能和耐磨性能，可望作為具有良好導電導熱和耐磨性的功能材料得到廣泛應用。但目前關于顆粒增強銅基復合材料摩擦磨損行為的研究報道較少，難以滿足其應用推廣需要。為此，本文作者采用粉末冶金結合熱擠壓工藝制/Cu復合材料，并探討了該復合材料的摩擦磨損性能。
1實驗部分試驗所用基體原料為粒度小于48m純度高于99.7%的電解銅粉；增強物SiC顆粒平均尺寸分別為25Mm，7.0Mm14.0Mm20.0Mm和40.0Mm，對于平均直徑14.0Mm的SiC，分別按體積分數5%，10%，15%，20%與電解銅粉進行配比；在10%的體積分數下，分別采用SiC作為增強物制備復合材料；同時采用同樣工藝參數制備純銅樣品以進行對比分析。將不同比例的電解銅粉和SC在高速球磨機內混合均勻后冷壓成坯，然后在820°C的分解氨氣氛中燒結，后熱擠壓成型。
在MM-200型摩擦磨損試驗機上進行干摩擦磨損試驗，復合材料塊試樣的尺寸為6mriK7mriK16mm，試驗前將其7mnK16mm的工作面用800砂紙打磨至表面粗糙度2. 0Mm，并用丙酮超聲清洗；偶件為40mm的GCr15鋼環（硬度62±2HRC）；試驗條件：滑動速度0.42m/s，載荷20N和2-90測定復合材料試塊的磨痕寬度，并轉換為磨損體積損失和磨損率。采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察復合材料磨損表面形貌和亞表層組織，用X射線能量色散譜儀分析磨損表面元素組成，用FischerScope力學探針測量機械混合層及復合材料的顯微硬度。
2結果與討論2.1SiC含量對復合材料摩擦磨損性能影響表1列出了不同SC顆粒含量的復合材料的宏觀硬度?？梢婋S著SiC顆粒含量增加，復合材料的宏觀硬度有所提高。
示出了復合材料磨損率隨SiCp體積分數變化的關系曲線以及摩擦系數隨滑動距離變化的關系曲線?？梢钥闯觯琒Cp/Cu復合材料的磨損率明顯比Cu的低，且隨著SC含量的增加，復合材料的磨損率逐漸降低，這同其相應的硬度變化趨勢數。
表1不同SiC顆粒含量復合材料的宏觀硬度Table1Macro-hardnessof恰好相反。此外，在相對較高的載荷下，SiC增強相抗磨效果更好。另一方面，盡管引入SiCp增強相使得摩擦系數有所增大，但復合材料的摩擦系數隨滑動距離的增加變化平緩，而Cu基體的摩擦系數則隨滑動距離的增加而緩慢增大，且當滑動距離超過1示出了Cu及10%SiC~Cu復合材料的磨損表面形貌SEM照片?？梢钥闯觯冦~試樣磨損表面呈現嚴重粘著和塑性變形跡象，并存在粘著剝落坑；而SCp/Cu復合材料磨損表面的粘著和塑性變形跡象較輕微，并存在平行于滑動方向的犁削溝槽見（b），呈現磨粒磨損特征。
示出了復合材料磨損表面元素組成的EDAX圖譜?？梢姵龔秃喜牧媳旧砗械腃uSi及C等元素之外，復合材料磨損表面還富含Fe和0，這說明偶件表面的Fe通過氧化作用而轉移到了復合材料磨損表面。銅與鋼的粘著作用較強，在鋼環的反復碾壓和犁削作用下，Cu的磨損次表層產生較大的應變梯度，并通過裂紋形核、擴展而引發剝層磨損，進而導致銅的片狀剝落并形成大塊片狀磨屑，因此純銅試樣磨損率較大。反復的摩擦作用還導致樣品表面的溫度逐漸升高，使得銅試樣磨損表面發生軟化和塑性變形。而SC顆粒增強相能提高復合材料的流變應力，減輕塑性變形，從而有利于提高復合材料的抗磨性能。同時，高溫穩定性良好的SC顆粒增強相可使后，Cu的系數相繼超過2種復合丨材丨料的摩擦系趾合材料在較高溫度下仍保持較高的強度遵而減輕其同鋼環的粘著作用，這也有利于提高復合材料的抗磨性能。
2.2SiC粒度對磨損性能的影響示出了不同粒度SiC顆粒增強銅基復合材料的磨損率隨SC顆粒粒度變化的關系曲線?？梢姡涸?0N載荷下，隨著SC顆粒尺寸增大，復合材料的磨損率逐漸降低；當載荷增大至70N時，復合材料的磨損率先隨SC粒度增大逐漸減小，當SC平均直徑達到40.0m時，其磨損率則有所增大。從其磨損表面形貌的SEM照片觀察發現：以粒度較?。?5卜m）的SC顆粒作為增強相的復合材料磨損表面存在邊跡象；而SiC粒度較大（2Q0Mm）的復合材料磨損表面犁溝較淺且不連續，塑性變形程度較輕小顆粒sc鑲嵌于基體中的深度較小，在偶件表面微突體的犁削作用下較易隨基體一起發生犁削脫落并形成磨屑，復合材料磨屑可粘附于鋼環表面，從而使鋼復合材料之間的摩擦在一定程度上轉變為復合材料復合材料之間的摩擦，結果使得摩擦副接觸表面之間的粘著傾向加強，不利于形成連續的機械混合層（MML），因而磨損率偏高。隨著增強顆粒粒度的增大，其鑲嵌于基體的深度增加，對基體的保護作用以及抵抗偶件表面犁削作用的能力加強，因而耐磨性得以提高。然而，顆粒的臨界缺陷尺寸與其直徑成正比，在同樣的載荷條件下大顆粒發生開裂的可能性更大，反而使其承載能力降低；而開裂脫落的SC顆粒進入摩擦副接觸表面可引起三體磨損。因此，在較高載荷下，較大顆粒SC（40.0m）增強復合材料耐磨性能反而有所降低。
23復合材料的磨損機理在相對滑動過程中，復合材料表層在偶件表面微突體的犁削作用下可以發生犁削脫落，暴露于復合材沿―較深滕續的犁溝并呈現的塑性c變形表面的硬質函C顆在法向喊作用下使偶―環表面被犁削，并產生富鐵微粒。這些富鐵微粒同復合材料磨屑在摩擦副接觸表面之間混合，并在外力的反復作用下被壓緊，從而在復合材料表面形成致密、富鐵的紅褐色層狀機械混合層。SCp/Cu復合材料同GCr15鋼在干摩擦條件下對摩時的機械和熱效應較強，從偶件及復合材料表面脫落的Fe或Cu微粒可以被氧化，因此MML中的Fe和Cu可能以單質或氧化物形態存在。示出了SiCp/Cu復合材料磨損剖/Cu復合材料磨損剖面組織形貌SEM照片隨咨C顆粒尺寸的增大而逐漸提高當顆粒度4lishg面組織形貌SEM照片。可見磨損表面存在厚度不一的機械混合層。顯微硬度測試結果表明，在70N載荷下，含1（%SC的復合材料試樣表面機械混合層的硬度高達4.2GPa，相當于復合材料本身顯微硬度的5倍左右。機械混合層使得復合材料4鋼之間的接觸轉變為MML4M的接觸，從而顯著改善復合材料的耐磨性能。根據歷8此7等建立的穩態摩擦模型，摩擦系數與磨損表層的剪切強度成正比。在穩態磨損階段，復合材料表面形成了硬度及剪切強度很高的MML層，因而摩擦系數增大。
SiQ，/Cu復合材料中的SiC增強體同Cu基體間的界面結合較弱，當亞表層區域在法向載荷和切向剪切力作用下產生較大應力時，裂紋將擇優在界面處形核、擴展，導致界面脫粘，進而導致SiC顆粒脫落；而裂紋可以擴展至周圍基體中并同相鄰的裂紋連通，而當裂紋擴展至磨損表面則可引發大塊片狀磨屑脫落。另一方面，MML內部或MML同基底復合材料間結合較弱的區域在切向力反復作用下可因裂紋擴展而呈片狀剝落，脫落的SiC顆?；蚝琒C的片狀磨屑則可導致磨粒磨損。
3結論隨著SiC含量的增加，復合材料的抗咬合性能提高。
在較低載荷下，復合材料的耐磨性能隨SC顆粒尺寸的增大而提高；在較高載荷下，復合材料的耐磨性能40.0m時，其耐磨性能反而有所降低。
SiC顆粒作為增強相可以起到承載作用，減輕基體同偶件之間的粘著作用及基體的塑性變形，從而顯著改善復合材料的耐磨性能。
SCp/Cu復合材料在干摩擦下同GCr15鋼對摩時主要呈現磨粒磨損和源于亞表層裂紋擴展的剝層磨損特征；SiCp/Cu復合材料磨損表面形成富Fe機械混合層有利于改善復合材料的耐磨性能。
更多信息請關注復合材料信息網www.lzzz.net
為了滿足電子、航天及汽車等高新技術領域的發展需要，必須加強具有優良綜合性能的新型材料的研制開發工作。顆粒增強金屬基復合材料具有良好的耐磨性能和高溫力學性能，且制備工藝簡單成本較低，因此近年來得到了迅速發展。顆粒增強銅基復合材料既可發揮銅良好的導電導熱性能和耐蝕性，又可因增強顆粒的引入而具備更好的力學性能和耐磨性能，可望作為具有良好導電導熱和耐磨性的功能材料得到廣泛應用。但目前關于顆粒增強銅基復合材料摩擦磨損行為的研究報道較少，難以滿足其應用推廣需要。為此，本文作者采用粉末冶金結合熱擠壓工藝制/Cu復合材料，并探討了該復合材料的摩擦磨損性能。
1實驗部分試驗所用基體原料為粒度小于48m純度高于99.7%的電解銅粉；增強物SiC顆粒平均尺寸分別為25Mm，7.0Mm14.0Mm20.0Mm和40.0Mm，對于平均直徑14.0Mm的SiC，分別按體積分數5%，10%，15%，20%與電解銅粉進行配比；在10%的體積分數下，分別采用SiC作為增強物制備復合材料；同時采用同樣工藝參數制備純銅樣品以進行對比分析。將不同比例的電解銅粉和SC在高速球磨機內混合均勻后冷壓成坯，然后在820°C的分解氨氣氛中燒結，后熱擠壓成型。
在MM-200型摩擦磨損試驗機上進行干摩擦磨損試驗，復合材料塊試樣的尺寸為6mriK7mriK16mm，試驗前將其7mnK16mm的工作面用800砂紙打磨至表面粗糙度2. 0Mm，并用丙酮超聲清洗；偶件為40mm的GCr15鋼環（硬度62±2HRC）；試驗條件：滑動速度0.42m/s，載荷20N和2-90測定復合材料試塊的磨痕寬度，并轉換為磨損體積損失和磨損率。采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察復合材料磨損表面形貌和亞表層組織，用X射線能量色散譜儀分析磨損表面元素組成，用FischerScope力學探針測量機械混合層及復合材料的顯微硬度。
2結果與討論2.1SiC含量對復合材料摩擦磨損性能影響表1列出了不同SC顆粒含量的復合材料的宏觀硬度?？梢婋S著SiC顆粒含量增加，復合材料的宏觀硬度有所提高。
示出了復合材料磨損率隨SiCp體積分數變化的關系曲線以及摩擦系數隨滑動距離變化的關系曲線?？梢钥闯觯琒Cp/Cu復合材料的磨損率明顯比Cu的低，且隨著SC含量的增加，復合材料的磨損率逐漸降低，這同其相應的硬度變化趨勢數。
表1不同SiC顆粒含量復合材料的宏觀硬度Table1Macro-hardnessof恰好相反。此外，在相對較高的載荷下，SiC增強相抗磨效果更好。另一方面，盡管引入SiCp增強相使得摩擦系數有所增大，但復合材料的摩擦系數隨滑動距離的增加變化平緩，而Cu基體的摩擦系數則隨滑動距離的增加而緩慢增大，且當滑動距離超過1示出了Cu及10%SiC~Cu復合材料的磨損表面形貌SEM照片?？梢钥闯觯冦~試樣磨損表面呈現嚴重粘著和塑性變形跡象，并存在粘著剝落坑；而SCp/Cu復合材料磨損表面的粘著和塑性變形跡象較輕微，并存在平行于滑動方向的犁削溝槽見（b），呈現磨粒磨損特征。
示出了復合材料磨損表面元素組成的EDAX圖譜?？梢姵龔秃喜牧媳旧砗械腃uSi及C等元素之外，復合材料磨損表面還富含Fe和0，這說明偶件表面的Fe通過氧化作用而轉移到了復合材料磨損表面。銅與鋼的粘著作用較強，在鋼環的反復碾壓和犁削作用下，Cu的磨損次表層產生較大的應變梯度，并通過裂紋形核、擴展而引發剝層磨損，進而導致銅的片狀剝落并形成大塊片狀磨屑，因此純銅試樣磨損率較大。反復的摩擦作用還導致樣品表面的溫度逐漸升高，使得銅試樣磨損表面發生軟化和塑性變形。而SC顆粒增強相能提高復合材料的流變應力，減輕塑性變形，從而有利于提高復合材料的抗磨性能。同時，高溫穩定性良好的SC顆粒增強相可使后，Cu的系數相繼超過2種復合丨材丨料的摩擦系趾合材料在較高溫度下仍保持較高的強度遵而減輕其同鋼環的粘著作用，這也有利于提高復合材料的抗磨性能。
2.2SiC粒度對磨損性能的影響示出了不同粒度SiC顆粒增強銅基復合材料的磨損率隨SC顆粒粒度變化的關系曲線?？梢姡涸?0N載荷下，隨著SC顆粒尺寸增大，復合材料的磨損率逐漸降低；當載荷增大至70N時，復合材料的磨損率先隨SC粒度增大逐漸減小，當SC平均直徑達到40.0m時，其磨損率則有所增大。從其磨損表面形貌的SEM照片觀察發現：以粒度較?。?5卜m）的SC顆粒作為增強相的復合材料磨損表面存在邊跡象；而SiC粒度較大（2Q0Mm）的復合材料磨損表面犁溝較淺且不連續，塑性變形程度較輕小顆粒sc鑲嵌于基體中的深度較小，在偶件表面微突體的犁削作用下較易隨基體一起發生犁削脫落并形成磨屑，復合材料磨屑可粘附于鋼環表面，從而使鋼復合材料之間的摩擦在一定程度上轉變為復合材料復合材料之間的摩擦，結果使得摩擦副接觸表面之間的粘著傾向加強，不利于形成連續的機械混合層（MML），因而磨損率偏高。隨著增強顆粒粒度的增大，其鑲嵌于基體的深度增加，對基體的保護作用以及抵抗偶件表面犁削作用的能力加強，因而耐磨性得以提高。然而，顆粒的臨界缺陷尺寸與其直徑成正比，在同樣的載荷條件下大顆粒發生開裂的可能性更大，反而使其承載能力降低；而開裂脫落的SC顆粒進入摩擦副接觸表面可引起三體磨損。因此，在較高載荷下，較大顆粒SC（40.0m）增強復合材料耐磨性能反而有所降低。
23復合材料的磨損機理在相對滑動過程中，復合材料表層在偶件表面微突體的犁削作用下可以發生犁削脫落，暴露于復合材沿―較深滕續的犁溝并呈現的塑性c變形表面的硬質函C顆在法向喊作用下使偶―環表面被犁削，并產生富鐵微粒。這些富鐵微粒同復合材料磨屑在摩擦副接觸表面之間混合，并在外力的反復作用下被壓緊，從而在復合材料表面形成致密、富鐵的紅褐色層狀機械混合層。SCp/Cu復合材料同GCr15鋼在干摩擦條件下對摩時的機械和熱效應較強，從偶件及復合材料表面脫落的Fe或Cu微粒可以被氧化，因此MML中的Fe和Cu可能以單質或氧化物形態存在。示出了SiCp/Cu復合材料磨損剖/Cu復合材料磨損剖面組織形貌SEM照片隨咨C顆粒尺寸的增大而逐漸提高當顆粒度4lishg面組織形貌SEM照片。可見磨損表面存在厚度不一的機械混合層。顯微硬度測試結果表明，在70N載荷下，含1（%SC的復合材料試樣表面機械混合層的硬度高達4.2GPa，相當于復合材料本身顯微硬度的5倍左右。機械混合層使得復合材料4鋼之間的接觸轉變為MML4M的接觸，從而顯著改善復合材料的耐磨性能。根據歷8此7等建立的穩態摩擦模型，摩擦系數與磨損表層的剪切強度成正比。在穩態磨損階段，復合材料表面形成了硬度及剪切強度很高的MML層，因而摩擦系數增大。
SiQ，/Cu復合材料中的SiC增強體同Cu基體間的界面結合較弱，當亞表層區域在法向載荷和切向剪切力作用下產生較大應力時，裂紋將擇優在界面處形核、擴展，導致界面脫粘，進而導致SiC顆粒脫落；而裂紋可以擴展至周圍基體中并同相鄰的裂紋連通，而當裂紋擴展至磨損表面則可引發大塊片狀磨屑脫落。另一方面，MML內部或MML同基底復合材料間結合較弱的區域在切向力反復作用下可因裂紋擴展而呈片狀剝落，脫落的SiC顆?；蚝琒C的片狀磨屑則可導致磨粒磨損。
3結論隨著SiC含量的增加，復合材料的抗咬合性能提高。
在較低載荷下，復合材料的耐磨性能隨SC顆粒尺寸的增大而提高；在較高載荷下，復合材料的耐磨性能40.0m時，其耐磨性能反而有所降低。
SiC顆粒作為增強相可以起到承載作用，減輕基體同偶件之間的粘著作用及基體的塑性變形，從而顯著改善復合材料的耐磨性能。
SCp/Cu復合材料在干摩擦下同GCr15鋼對摩時主要呈現磨粒磨損和源于亞表層裂紋擴展的剝層磨損特征；SiCp/Cu復合材料磨損表面形成富Fe機械混合層有利于改善復合材料的耐磨性能。
更多信息請關注復合材料信息網www.lzzz.net
