林煥然，國(guó)秀花,b,c，宋克興,b,c，蘇娟華,b,c，李韶林,b,c，馮江

摩擦磨損與潤(rùn)滑

(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料載流摩擦磨損行為

林煥然a，國(guó)秀花a,b,c，宋克興a,b,c，蘇娟華a,b,c，李韶林a,b,c，馮江a

（河南科技大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院 b.河南省有色金屬材料科學(xué)與加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 c.有色金屬新材料與先進(jìn)加工技術(shù)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 洛陽(yáng) 471023）

研究相同載流條件下納米Al2O3顆粒、微米WC顆粒和SiC晶須對(duì)(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料表面摩擦磨損性能的影響。采用粉末冶金法和內(nèi)氧化法相結(jié)合的方式，制備了(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料，并利用HST-100高速載流摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行載流摩擦磨損性能測(cè)試。采用透射電鏡和掃描電鏡觀察復(fù)合材料的顯微組織和載流摩擦磨損表面形貌。研究不同的增強(qiáng)相對(duì)(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料磨損性能的影響，分析其磨損機(jī)理。采用AUTOGRAPH AG-I 250 kN拉伸設(shè)備對(duì)試樣進(jìn)行拉伸，并分析抗拉強(qiáng)度與磨損性能的變化關(guān)系。(1WC+2SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料的硬度和極限抗拉強(qiáng)度相較于Cu-Al2O3復(fù)合材料分別提高了20.2%和12.7%。(1WC+2SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料的摩擦系數(shù)最小，為0.33，相對(duì)Cu-Al2O3復(fù)合材料降低了42.1%。(1WC+2SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料表面磨損形貌最為光滑，無(wú)大面積電弧燒蝕現(xiàn)象，犁溝數(shù)量少且淺。(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料的磨損機(jī)理主要是粘著磨損、磨粒磨損和電弧燒蝕；納米級(jí)Al2O3顆粒、微米級(jí)WC顆粒和SiC晶須三者協(xié)同強(qiáng)化銅基體，提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度和硬度，從而降低了銅基復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率。WC顆粒和SiC晶須采用合適質(zhì)量配比時(shí)，可以有效地改善Cu-Al2O3復(fù)合材料的磨損情況。

Cu-Al2O3復(fù)合材料；摩擦磨損；納米Al2O3顆粒；微米WC顆粒；SiC晶須；協(xié)同強(qiáng)化

Cu-Al2O3復(fù)合材料因其優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和耐電弧侵蝕性，廣泛用于制備摩擦副材料、導(dǎo)電彈性材料和集成電路引線框架等材料[1-2]。然而隨著軌道交通、電子電器和航空航天等領(lǐng)域的快速發(fā)展，單一顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料逐漸無(wú)法滿(mǎn)足日益苛刻的服役條件[3-4]。載流摩擦副的服役條件逐漸向高速、重載、高溫等苛刻方向發(fā)展，要求復(fù)合材料具有更高的力學(xué)性能和更好的耐磨性[5-6]。在盡量保持銅基復(fù)合材料導(dǎo)電率的前提下，研究出能夠耐電弧燒蝕、耐摩擦磨損的高強(qiáng)度復(fù)合材料，是減少或避免設(shè)備使用過(guò)程中材料失效的關(guān)鍵[7]。

眾所周知，復(fù)合材料性能的好壞與增強(qiáng)相的選擇有極大的關(guān)系。Guo等[8]研究表明，Al2O3/Cu復(fù)合材料的磨損率明顯低于SiC/Cu和SiO2/Cu復(fù)合材料。WC顆粒的高熔點(diǎn)、高硬度和承載能力可以使其更好地承受磨損，減小Cu-WC復(fù)合材料載流摩擦磨損過(guò)程中的體積損失，廣泛應(yīng)用于制備苛刻條件下的抗磨損材料[9-10]。SiC晶須具有高硬度、高強(qiáng)度和良好的穩(wěn)定性，可以與銅基體構(gòu)成高硬度、高耐磨性和耐高溫的銅基復(fù)合材料[11-13]。這些增強(qiáng)相均可以有效提高銅基體的耐磨性，但耐磨性在很大程度上還會(huì)受到材料機(jī)械性能的影響，而單一增強(qiáng)相強(qiáng)化銅基復(fù)合材料仍然存在強(qiáng)度與耐磨性無(wú)法同時(shí)提升的問(wèn)題[14]。

Feng等[15]發(fā)現(xiàn)TiB2/Cu-Cr復(fù)合材料比TiB2/Cu復(fù)合材料具有更優(yōu)異的耐磨性，這主要得益于雙尺度顆粒的協(xié)同作用。Mittal等[16]發(fā)現(xiàn)，利用石墨烯的潤(rùn)滑作用和Al2O3顆粒的高硬度可以降低銅基體的摩擦系數(shù)和磨損量，但隨著石墨含量增加，復(fù)合材料的硬度明顯降低。Zou等[17]制備了雙尺度顆粒增強(qiáng)Cu-Zr- ZrB2復(fù)合材料，微米級(jí)的ZrB2顆粒有助于提高耐磨性，而納米級(jí)的Cu5Zr沉淀顆粒通過(guò)強(qiáng)化銅基體提高復(fù)合材料的強(qiáng)度。Pan等[18]研究表明，納米Al2O3顆粒通過(guò)彌散強(qiáng)化提高了銅基體的耐磨性，而CNTs作為固體潤(rùn)滑劑提高了復(fù)合材料的減摩性，Cu-1.5CNTs- 0.5Al2O3復(fù)合材料相較于Cu-1.5CNTs復(fù)合材料，具有更好的機(jī)械和摩擦學(xué)性能。Jamwal等[19]制備了不同含量SiC-石墨（石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、2.5%、5%、7.5%、10%）混雜增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料，當(dāng)增強(qiáng)相的含量為5%時(shí)，復(fù)合材料的磨損率最小，但復(fù)合材料的硬度隨著石墨含量的增加而降低。Zhang等[20]發(fā)現(xiàn)，Cu/Ni/NbSe2復(fù)合材料的減摩性和耐磨性明顯優(yōu)于Cu/NbSe2復(fù)合材料，Ni/NbSe2增強(qiáng)相為15%時(shí)，復(fù)合材料具有最低的摩擦系數(shù)和磨損率。

綜上，將兩種增強(qiáng)相同時(shí)引入銅基體，可以進(jìn)一步提高銅基復(fù)合材料的強(qiáng)度和耐磨性。然而對(duì)于混雜增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的研究多集中于兩種增強(qiáng)相協(xié)同強(qiáng)化銅基復(fù)合材料，關(guān)于多元多尺度顆粒/晶須混雜增強(qiáng)銅基復(fù)合材料力學(xué)性能和載流摩擦磨損性能的研究鮮有報(bào)道。本文采用內(nèi)氧化法和粉末冶金法相結(jié)合的方式，制備了納米Al2O3顆粒、微米WC顆粒和微米SiC晶須混雜增強(qiáng)銅基復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)以鉻青銅為摩擦副，在銷(xiāo)-盤(pán)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了載流摩擦磨損特性研究。分析了摩擦系數(shù)、磨損率、載流效率和載流穩(wěn)定性，觀察了銷(xiāo)試樣摩擦表面的磨損形貌，探討了載流條件下材料的磨損機(jī)理，以期為新型銅基復(fù)合材料的研發(fā)提供一定理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料制備和性能檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)原材料包括：Cu-0.2%Al合金粉（平均粒徑為40 μm）、Cu2O粉（平均粒徑為1 μm）、WC顆粒（平均粒徑10 μm）和SiC晶須（直徑0.5 μm，長(zhǎng)度5～10 μm）。外加WC+SiCw的總體積分?jǐn)?shù)為4.7%。

首先，將Cu-0.2%Al合金粉、Cu2O粉、WC顆粒以及SiC晶須按比例混合，并放置在QQM/B輕型球磨機(jī)上混粉16 h，球料比為5∶1；然后，將混合粉末放置在LDJ200/600-300型冷等靜壓機(jī)內(nèi)壓制成形，壓力為210 MPa，保壓10 min；再將壓制成形的坯料置于氬氣保護(hù)的管式爐內(nèi)于950 ℃保溫3 h，進(jìn)行內(nèi)氧化燒結(jié)（Cu2O粉用以提供內(nèi)氧化所需氧源，為保證內(nèi)氧化過(guò)程充分進(jìn)行，所需Cu2O與實(shí)際添加的Cu2O質(zhì)量比為1∶1.1，具體內(nèi)氧化過(guò)程詳見(jiàn)課題組前期研究[21]）；之后，將燒結(jié)后的試樣放入ZT-200-22Y型真空燒結(jié)爐內(nèi)，通入氫氬混合氣進(jìn)行還原，升溫至900 ℃保溫2 h；最后，為提高銅基復(fù)合材料的致密度，將燒結(jié)后的試樣放入YA32-315A四柱液壓機(jī)進(jìn)行熱擠壓，擠壓比為10∶1，制得尺寸為15 mm的棒材。為更好地對(duì)比不同增強(qiáng)相對(duì)銅基復(fù)合材料載流摩擦磨損性能的影響，在同等條件下制備了相同Al2O3含量、不同(WC+SiCw)質(zhì)量配比的(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料和Cu-Al2O3復(fù)合材料。

將不同成分的試樣進(jìn)行打磨、拋光后，采用JSM-IT100掃描電鏡進(jìn)行顯微組織觀察；采用320HBS-3000型數(shù)顯式布氏硬度計(jì)測(cè)量其硬度；采用Sigma 2008B1數(shù)字電導(dǎo)率儀測(cè)試導(dǎo)電率；采用JEM- 2100透射電鏡觀察分析復(fù)合材料的顯微組織；采用AUTOGRAPH AG-I 250 kN拉伸設(shè)備對(duì)試樣進(jìn)行拉伸，拉伸應(yīng)變速率為0.5 mm/min。

1.2 摩擦磨損性能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)在HST-100載流高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，摩擦盤(pán)的材料為QCr0.5，尺寸為180 mm× 15 mm，銷(xiāo)試樣尺寸為10 mm×25 mm，設(shè)備示意圖如圖1所示。試驗(yàn)載荷50 N，電流25 A，轉(zhuǎn)速10 m/s，磨損時(shí)間20 s，保持實(shí)驗(yàn)參數(shù)不變，對(duì)不同質(zhì)量配比的(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料進(jìn)行載流摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。載流條件下材料的摩擦磨損性能用摩擦系數(shù)和磨損率表征[22]，實(shí)驗(yàn)中采用質(zhì)量磨損率。為了對(duì)不同材料的磨損性能進(jìn)行對(duì)比，采用平均摩擦系數(shù)和平均載流效率分別表征摩擦系數(shù)和載流效率平均值。平均摩擦系數(shù)和平均載流效率計(jì)算公式如下[23]：

式（1）（2）中：μi為動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)；Ni為動(dòng)態(tài)摩擦扭矩（N·m）；Fi為動(dòng)態(tài)載荷壓力（N）；L為銷(xiāo)試樣之間的距離（m）；n為測(cè)量值總數(shù)。式（3）（4）中：ηi為動(dòng)態(tài)載流效率（%）；Ii為動(dòng)態(tài)電流（A）；Io為額定電流（A）。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 微觀結(jié)構(gòu)及物理性能

圖2為納米Al2O3顆粒在銅基體中彌散分布的透射顯微組織形貌。從圖2a可以看出，內(nèi)氧化過(guò)程中生成了納米級(jí)Al2O3顆粒，且生成的納米Al2O3顆粒在銅基體上彌散分布。圖2b為圖2a中黃色框線區(qū)域的高分辨透射圖像，圖2b1是對(duì)圖2b黃線區(qū)域進(jìn)行傅里葉逆變換得到的圖片。由圖2b1可以發(fā)現(xiàn)，納米Al2O3顆粒與銅基體界面處無(wú)雜質(zhì)產(chǎn)生，不存在物理間隙，二者界面結(jié)合良好。

圖2 (WC+SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料的TEM形貌

圖3a為SiCw/Cu-Al2O3復(fù)合材料的縱截面掃描組織形貌，沿著擠壓方向排列的SiC晶須較為均勻地分布在銅基體上，但仍存在小面積團(tuán)聚現(xiàn)象。這是由于晶須的長(zhǎng)徑比對(duì)晶須的分散效果有一定的影響，晶須的含量較高時(shí)，不易分散，導(dǎo)致銅基體中的SiC晶須產(chǎn)生局部團(tuán)聚現(xiàn)象[24]。圖3b為(2WC+1SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料的縱截面掃描組織形貌，隨著WC比例增多，SiC晶須團(tuán)聚現(xiàn)象減少，顯微組織無(wú)明顯氣孔缺陷，顯微組織更加均勻致密。

表1為純銅及其復(fù)合材料的物理性能，對(duì)比純Cu、Cu-Al2O3復(fù)合材料和SiCw/Cu-Al2O3復(fù)合材料可以發(fā)現(xiàn)，隨著增強(qiáng)相含量的增加，銅基復(fù)合材料的相對(duì)密度和導(dǎo)電率明顯降低，但是硬度和極限抗拉強(qiáng)度顯著提高。對(duì)比SiCw/Cu-Al2O3復(fù)合材料以及其他配比的(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料的相對(duì)密度和導(dǎo)電率可以發(fā)現(xiàn)，WC顆粒的加入使(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料的相對(duì)密度相較于SiCw/Cu-Al2O3復(fù)合材料有所提高，導(dǎo)電率也明顯上升。隨著(WC+SiCw)/ Cu-Al2O3復(fù)合材料中WC顆粒比例的增加，復(fù)合材料的硬度和極限拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)WC顆粒和SiCw的質(zhì)量配比為1∶2時(shí)，(1WC+ 2SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料具有最高的硬度和極限抗拉強(qiáng)度，與其他復(fù)合材料相比，其相對(duì)密度和導(dǎo)電率也沒(méi)有明顯降低。

圖3 (WC+SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料的縱截面SEM形貌

表1 銅基復(fù)合材料的物理性能

Tab.1 Physical properties of copper matrix composites

2.2 摩擦磨損特性

2.2.1 摩擦系數(shù)和磨損率

在電流為25 A、滑動(dòng)速度為10 m/s和載荷為50 N的條件下，不同WC顆粒和SiCw質(zhì)量配比對(duì)銅基復(fù)合材料摩擦系數(shù)和磨損率的影響如圖4所示。隨著時(shí)間的變化，Cu-Al2O3復(fù)合材料與(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料摩擦系數(shù)的變化曲線如圖4a所示。圖4a中，Cu-Al2O3復(fù)合材料摩擦系數(shù)的波動(dòng)較大，隨著微米WC顆粒和SiC晶須的加入，(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料摩擦系數(shù)的波動(dòng)變小，說(shuō)明向Cu-Al2O3復(fù)合材料中引入WC顆粒和SiC晶須有利于提高復(fù)合材料載流摩擦磨損的穩(wěn)定性。由圖4b可知，摩擦系數(shù)和磨損率呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，二者均呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)。與Cu-Al2O3復(fù)合材料相比，(WC+SiCw)/ Cu-Al2O3復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率均明顯降低，且WC與SiCw的質(zhì)量配比為1∶2時(shí)，銅基復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率最小。(1WC+2SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料的摩擦系數(shù)為0.33，相較于Cu-Al2O3復(fù)合材料降低了42.1%。微凸體之間空隙的電弧燒蝕機(jī)理或摩擦面的微凸體運(yùn)動(dòng)干涉機(jī)制均表明，摩擦系數(shù)越大，接觸材料的磨損消耗越大[9]。結(jié)合表1可以發(fā)現(xiàn)，硬度和抗拉強(qiáng)度增加時(shí)，摩擦系數(shù)和磨損率降低，變化趨勢(shì)呈負(fù)相關(guān)。

圖4 (WC+SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率

2.2.2 載流效率和載流穩(wěn)定性

圖5顯示了在25 A電流、10 m/s滑動(dòng)速度和50 N載荷的條件下，Cu-Al2O3復(fù)合材料和不同質(zhì)量配比的(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料的載流效率和載流穩(wěn)定性。Cu-Al2O3復(fù)合材料的載流效率和載流穩(wěn)定性分別為88.2%和80.0%，(1WC+2SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料的載流效率和載流穩(wěn)定性分別為83.9%和83.4%。與Cu-Al2O3復(fù)合材料相比，(1WC+2SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料的載流效率降低了4.9%，而載流穩(wěn)定性提高了4.3%。載流效率和復(fù)合材料的導(dǎo)電率有關(guān)，WC顆粒和SiC晶須的加入使(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料的導(dǎo)電率降低，導(dǎo)致復(fù)合材料載流效率降低。但WC顆粒和SiC晶須加入使(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料的載流穩(wěn)定性明顯提高。(2WC+1SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料的載流效率和載流穩(wěn)定性相較于Cu-Al2O3復(fù)合材料均有所降低，表明WC顆粒和SiC晶須的含量變化對(duì)復(fù)合材料的載流效率和載流穩(wěn)定性有一定的影響。

圖5 (WC+SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料的載流效率和載流穩(wěn)定性

2.3 表面形貌

圖6為銅基復(fù)合材料磨損表面微觀形貌，可以看出，Cu-Al2O3復(fù)合材料和不同質(zhì)量配比的(WC+SiCw)/ Cu-Al2O3復(fù)合材料均出現(xiàn)了不同程度的粘著和撕裂現(xiàn)象。圖6a為Cu-Al2O3復(fù)合材料的表面磨損形貌，磨損表面有明顯的犁溝、粘著撕裂和大塊熔融液滴，磨損形式主要是磨粒磨損、粘著磨損和電弧燒蝕。在滑動(dòng)磨損過(guò)程中，銷(xiāo)試樣和摩擦盤(pán)之間產(chǎn)生電弧，導(dǎo)致磨損表面產(chǎn)生燒蝕坑和熔融液滴。圖6b為(1WC+ 1SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料表面的磨損形貌，相較于Cu-Al2O3復(fù)合材料，其磨損表面犁溝數(shù)量減少，撕裂和粘著現(xiàn)象加重，存在少量熔融液滴。由圖6c可知，(1WC+2SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料磨損表面相對(duì)平滑，犁溝數(shù)量減少，深度變淺，表面銅基體被磨損以后可以觀察到裸露的WC顆粒和SiC晶須端部孔洞。圖6d為(2WC+1SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料的表面磨損形貌，磨損表面粘著痕跡較多，局部可以看到粘著塊和剝落坑，電弧燒蝕現(xiàn)象減輕，磨損機(jī)理主要是粘著磨損。此外，磨損表面還可以看到一條寬為8 μm左右的犁溝，這可能是平均粒徑10 μm的WC顆粒在磨損過(guò)程中形成的磨粒磨損形貌，或者熔融液態(tài)金屬銅在試樣表面形成的液滴沿摩擦副運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生瞬時(shí)冷焊，剝落后形成磨粒，造成磨粒磨損。

圖7為(1WC+2SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料的顯微組織形貌和EDS元素分布。從顯微組織形貌中可以觀察到，WC顆粒嵌入銅基體中，表面犁溝較少且淺。面掃描能譜圖以及各元素分布圖表明，磨損表面存在Cu、C、O、W、Si、Al幾種元素，結(jié)合試樣制備過(guò)程，可以確定磨損表面分布著WC顆粒、SiCw和Al2O3顆粒。載流摩擦磨損過(guò)程中，銷(xiāo)試樣摩擦表面的增強(qiáng)相顆?；蚓ы殨?huì)露出部分區(qū)域，在摩擦過(guò)程中與摩擦盤(pán)直接接觸，起到支撐銅基體的作用。

圖6 銅基復(fù)合材料載流摩擦磨損表面形貌

圖7 (2WC+1SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料的EDS元素分布

3 討論

載流摩擦磨損過(guò)程中，摩擦副材料受到摩擦接觸系統(tǒng)和電接觸系統(tǒng)的共同作用，因此影響摩擦磨損特性的因素較多，載荷、滑動(dòng)速度、摩擦材料的顯微組織和力學(xué)性能均對(duì)材料的磨損性能有影響[25]。本文在保持載荷和滑動(dòng)速度一定的條件下，研究了顯微組織和力學(xué)性能對(duì)銅基復(fù)合材料載流摩擦磨損性能的影響。

3.1 顯微組織對(duì)磨損性能的影響

圖8為銅基復(fù)合材料的EBSD圖，從圖8可以看出，Cu-Al2O3復(fù)合材料的平均晶粒尺寸為1.63 μm，SiCw/Cu-Al2O3復(fù)合材料的平均晶粒尺寸為1.43 μm，(1WC+2SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料的平均晶粒尺寸為1.35 μm。可以發(fā)現(xiàn)WC顆粒和SiCw的加入進(jìn)一步細(xì)化了銅基復(fù)合材料的晶粒。研究表明[26]，摩擦磨損過(guò)程中形成的微裂紋主要沿晶界擴(kuò)展，晶粒尺寸越小，則晶界體積越大，可阻礙裂紋擴(kuò)展，外在表現(xiàn)形式為磨損率降低，耐磨性能提高。

圖8 銅基復(fù)合材料的EBSD(IPF)圖及對(duì)應(yīng)晶粒尺寸分布

3.2 相對(duì)密度和導(dǎo)電率對(duì)磨損性能的影響

通常認(rèn)為，增強(qiáng)相的加入會(huì)降低銅基復(fù)合材料的燒結(jié)能力，導(dǎo)致復(fù)合材料的相對(duì)密度有所降低[27]。銅基復(fù)合材料中，導(dǎo)電性差的第二相含量增加時(shí)會(huì)使電子散射現(xiàn)象加重，不可避免地導(dǎo)致復(fù)合材料的導(dǎo)電率下降。銅基體晶粒細(xì)化，晶界變多，晶界處原子分布不規(guī)整，同樣會(huì)對(duì)電子產(chǎn)生散射作用，降低復(fù)合材料的導(dǎo)電率。納米Al2O3顆粒、微米WC顆粒和SiCw可以互相調(diào)節(jié)在銅基體中的空間分布，減少顆粒和晶須的團(tuán)聚現(xiàn)象，從而減少因團(tuán)聚產(chǎn)生的電子散射效應(yīng)，提高銅基復(fù)合材料的相對(duì)密度和導(dǎo)電率。導(dǎo)電率提高是提高摩擦材料載流效率的重要前提，(WC+ SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料的導(dǎo)電率相較于Cu-Al2O3復(fù)合材料大幅度下降，導(dǎo)致銅基復(fù)合材料的載流效率下降。此外，復(fù)合材料相對(duì)密度的提高有利于降低摩擦系數(shù)。裴露露等[25]研究表明，摩擦表面的微孔和裂紋會(huì)導(dǎo)致摩擦系數(shù)增加，孔隙率減少使得相對(duì)密度提高，摩擦系數(shù)降低。

3.3 硬度和強(qiáng)度對(duì)磨損性能的影響

內(nèi)氧化生成的納米Al2O3顆?？梢葬斣诲e(cuò)，阻礙晶粒長(zhǎng)大，產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化作用，使Cu-Al2O3復(fù)合材料的硬度和強(qiáng)度相較于純Cu明顯提高[28]。WC顆粒和SiC晶須的加入進(jìn)一步提高了Cu-Al2O3復(fù)合材料的強(qiáng)度和硬度，使得復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率降低。這是由于WC顆粒和SiC晶須的加入使Cu- Al2O3復(fù)合材料的硬度升高、支撐點(diǎn)增多，隨著摩擦表面溫度升高，可以加快表面熱量擴(kuò)散，使粘著痕跡較輕，摩擦系數(shù)較小[29]，如圖6c所示。銅基體的強(qiáng)度大幅度提高有利于減少銷(xiāo)試樣材料向摩擦盤(pán)轉(zhuǎn)移，減少摩擦質(zhì)量損失[30]。向永華等[31]研究表明，提高材料表面硬度及強(qiáng)度可以有效提升材料的耐磨性。在盡量保持銅基體導(dǎo)電率和相對(duì)密度的基礎(chǔ)上，(1WC+ 2SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料的硬度和抗拉強(qiáng)度大幅度提高，進(jìn)而提高了復(fù)合材料的摩擦磨損性能。

3.4 增強(qiáng)相對(duì)磨損性能的影響

單一顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料和多元多尺度顆粒晶須混雜增強(qiáng)銅基復(fù)合材料中，增強(qiáng)相的作用不同。Cu-Al2O3復(fù)合材料中彌散分布的納米Al2O3顆粒起支撐作用，摩擦磨損過(guò)程中，摩擦副表面的部分納米Al2O3顆粒在剪切力的作用下脫落，導(dǎo)致接觸表面產(chǎn)生磨粒磨損，形成較淺的犁溝形貌。載流摩擦磨損過(guò)程中，摩擦表面產(chǎn)生大量熱量（主要包括焦耳熱、摩擦熱和電弧熱），摩擦表面起支撐作用的納米Al2O3顆粒尺寸較小，無(wú)法避免大面積銅基體與摩擦盤(pán)接觸，導(dǎo)致試樣表面溫度急劇升高，局部區(qū)域熔化，產(chǎn)生的液滴凝固后，粘著在摩擦表面。熔化形成的小液滴凝固后也會(huì)作為磨粒，在后續(xù)摩擦磨損過(guò)程中產(chǎn)生磨粒磨損。

(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料的磨損機(jī)理如圖9所示。摩擦磨損過(guò)程中，表層和次表層發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，在熱和外力的作用下，復(fù)合材料的磨損表面由上到下形成破碎層、塑性變形層和基體層[15]。磨損過(guò)程中產(chǎn)生的大量熱量使接觸材料的表面溫度迅速升高，導(dǎo)致靠近表面的部分區(qū)域發(fā)生再結(jié)晶，使這些區(qū)域的晶粒變細(xì)。整體來(lái)講，(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料中裸露在摩擦副表面的硬質(zhì)WC顆粒在摩擦磨損過(guò)程中起到支撐作用，可以保護(hù)銅基體，減少銅基體與摩擦盤(pán)的接觸，減少電弧燒蝕現(xiàn)象，提高載流穩(wěn)定性。內(nèi)氧化產(chǎn)生的納米Al2O3顆粒強(qiáng)化了銅基體，可提高高溫性能，使磨損過(guò)程中WC顆粒難以被移動(dòng)和剝落，提高WC顆粒的支撐作用。而SiCw則對(duì)提高銅基復(fù)合材料的強(qiáng)度起主要作用，微米WC顆粒和納米Al2O3顆粒的存在可以調(diào)節(jié)SiCw在銅基體中的分布，減少增強(qiáng)相的團(tuán)聚，使晶須與銅基體的接觸面積增加，更好地發(fā)揮SiCw的強(qiáng)化作用。隨著銅基體硬度和強(qiáng)度的提高，銅基復(fù)合材料抵抗塑性變形的能力和抗粘著能力提高，抑制載流摩擦磨損過(guò)程中的粘著和嚴(yán)重塑性變形，有助于減少?gòu)?fù)合材料的粘著磨損和磨粒磨損，提高材料的耐磨性。

三種增強(qiáng)相互相調(diào)節(jié)在銅基體中的空間分布狀態(tài)，使顯微組織更加均勻，電弧均勻分散在各個(gè)微區(qū)內(nèi)，減少大面積集中燒蝕現(xiàn)象。由于多種顆粒和晶須的存在，摩擦過(guò)程中，微米級(jí)WC顆粒起到支撐作用，負(fù)載從WC顆粒傳遞到Al2O3顆粒和SiC晶須，最后傳遞到銅基體上，可以保護(hù)小顆粒和銅基體。同時(shí)，在摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的高溫使得材料表層軟化，硬度降低，導(dǎo)致表面裂紋的產(chǎn)生。(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料中微米級(jí)WC顆粒抑制了裂紋的萌生，而納米級(jí)Al2O3顆粒和SiC晶須阻礙了裂紋的擴(kuò)展。三者的協(xié)同作用使(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料的耐磨性得到提高。

圖9 (WC+SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料載流摩擦磨損機(jī)理

4 結(jié)論

1）采用內(nèi)氧化法生成的納米Al2O3顆粒與銅基體有良好的界面結(jié)合，納米Al2O3顆粒的生成明顯細(xì)化了晶粒，提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度和硬度。相較于Cu-Al2O3而言，(WC+SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料具有更高的硬度和抗拉強(qiáng)度、更好的抵抗塑性變形和抗粘著能力，摩擦系數(shù)和質(zhì)量損失更小。

2）采用合適的WC與SiCw質(zhì)量配比可以顯著提高銅基復(fù)合材料的耐磨性。其中，(1WC+2SiCw)/ Cu-Al2O3復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率最小，載流穩(wěn)定性最高。

3）納米Al2O3顆粒、微米WC顆粒和SiCw協(xié)同強(qiáng)化銅基體，提高銅基復(fù)合材料的耐磨性。納米Al2O3顆粒強(qiáng)化銅基體，可以更好地固定WC顆粒和SiCw，發(fā)揮WC顆粒的支撐作用和SiCw對(duì)抗拉強(qiáng)度的提升作用。

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Current Carrying Friction and Wear Behavior of (WC+SiCw)/Cu-Al2O3Composites

a,a,b,c,a,b,c,a,b,c,a,b,c,a

(a.School of Materials Science and Engineering, b.Key Laboratory of Materials Science & Processing Technology for Non- ferrous Metals of Henan, c.Provincial and Ministerial Co-construction of Collaborative Innovation Center for Non-ferrous Metal New Materials and Advanced Processing Technology, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, China)

The aim of this paper is to study the effect of nano-Al2O3particles, micro-WC particles and SiC whiskers on the surface friction and wear properties of (WC+SiCw)/Cu-Al2O3composite under the same current carrying conditions.The (WC+SiCw)/Cu-Al2O3composites were prepared by powder metallurgy and internal oxidation, and their current carrying friction and wear properties were tested by HST-100 current carrying high speed tester.The microstructure of the composite materials and its surface morphology after current carrying friction and wear test were observed by transmission electron microscope and scanning electron microscope.The effects of different reinforcing phases on the wear property of (WC+SiCw)/ Cu-Al2O3composites were studied and the wear mechanism was analyzed. The samples were drawn using an AUTOGRAPH AG-I 250 kN drawing device and the relation between tensile strength and wear property was analyzed. The results show that the hardness and ultimate tensile strength of (1WC+2SiCw)/Cu-Al2O3composites are 20.2% and 12.7% higher than those of Cu-Al2O3composites.The friction coefficient of (1WC+2SiCw)/Cu-Al2O3composite is the least (0.33), which is 42.1% lower than that of Cu-Al2O3composite.The wear morphology of (1WC+2SiCw)/Cu-Al2O3composite is the smoothest, and there is no large area arc ablation, and the number of grooves is small and superficial.Therefore, the wear mechanism of (WC+SiCw)/ Cu-Al2O3composite is mainly relevant to adhesive wear, abrasive wear and arc ablation; Nano-Al2O3particles, micro-WC particles and SiC whiskers strengthen the copper matrix and improve the strength and hardness of the composite, thus reducing the friction coefficient and wear rate of the copper matrix composite. Besides, the wear of Cu-Al2O3composites can be effectively improved when the mass ratio of WC particles and SiC whiskers is appropriate.

Cu-Al2O3composite material; wear property; nano-Al2O3particles; micro-WC particles; SiC whiskers; synergetic reinforcement

2021-03-13；

2021-06-07

LIN Huan-ran (1995—), Female, Master, Research focus: preparation and properties of novel copper matrix composites for current carrying friction.

國(guó)秀花（1981—），女，博士，副教授，主要研究方向?yàn)檩d流摩擦高性能銅基復(fù)合材料設(shè)計(jì)及其磨損機(jī)理研究。

Corresponding author：GUO Xiu-hua (1981—), Female, Doctor, Associate professor, Research focus: design and wear mechanism of high- performance copper matrix composites under current-carrying friction conditions.

林煥然, 國(guó)秀花, 宋克興, 等. (WC+SiCw)/Cu-Al2O3復(fù)合材料載流摩擦磨損行為[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(1): 33-42.

TG146.1；TH117

A

1001-3660(2022)01-0033-10

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.003

2021-03-13；

2021-06-07

國(guó)家自然科學(xué)基金（51605146, U1502274）；河南省重點(diǎn)研發(fā)與推廣專(zhuān)項(xiàng)（科技攻關(guān)項(xiàng)目）（212102210110）；河南省高等學(xué)校青年骨干教師培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（2018GGJS045）；中國(guó)博士后科學(xué)基金（2020T130172, 2020M682288）

Fund：Supported by the National Natural Science Foundation of China (51605146, U1502274), Key R&D and Promotion Projects in Henan Province(Scientific Research Public Relations Project) (212102210110), Henan Plan Project for College Youth Backbone Teacher (2018GGJS045), China Postdoctoral Science Foundation (2020T130172, 2020M682288)

林煥然（1995—），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檩d流摩擦領(lǐng)域用新型銅基復(fù)合材料制備及其性能研究。

LIN Huan-ran, GUO Xiu-hua, SONG Ke-xing, et al. Current carrying friction and wear behavior of (WC+SiCw)/Cu-Al2O3composites[J]. Surface Technology, 2022, 51(1): 33-42.