趙麗紅，黃 雨，麻日來，呂振林

(1.江西銅業(yè)集團(tuán)(德興)建設(shè)有限公司，江西德興 334224;2.江西銅業(yè)集團(tuán)

(德興)鑄造有限公司，江西 德興 334224;3.西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

1 引言

銅及銅合金優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和摩擦磨損性能使其成為了應(yīng)用廣泛的導(dǎo)電、摩擦材料，尤其是作為載流條件下的摩擦材料。然而，因純銅的強(qiáng)度和硬度都較低，在通常的摩擦條件下，其耐磨性能不是很好。強(qiáng)化銅的手段主要有兩種，一是合金化(大多數(shù)銅的強(qiáng)化都是采用此方法)，一是復(fù)合化，通過顆粒、纖維與銅復(fù)合提高銅的強(qiáng)度和硬度。常用的顆粒增強(qiáng)相有碳化物、氮化物、硼化物等［1－4］。硅化物(主要有 MoSi2、Mo5Si3、Mo3Si等三種)兼有金屬和陶瓷的雙重特性，具有較高的硬度、強(qiáng)度和彈性模量、良好的高溫抗氧化性、抗腐蝕性和導(dǎo)電性能［5－6］。因此將硅化鉬作為增強(qiáng)相引入到銅基體中，在提高銅基體強(qiáng)度和降低磨損的同時(shí)，又不過大降低其導(dǎo)電性能［7］，這對銅材料用于摩擦副材料，尤其是載流條件下的摩擦副材料的研究和應(yīng)用具有重要意義。本文研究了液相燒結(jié)制備的Mo5Si3/Cu復(fù)合材料與正火態(tài)45#鋼對摩的摩擦磨損性能，考察了增強(qiáng)相含量和接觸載荷對Mo5Si3/Cu復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)方法

原料采用電解Cu粉 (80μm，純度99%)和MoSi2粉 (80μm，純度 ＞99%)。將原料按 MoSi2質(zhì)量比4%、8%、12%、16%、20%的配比球磨混合4h后裝入直徑為20mm的模具中，在20MPa壓力下壓制成坯體。坯體經(jīng)過干燥后 (60℃，4h)后放入可控氣氛燒結(jié)爐中在1250℃氮?dú)獗Ｗo(hù)下燒結(jié)2小時(shí)。然后隨爐冷卻至室溫。在XRD－7000型X－射線衍射儀測試分析材料的相組成。銅基復(fù)合材料的金相組織在XJB－1型金相顯微鏡上觀察。銅基復(fù)合材料的硬度 (布氏硬度，HB)在HB－3000型布氏硬度計(jì)上測定。

銅基復(fù)合材料的摩擦磨損性能在銷盤式MPX－2000型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上測定，銷試樣為銅基復(fù)合材料，尺寸為4 mm×4 mm×15mm，并以純銅銷試樣進(jìn)行對比試驗(yàn)。盤試樣為正火態(tài)45鋼，尺寸為Φ30×5mm。試驗(yàn)條件為:法向載荷20N、滑動(dòng)速度 1.324m/s，室溫干摩擦，試驗(yàn)時(shí)間30min。在達(dá)到穩(wěn)定磨損狀態(tài)后測量摩擦系數(shù)，采用精度為0.1mg的電子天平測定試樣磨損前后的質(zhì)重，進(jìn)而計(jì)算出銅基復(fù)合材料的質(zhì)量損失量。磨損率以單位時(shí)間的質(zhì)量損失量來表示。摩擦系數(shù)和磨損量取3次重復(fù)試驗(yàn)的平均值。在JSM－6700F場發(fā)射掃描電子顯微鏡 (SEM)上觀察分析銅基復(fù)合材料的磨損表面形貌。

3 結(jié)果與討論

3.1 復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)及硬度

制備的銅基復(fù)合材料的相組成如圖1所示。從中可見，XRD衍射圖譜中出現(xiàn)了Mo5Si3和Cu的衍射峰而沒有MoSi2的衍射峰，這表明了原料中加入的MoSi2在燒結(jié)的過程中轉(zhuǎn)變成了Mo5Si3。對其組織觀察可見，Mo5Si3增強(qiáng)顆粒 (深灰色)比較均勻地彌散分布在銅基體 (淺灰色)中，形狀不規(guī)則，邊界線曲折不平，且增強(qiáng)顆粒與銅基體之間的界面清晰，同時(shí)存在黑色物，如圖2所示。尺寸大些的黑色物為燒結(jié)時(shí)留下的孔洞，而尺寸小些的且在Mo5Si3粒子周圍的則為SiO2，對其進(jìn)行的能譜測試結(jié)果如表1所示。

圖1 液相燒結(jié)銅基復(fù)合材料XRD圖譜

圖2 Cu/Mo5Si3復(fù)合材料的金相組織

表1 能譜分析結(jié)果

燒結(jié)過程中，首先充填氫氣排除爐內(nèi)的空氣，然后再充入氮?dú)膺M(jìn)行氣氛保護(hù)燒結(jié)，即使這樣也不能使空氣完全排除，殘留的氧在燒結(jié)過程中按照反應(yīng)式(1)與 MoSi2反應(yīng)生成了 Mo5Si3和 SiO2［8］，且在該反應(yīng)式在 600℃時(shí)的自由能為 －78322.9kJ/mol［9］，隨著溫度的升高，該反應(yīng)自由能負(fù)值還會(huì)增大，因此高溫下該反應(yīng)是可以自法進(jìn)行的。此外在液態(tài)銅的作用下，MoSi2也會(huì)被液態(tài)銅奪去Si而分解成Mo5Si3，Si則固溶于銅基體中。所以燒結(jié)后在銅基復(fù)合材料中只存在了Mo5Si3粒子。

對該復(fù)合材料的硬度測試表明，MoSi2顆粒加入到銅基體中，盡管其分解為了Mo5Si3粒子，但明顯提高了銅基復(fù)合材料的硬度(純銅布氏硬度是30HB左右)，如圖3所示。并且隨著增強(qiáng)顆粒質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的增加，銅基復(fù)合材料的硬度增加。

圖3 MoSi2加入量對銅基復(fù)合材料硬度的影響

3.2 Cu/Mo5Si3復(fù)合材料摩擦磨損性能

在20N載荷和1.324m/s滑動(dòng)速度的摩擦磨損條件下，Cu/Mo5Si3復(fù)合材料的磨損率隨著原料中MoSi2加入量的增加而降低，且低于純Cu的磨損率，如圖4所示。這個(gè)變化趨勢正好與相應(yīng)的硬度變化趨勢相反，由此表明彌散分布的Mo5Si3相對銅基體起到了強(qiáng)化作用，使銅基復(fù)合材料的抗磨性能有所提高。

圖4 MoSi2加入量對銅基復(fù)合材料磨損率的影響

圖5 MoSi2加入量對銅基復(fù)合材料摩擦系數(shù)的影響

同時(shí)，隨著增強(qiáng)相 MoSi2加入量的增加，Cu/Mo5Si3復(fù)合材料的摩擦系數(shù)也減小，如圖5所示。當(dāng)MoSi2的加入量達(dá)到20wt%時(shí)，銅基復(fù)合材料的摩擦系數(shù)降到了0.3668。這表明增強(qiáng)相MoSi2的加入可以改善銅基材料的減摩性能，并且MoSi2的加入量越高，銅基復(fù)合材料的減摩性能越好。

3.3 磨損表面形貌分析

不同MoSi2加入量的銅基復(fù)合材料的磨損表面形貌如圖6所示。從中可以看出，純銅試樣磨損表面呈現(xiàn)嚴(yán)重的粘著和塑性變形跡象，純銅的磨損表面主要為沿相對滑動(dòng)方向的較寬的磨槽，周圍有大而卷曲的塑變耳，如圖6(a)所示。這表明在配偶件的反復(fù)推碾作用下，純銅表面發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形而逐漸斷裂，在并在對摩的鋼盤表面可觀察到有大量銅的粘著，由此說明塑變脫落和粘著磨損是純銅在本試驗(yàn)條件下的主要磨損機(jī)制。

圖6 MoSi2加入量對銅基復(fù)合材料摩損表面的影響

而Cu/Mo5Si3復(fù)合材料磨損表面平行于滑動(dòng)方向的犁削溝槽和粘著、塑性變形的跡象則比較輕微，并且隨著MoSi2加入量的增加，犁削溝槽寬度和深度均減小，粘著和塑性變形的程度減輕，如圖6(b)、(c)和(d)所示。這是因?yàn)榧尤?6 wt%MoSi2的銅基復(fù)合材料中增強(qiáng)相Mo5Si3的顆粒含量相對較多，并存在尺寸較大的顆粒，在摩擦的過程中，首先是基體的銅流失，從而使增強(qiáng)Mo5Si3顆粒凸出銅基體表面，凸起的增強(qiáng)相Mo5Si3顆粒與對摩的鋼表面直接接觸，減少了銅基體與對摩件鋼的直接接觸，由此降低了銅基體的塑性變形和粘著程度，從而提高了銅基復(fù)合材料的耐磨性能。

Cu/Mo5Si3復(fù)合材料磨損表面的能譜分析表明，磨損表面除了Cu、Mo和Si元素外，還出現(xiàn)了O和Fe元素，如圖7所示。由于摩擦磨損試驗(yàn)是在大氣條件下進(jìn)行的，在銅或銅基復(fù)合材料與鋼干摩擦過程中，因摩擦熱的產(chǎn)生將使摩擦表面產(chǎn)生較高的溫度，從而促使摩擦材料的摩擦表面發(fā)生氧化，形成了表面氧化膜。而鐵則是由摩擦過程中對摩件45#鋼轉(zhuǎn)移而來的。因此磨損表面的氧化膜由SiO2、Cu2O、FeO和Mo的氧化物組成。這些氧化物在高溫下具有流變能力，相當(dāng)于在摩擦副表面形成了潤滑劑［10－12］，由此降低了 Cu/Mo5Si3復(fù)合材料的摩擦系數(shù)。但在摩擦過程中，摩擦表面形成的氧化膜也會(huì)發(fā)生脫落，并且存在摩擦表面形成磨粒磨損，由此也促進(jìn)了Cu/Mo5Si3復(fù)合材料的磨損增大。

圖7 試樣磨損表面的EDS分析

4 結(jié)論

(1)在液相燒結(jié)過程中，原料中添加的MoSi2顆粒在液態(tài)銅和氧的作用下分解為Mo5Si3顆粒，從而得到了Cu/Mo5Si3復(fù)合材料。

(2)Mo5Si3粒子的加入強(qiáng)化了銅基體，且隨著MoSi2粒子的加入量增加，銅基復(fù)合材料的硬度增加，摩擦系數(shù)和磨損率降低。

(3)純銅的磨損以犁溝塑變剝落和粘著磨損為主，而Cu/Mo5Si3復(fù)合材料的磨損則以犁溝塑變剝落和氧化磨損為主。

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