劉灘，肖鵬，方華嬋，李金偉，朱佳敏，陳卓，鄔君博

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石墨表面改性對(duì)銅基摩擦材料組織與性能的影響

劉灘，肖鵬，方華嬋，李金偉，朱佳敏，陳卓，鄔君博

(中南大學(xué) 粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083)

分別以天然鱗片石墨和通過(guò)酚醛樹(shù)脂表面包覆的石墨作為潤(rùn)滑組元，采用粉末冶金法制備銅基摩擦材料，研究石墨表面改性對(duì)銅基摩擦材料顯微組織、物理性能、力學(xué)性能以及不同制動(dòng)轉(zhuǎn)速下摩擦磨損性能的影響。結(jié)果表明，與天然鱗片石墨/銅基摩擦材料相比，以樹(shù)脂包覆石墨粉為原料制備的銅基摩擦材料中，石墨分布更均勻，銅基體更致密，材料密度提高，開(kāi)孔率降低，抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度增大；當(dāng)制動(dòng)速度為5 500 r/min時(shí)，樹(shù)脂包覆石墨/銅基摩擦材料制動(dòng)10次的磨損量降低24%，對(duì)偶磨損量降低40%，制動(dòng)時(shí)間縮短11%；在摩擦過(guò)程中材料的變形和破壞現(xiàn)象明顯減少，摩擦磨損性能提高。

銅基摩擦材料；酚醛樹(shù)脂包覆石墨；摩擦；磨損

銅基粉末冶金摩擦材料主要由基體銅與增強(qiáng)組元如鐵、錫等[1?2]、以及摩擦組元如氧化鋁、二氧化硅、碳化硅等[3?5]和潤(rùn)滑組元如石墨、二硫化鉬等[6?7]3部分組成，由于其具有良好的導(dǎo)熱性能和耐磨性能等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于高速列車(chē)制動(dòng)摩擦材料。潤(rùn)滑組元主要是改善制動(dòng)時(shí)材料的抗卡滯性能，降低摩擦損耗，保證制動(dòng)平穩(wěn)性。天然鱗片石墨質(zhì)地柔軟且為層片結(jié)構(gòu)，可在摩擦表面形成一層完整穩(wěn)定的潤(rùn)滑石墨膜，有利于防止摩擦材料與對(duì)偶粘著，提高制動(dòng)穩(wěn)定性[8]，作為良好的固體潤(rùn)滑劑被廣泛應(yīng)用于銅基粉末冶金摩擦材料。但石墨與銅幾乎不潤(rùn)濕，因此提高石墨與銅的界面結(jié)合強(qiáng)度，保持石墨顆粒在混料和壓制過(guò)程中結(jié)構(gòu)的完整性，從而降低摩擦過(guò)程中由于石墨的破壞所導(dǎo)致的材料的摩擦損耗，成為銅基摩擦材料在高速列車(chē)中應(yīng)用的關(guān)鍵。在石墨表面鍍覆金屬銅和鎳等[9?10]，使燒結(jié)界面由石墨–銅轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘侉C銅，可有效提高基體強(qiáng)度，使材料的摩擦磨損性能得以改善。但石墨表面金屬鍍覆工藝復(fù)雜，設(shè)備要求高，成本較高。酚醛樹(shù)脂含有大量還原性官能團(tuán)(如－OH等)，作為石墨的表面改性劑已廣泛應(yīng)用于鋰離子電池的電極材料中。研究表明[11]，石墨經(jīng)樹(shù)脂的酒精溶液先浸漬再高溫處理后，會(huì)在表面包覆一層無(wú)定形碳，通過(guò)無(wú)定形碳與石墨碳的C-C結(jié)合可增強(qiáng)石墨表面結(jié)構(gòu)，防止石墨剝離。肖鵬等[12]用樹(shù)脂包覆石墨制備石墨/銅摩擦材料，樹(shù)脂包覆層可緩解在混料和壓制過(guò)程中石墨被破壞，從而保護(hù)石墨結(jié)構(gòu)的完整性，減少摩擦表面石墨的破裂與剝落，從而降低材料的摩擦損耗。此外，酚醛樹(shù)脂包覆層在高溫裂解過(guò)程中產(chǎn)生的CO、H2等小分子氣體可有效還原銅表面的氧化膜，促進(jìn)銅的燒結(jié)致密化，使石墨/銅復(fù)合材料具有較好的導(dǎo)電性能與力學(xué)性能以及摩擦磨損性能。雖然已有將酚醛樹(shù)脂用于銅基復(fù)合材料的研究，但未能從微觀角度闡述其作用機(jī)理和材料的摩擦磨損性能。本文作者以此為基礎(chǔ)將酚醛樹(shù)脂包覆石墨引入高速列車(chē)制動(dòng)用銅基粉末冶金摩擦材料中，研究其對(duì)材料致密化與石墨分布的均勻性，以及材料的物理性能與力學(xué)性能、摩擦磨損性能的影響，為高性能、低成本銅基粉末冶金摩擦材料的制備提供一定的基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料制備

表1所列為制備銅基摩擦材料所用原材料的技術(shù)參數(shù)。用于對(duì)石墨進(jìn)行包覆的酚醛樹(shù)脂的殘?zhí)悸蚀笥?0%。酚醛樹(shù)脂包覆石墨粉的工藝如下：首先將酚醛樹(shù)脂粉末與酒精混合，制得飽和的酚醛樹(shù)脂酒精溶液，再將天然鱗片石墨(natural flake graphite, NG)加入飽和溶液中，攪拌3.5 h至混合均勻。最后將混合液放入85 ℃烘箱干燥至質(zhì)量不再變化，破碎后過(guò)篩，得到粒徑為150~300 μm的樹(shù)脂包覆石墨粉(resin-coated graphite, RG)。

表1 銅基摩擦材料主要原料的技術(shù)參數(shù)

表2所列為分別以天然鱗片石墨和樹(shù)脂包覆石墨為原料制備銅基摩擦材料的原料配比。按表2的配方稱(chēng)量原料粉末，并添加占粉末總質(zhì)量1%的航空煤油，用GQM-5-9滾輥式混料機(jī)混合均勻，混料時(shí)間為10 h。將混合料在HJS32- 315型四柱液壓機(jī)上冷壓成形，單位壓制壓力為500 MPa，保壓10 s。采用分段升溫的方式進(jìn)行加壓燒結(jié)，燒結(jié)工藝為：氫氮混合氣體作為燒結(jié)保護(hù)氣氛(H2與N2的體積流量比為1:4)，以10 ℃/min的速率由室溫升到800 ℃，保溫60 min，壓力為0.12 MPa；再以5 ℃/min的速率升溫至950 ℃，保溫2 h，壓力為0.82 MPa；最后以25 ℃/min的速率冷卻至室溫，壓力為0.22 MPa。摩擦材料試樣為內(nèi)徑53 mm、外徑75 mm的試環(huán)。

表2 銅基摩擦材料的原料配比

1.2 組織表征與性能測(cè)試

采用Quanta FEG250型掃描電鏡(scanning electron microscopy, SEM)觀察天然鱗片石墨和樹(shù)脂包覆石墨的表面形貌，以及銅基摩擦材料的顯微組織和石墨分布情況，結(jié)合能譜儀(energy dispersive X-ray spectroscopy, EDXS)分析材料的元素分布，并觀察摩擦磨損實(shí)驗(yàn)后試樣亞表面的組織。

采用REUCHERT Me3A型金相顯微鏡觀察摩擦材料的組織，以及摩擦實(shí)驗(yàn)后摩擦材料和對(duì)偶的表面形貌。用HVS-5數(shù)顯小負(fù)荷維氏硬度計(jì)測(cè)試材料的硬度。采用阿基米德排水法測(cè)試密度和開(kāi)孔率。在Instron 3369型材料試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試抗壓強(qiáng)度，試樣尺寸10 mm×10 mm×10 mm，加載速度2 mm/min。采用三點(diǎn)彎曲法測(cè)量材料的抗彎強(qiáng)度，試樣尺寸為30 mm× 12 mm×6 mm，跨距為20 mm，加載速度2 mm/min。

采用M3000型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試材料的摩擦磨損性能。對(duì)偶材料為鑄鋼(內(nèi)徑和外徑分別為53 mm和75 mm的試環(huán))，實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.25 kg·m2，壓力0.6 MPa。磨合處理工藝：在制動(dòng)轉(zhuǎn)速4 500 r/min和6 500 r/min下各制動(dòng)10次，冷卻時(shí)間分別為250 s和300 s。制動(dòng)速度分別為3 500，5 500 和7 500 r/min，各制動(dòng)10次；采用熱電偶測(cè)試摩擦表面的溫度；采用千分尺測(cè)量摩擦前后試樣和對(duì)偶的厚度。

2 結(jié)果與分析

2.1 樹(shù)脂包覆石墨粉

圖1所示為天然鱗片石墨(NG)和樹(shù)脂包覆石墨(RG)的表面SEM形貌。由圖可見(jiàn)，天然鱗片石墨表面有大量細(xì)小剝落的石墨顆粒，經(jīng)樹(shù)脂包覆后，石墨表面缺陷消除且更加光潔，表面較完整(見(jiàn)圖1(b))。

圖1 天然鱗片石墨和樹(shù)脂包覆石墨的表面SEM形貌

2.2 顯微組織

圖2所示為銅基摩擦材料的金相組織。圖中黃色組織為銅相，灰黑色的為石墨相。從圖2(a)可見(jiàn)，采用天然鱗片石墨制備的銅基摩擦材料(1#材料)中石墨相分布不均勻，部分區(qū)域石墨團(tuán)聚、破裂，缺陷較多。這是由于混料過(guò)程中粉末之間及粉末與筒壁之間的碰撞，導(dǎo)致石墨結(jié)構(gòu)破壞甚至發(fā)生剝離，剝離后的石墨可視為膠體顆粒，表面易吸附水分，導(dǎo)致膠體顆粒間存在勢(shì)能，該勢(shì)能可作為結(jié)合能，使片層石墨團(tuán)聚[13]；在壓制過(guò)程中，被破壞的石墨顆粒在壓力作用下變形，內(nèi)部破裂。從圖2(b)可見(jiàn)，用樹(shù)脂包覆石墨制備的銅基摩擦材料(2#材料)中銅基體連續(xù)性好，石墨和硬質(zhì)顆粒均勻分散在基體中。樹(shù)脂包覆可增強(qiáng)石墨表面結(jié)構(gòu)，減少石墨顆粒在混料和壓制過(guò)程中遭到破壞[12]，并阻止石墨之間直接接觸，從而減少石墨顆粒表面水分的吸附及石墨間的吸附團(tuán)聚現(xiàn)象。

圖2 1#和2#銅基摩擦材料的金相組織

Note: The materials of 1#and 2#are Cu-based friction materials made of NG and RG as lubricating components, respectively

圖3所示為銅基摩擦材料的SEM組織。結(jié)合能譜分析可知，圖中亮白色組織(見(jiàn)圖3(c)中點(diǎn)A)為基體銅，黑色的(見(jiàn)圖3(d)中點(diǎn)B)為石墨相。由圖3(a)可知，1#材料中的石墨顆粒不完整，變形嚴(yán)重，從3(c)還可見(jiàn)顆粒內(nèi)部存在明顯裂紋。從3(b)可見(jiàn)，2#材料中的石墨顆粒較完整，顆粒邊界明顯，顆粒內(nèi)部完整性較好，無(wú)明顯裂紋等缺陷，且石墨與銅的界面結(jié)合處無(wú)明顯間隙(見(jiàn)圖3(d))，說(shuō)明石墨表面樹(shù)脂包覆可有效保護(hù)石墨結(jié)構(gòu)，減少混料和壓制過(guò)程中石墨的顆粒團(tuán)聚和結(jié)構(gòu)破壞。

2.3 物理性能和力學(xué)性能

表3所列為銅基摩擦材料的物理性能和力學(xué)性能。由表可知，2#材料的密度、硬度、抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均高于1#。相比以天然鱗片石墨為原料制備的1#材料，樹(shù)脂包覆石墨為原料制備的2#材料由于更加致密，基體連續(xù)性更好，因此其力學(xué)性能更優(yōu)異。

圖3 銅基摩擦材料的SEM組織和EDXS能譜分析

(a), (c) 1#material; (b), (d) 2#material

表3 銅基摩擦材料的物理性能和力學(xué)性能

2.4 摩擦磨損性能

2.4.1 摩擦因數(shù)和磨損量

表4所列為銅基摩擦材料在不同制動(dòng)速度下的摩擦磨損性能，摩擦因數(shù)和制動(dòng)時(shí)間等參數(shù)均取制動(dòng)10次的平均值。在3 500 r/min的低速下摩擦能量轉(zhuǎn)化率小，制動(dòng)過(guò)程在短時(shí)間內(nèi)完成，平均摩擦因數(shù)較大，材料的磨損量較小。隨制動(dòng)速度增大，材料的摩擦因數(shù)減小，平均制動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，并且由于制動(dòng)速度高，材料表面溫度升高，基體硬度下降，材料的磨損量增加，同時(shí)對(duì)偶磨損量減小。當(dāng)制動(dòng)速度達(dá)到7 500 r/min時(shí)，2#材料的磨損量明顯低于1#的，分別為4.7和3.4 μm/次，2#的對(duì)偶磨損量也明顯小于1#的對(duì)偶磨損量，這表明用樹(shù)脂包覆石墨可提高銅基摩擦材料的摩擦磨損性能。低速制動(dòng)時(shí)，由于摩擦材料表面未形成完整的摩擦膜，材料表面粗糙，存在大量微凸的硬質(zhì)顆粒，使克服摩擦表面嚙合作用所需的力矩增大，因此材料的摩擦因數(shù)較高。隨制動(dòng)速度提高，摩擦材料表面產(chǎn)生的塑性變形及硬質(zhì)顆粒的壓入，使得材料表面孔隙減少，摩擦表面不斷被壓實(shí)并趨于平整，摩擦副的接觸面積增大，摩擦因數(shù)降低[14]。

2.4.2 摩擦表面的顯微組織

圖4所示為銅基摩擦材料在不同制動(dòng)速度下的摩擦表面金相組織。由圖4(a)和( d)可知，在3 500 r/min低速下制動(dòng)時(shí)，由于摩擦表面溫度較低，材料表面的SiC、Cr等硬質(zhì)顆粒起到良好的耐磨效果，且難以形成完整的摩擦膜，易發(fā)生局部剝落形成凹坑，此時(shí)主要為黏著磨損和疲勞磨損[15]。1#材料的摩擦表面可見(jiàn)大量摩擦膜剝落和基體脫落，存在較大面積凹坑。2#材料摩擦表面凹坑的數(shù)量和面積明顯減小，這是由于2#材料的基體強(qiáng)度更高，基體對(duì)硬質(zhì)顆粒的夾持能力更強(qiáng)，低速摩擦?xí)r對(duì)石墨顆粒的破壞程度較小。

表4 不同制動(dòng)速度下摩擦材料的摩擦磨損性能

圖4 不同制動(dòng)速度下摩擦材料摩擦表面的金相組織

1#material: (a) 3 500 r/min; (b) 5 500 r/min; (c) 7 500 r/min 2#material: (d) 3 500 r/min; (e) 5 500 r/min; (f) 7 500 r/min

制動(dòng)速度為5 500 r/min時(shí)，摩擦表面溫度達(dá)到412 ℃，銅基體對(duì)SiC、Cr等硬質(zhì)顆粒的夾持效果減弱，造成硬質(zhì)顆粒脫落，此時(shí)主要為磨粒磨損，1#材料表面摩擦膜仍不連續(xù)，存在大量摩擦膜剝落和硬質(zhì)顆粒脫落形成的凹坑(見(jiàn)圖4(b))，而2#材料的摩擦表面較平整，凹坑和缺陷數(shù)量明顯減少(見(jiàn)圖4(e))。

在7 500 r/min的高制動(dòng)速度下，摩擦吸收功率增大，摩擦表面溫度進(jìn)一步升高(達(dá)到536 ℃)，易形成氧化膜，在摩擦作用下氧化膜易剝落，破壞摩擦面的完整性。此時(shí)1#材料的氧化磨損現(xiàn)象嚴(yán)重，摩擦膜呈層片狀剝落而后又產(chǎn)生新的摩擦膜(見(jiàn)圖4(c))，而2#材料由于致密性好，石墨顆粒強(qiáng)度較高，使得材料表面孔隙減少，摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的凹坑被磨屑填充，因此摩擦表面的摩擦膜基本完整(見(jiàn)圖4(e)和(f))。

2.4.3 對(duì)偶表面的顯微組織

圖5所示為不同制動(dòng)速度下1#和2#材料的摩擦對(duì)偶表面金相組織。在低速制動(dòng)條件下，1#的摩擦對(duì)偶表面粗糙，且存在大量犁溝(見(jiàn)圖5(a))，制動(dòng)速度提高到5 500 r/min時(shí)，存在摩擦膜轉(zhuǎn)移和層片狀摩擦膜剝落現(xiàn)象(見(jiàn)圖5(b))。7 500 r/min高速制動(dòng)時(shí)，對(duì)偶表面產(chǎn)生大量凹坑，(見(jiàn)圖5(c))磨損量大，制動(dòng)過(guò)程不穩(wěn)定。2#材料在較低速度制動(dòng)時(shí)，其對(duì)偶的摩擦表面粗糙度較低(見(jiàn)圖5(d))，未見(jiàn)明顯的摩擦轉(zhuǎn)移膜(見(jiàn)圖5(e))，而高速制動(dòng)時(shí)，由于磨屑不斷被摩擦和擠壓，對(duì)偶表面形成平整穩(wěn)定的膜層(見(jiàn)圖5(f))。

圖5 不同制動(dòng)速度下摩擦對(duì)偶的金相組織

1#material: (a) 3 500 r/min; (b) 5 500 r/min; (c) 7 500 r/min; 2#material: (d) 3 500 r/min; (e) 5 500 r/min; (f) 7 500 r/min

2.5 摩擦過(guò)程分析

為了分析摩擦過(guò)程中石墨的變化情況，以及材料的失效機(jī)理，利用SEM進(jìn)一步對(duì)制動(dòng)速度7 500 r/min條件下1#和2#材料在摩擦5，10和15 s后的亞表面組織進(jìn)行觀察，并對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行放大觀察，結(jié)果分別如圖5，圖6和圖7所示。分析發(fā)現(xiàn)，在摩擦過(guò)程中石墨的變化可分為內(nèi)部缺陷形成(Ⅰ)、裂紋擴(kuò)展(Ⅱ)和基體脫落(Ⅲ)3個(gè)階段。在石墨內(nèi)部缺陷形成階段(摩擦5 s)，從圖6(a)方框內(nèi)區(qū)域看出1#材料的石墨在摩擦剪應(yīng)力作用下，內(nèi)部開(kāi)裂，基體隆起，產(chǎn)生缺陷，形成的空洞被鑲樣用環(huán)氧樹(shù)脂填充，將方框內(nèi)區(qū)域放大，可明顯看出片層石墨內(nèi)部撕裂(見(jiàn)圖6(c)白色虛線(xiàn)內(nèi)區(qū)域)；從圖6(b)看出2#材料的亞表面基本平整，僅存在少量凹坑，基體中的石墨均勻分布，從其局部放大的照片圖6(d)中發(fā)現(xiàn)摩擦后石墨的形狀保持完整，無(wú)明顯的開(kāi)裂和內(nèi)部破壞的現(xiàn)象。

在7 500 r/min速度下摩擦10 s后，從圖7(a)中的方框區(qū)域內(nèi)可見(jiàn)1#材料中靠近基體表層的石墨相繼發(fā)生破裂，進(jìn)一步觀察可見(jiàn)石墨顆粒內(nèi)部產(chǎn)生明顯缺陷，顆粒局部連通，基體在石墨連通處發(fā)生脫離現(xiàn)象(見(jiàn)圖7(c))，孔洞被鑲樣樹(shù)脂填充(見(jiàn)圖7(c)白色虛線(xiàn)內(nèi)區(qū)域)。而2#材料的亞表面平整，基體內(nèi)部?jī)H有少量裂紋，部分樹(shù)脂包覆的石墨顆粒在摩擦剪應(yīng)力作用下被撕裂。

摩擦15 s后，從圖8(a)和(c)看出1#材料的石墨顆粒內(nèi)部形成了連通的孔洞，顆粒周?chē)幕w產(chǎn)生裂紋，并向基體內(nèi)部繼續(xù)擴(kuò)展，貫穿基體，導(dǎo)致摩擦表面大量脫落，形成明顯凹坑。2#材料中石墨顆粒內(nèi)部缺陷明顯增加，但保持了一定的完整性，摩擦表面開(kāi)始產(chǎn)生裂紋，并向內(nèi)擴(kuò)展(見(jiàn)圖8(b)和(d))。

根據(jù)圖6~8繪制出摩擦過(guò)程中石墨引起基體缺陷的示意圖，如圖9所示。在摩擦5 s時(shí)，1#材料在摩擦剪應(yīng)力的作用下，內(nèi)部的石墨顆粒破裂，產(chǎn)生缺陷裂紋源(見(jiàn)圖9(a))，而2#材料的石墨顆?；颈３滞暾瑑H出現(xiàn)極少量裂紋(見(jiàn)圖9(d))。隨著摩擦的進(jìn)行，10 s后，1#材料中的石墨顆粒裂紋擴(kuò)展，貫穿顆粒，且邊界處的基體產(chǎn)生微裂紋(見(jiàn)圖9(b))，而2#材料中的石墨內(nèi)部?jī)H出現(xiàn)少量裂紋，石墨結(jié)構(gòu)仍保持完整(見(jiàn)圖9(e))。摩擦15 s后，1#的石墨顆粒間的微裂紋相互連通，導(dǎo)致基體剝落(見(jiàn)圖9(c))，而2#的石墨顆粒內(nèi)部缺陷增多，但基體未剝落(見(jiàn)圖9(f))。

圖6 摩擦5 s后材料亞表面及方框內(nèi)區(qū)域放大的SEM組織

(a), (c) 1#material; (b), (d) 2#material

圖7 摩擦10 s后材料亞表面及局部放大的SEM組織

(a), (c) 1#material; (b), (d) 2#material

圖8 摩擦15 s后材料亞表面及局部放大的SEM組織

(a), (c) 1#material; (b), (d) 2#material

圖9 摩擦過(guò)程中由石墨引起基體缺陷的示意圖

(a), (b), (c) 1#material; (d), (e), (f) 2#material

3 結(jié)論

1) 分別以天然鱗片石墨和酚醛樹(shù)脂包覆的石墨作為潤(rùn)滑組元，制備粉末冶金銅基摩擦材料。用天然鱗片石墨制備的材料，石墨顆粒易團(tuán)聚和變形破裂，在低制動(dòng)速度時(shí)，破裂形成裂紋源，導(dǎo)致基體脫落。而用樹(shù)脂包覆的石墨制備的材料，銅基體致密，石墨的分散性和完整性好，在高制動(dòng)速度下樹(shù)脂的包覆對(duì)石墨起到一定的保護(hù)作用，石墨顆粒變形和破裂現(xiàn)象明顯減少。

2) 與用天然鱗片石墨制備的材料相比，用樹(shù)脂包覆的石墨制備的材料密度、維氏硬度(HV)、抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均有提高。

3) 用樹(shù)脂包覆的石墨制備的材料摩擦因數(shù)更小且更穩(wěn)定，制動(dòng)轉(zhuǎn)速3 500 r/min時(shí)，材料的摩擦因數(shù)約為0.390，磨損量小；提高制動(dòng)轉(zhuǎn)速到5 500 r/min，線(xiàn)磨損量減少24%，對(duì)偶的磨損量減少40%，制動(dòng)時(shí)間縮短11%，摩擦因數(shù)穩(wěn)定性提高；隨摩擦速度增大至7 500 r/min，摩擦因數(shù)的降低程度減小，制動(dòng)穩(wěn)定性提高，材料的磨耗降低。

[1] 于瀟, 郭志猛, 楊劍, 等. Fe含量及摩擦組元對(duì)銅基粉末冶金摩擦材料性能的影響[J]. 粉末冶金技術(shù), 2014, 32(1): 43?47. YU Xiao, GUO Zhimeng, YANG Jian, et al. Effects of Fe content and friction components on properties of copper-based powder metallurgical friction materials[J]. Powder Metallurgy Technology, 2014, 32(1): 43?47.

[2] MALLIKARJUNA H M, KASHYAP K T, KOPPAD P G, et al. Microstructure and dry sliding wear behavior of Cu-Sn alloy reinforced with multiwalled carbon nanotubes[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2016, 26(7): 1755?1764.

[3] ZHANG X H, LIN C G, CUI S, et al. Microstructure of Al2O3dispersion strengthened copper prepared by SPS[J]. Transactions of Materials & Heat Treatment, 2013, 34(11): 1?5.

[4] XIONG X, CHEN J, YAO P, et al. Friction and wear behaviors and mechanisms of Fe and SiO2, in Cu-based P/M friction materials[J]. Tribology, 2006, 262(9): 1182? 1186.

[5] QIN Y Q , WU Y C , WANG D B , et al. Influence of SiC particle size on the wear properties of SiC/Cu composites[J]. Advanced Materials Research, 2011, 1378(624): 635?639.

[6] 張銘君, 朱世偉, 于俊鳳, 等. 石墨/銅基摩擦材料研究進(jìn)展[J]. 鑄造技術(shù), 2017(11): 2565?2570. ZHANG Mingjun, ZHU Shiwei, YU Junfeng, et al. Research progress of graphite/copper matrix materials[J]. Foundry Technology, 2017(11): 2565?2570.

[7] MOAZAMI-GOUDARZI M, NEMATI A. Tribological behavior of self lubricating Cu/MoS2, materials fabricated by powder metallurgy[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2018, 28(5): 946?956.

[8] 樊毅, 張金生, 高游, 等. SiC和石墨混雜增強(qiáng)銅基摩擦材料的高溫摩擦磨損特性研究[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 26(3): 223? 227. FAN Yi, ZHANG Jinsheng, GAO You, et al. Friction and wear characteristics of SiC and graphite hybrid reinforced copper matrix materials at high temperature[J]. Journal of Tribology, 2006, 26(3): 223?227.

[9] 李薦, 翟炳昆, 周宏明, 等. 酚醛樹(shù)脂包覆改性對(duì)廢舊石墨負(fù)極材料結(jié)構(gòu)與18650電池性能的影響[J]. 電池工業(yè), 2018, 22(2): 94?99. LI Jian, ZHAI Bingkun, ZHOU Hongming, et al. Effect of phenolic resin coating modification on the structure of waste graphite anode material and performance of 18650 battery[J]. Battery Industry, 2018, 22(2): 94?99.

[10] MOUSTAFA S F, ELBADRY S A, SANAD A M, et al. Friction and wear of copper-graphite composites made with Cu-coated and uncoated graphite powders[J]. Wear, 2002, 253(7): 699?710.

[11] CHEN J H, REN S B, HE X B, et al. Properties and microstructure of nickel-coated graphite flakes/copper materials fabricated by spark plasma sintering[J]. Carbon, 2017, 121: 25? 34.

[12] JIANG X, FANG H C, XIAO P, et al. Influence of carbon coating with phenolic resin in natural graphite on the microstructures and properties of graphite/copper materials[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2018, 744(5): 165?173.

[13] DRZYMALA J. Hydrophobicity and collectorless flotation of inorganic materials[J]. Advances in Colloid & Interface Science, 1994, 50(94): 143?185.

[14] 王毅, 劉鐵軍, 朱軍, 等. 制動(dòng)速度對(duì)銅基粉末冶金閘片材料摩擦學(xué)性能的影響[J]. 粉末冶金材料科學(xué)與工程, 2017, 22(3): 366?371. WANG Yi, LIU Tiejun, ZHU Jun, et al. Effect of braking speed on tribological properties of copper based powder metallurgical sluice material[J]. Powder Metallurgical Materials Science and Engineering, 2017, 22 (3): 366? 371.

[15] ERIKSSON M, JACOBSON S. Tribological surfaces of organic brake pads[J]. Tribology International, 2000, 33(6): 817?827.

Effect of graphite surface modification on microstructure and properties of Cu-based friction materials

LIU Tan, XIAO Peng, FANG Huachan, LI Jinwei, ZHU Jiamin, CHEN Zhuo, WU Junbo

(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

Cu-based friction material were prepared by powder metallurgy technology with natural flake graphite and phenolic resin coated graphite as lubricating components. The effects of graphite surface modification on the microstructure, physical properties, mechanical properties and friction and wear properties of Cu-based friction materials at different braking speeds were studied. The results show that, compared with natural flake graphite/copper-based friction materials, the Cu-based friction materials with resin-coated graphite powder have more uniform graphite distribution, denser copper matrix, higher density, lower porosity, higher flexural strength and compressive strength. When the braking velocity is 5 500 r/min, the wear extent of the phenolic resin-coated graphite/Cu-based friction material is reduced by 24%, the matching plates wearing capacity is reduced by 40%, and the braking time is shortened by 11%. Compared with the natural flake-graphite, the deformation and failure of the resin coated graphite material decreases obviously, and the friction and wear properties of the resin coated graphite material increases.

Cu-based friction material; phenolic resin-coated graphite; friction; wear

TG146.1

A

1673-0224(2019)02-195-10

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFB0301403)；中南大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2018zzts418)；中南大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2018zzts419)；動(dòng)車(chē)組關(guān)鍵技術(shù)提升研究項(xiàng)目(2017J008-M)

2018?11?29；

2018?12?17

肖鵬，教授，博士。電話(huà)：0731-88830131；E-mail: xiaopeng@csu.edu.cn；方華嬋，副教授，博士。電話(huà)：0731-88830614；E-mail: fanghc@csu.edu.cn

(編輯 湯金芝)