第28卷第5期摩擦学学报Vol.28　No.5 2008年9月Tribol ogy Sep t2008干摩擦条件下铜2石墨复合材料与ZQA l924铝青铜的磨损图研究马文林1,2,吕晋军1(1.中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,甘肃兰州　730000;2.中国科学院研究生院,北京　100039)摘要:考察了铜2石墨复合材料和商品Z QA l924铝青铜材料在干摩擦条件下的室温摩擦磨损性能,得出了两者的磨损图.结果表明:铜2石墨复合材料表现出优异的减摩性能;铜2石墨材料的磨损体系可以分为轻微磨损(磨损率小于1×10-4mm3/m)、中等磨损(1×10-4～1×10-3mm3/m)和严重磨损(磨损率大于1×10-3mm3/m)3个区域,而Z QA l924铝青铜的磨损体系可分为轻微磨损、中等磨损和咬合3个区域;在载荷小于5N,滑动速度处于0.005～0.05m/s时,铜2石墨复合材料表现出比铝青铜更优异的耐磨性.关键词:铜2石墨复合材料;铝青铜Z QA l924;磨损图中图分类号:T H117.3文献标志码:A文章编号:100420595(2008)0520389205 以铜或铜合金为基体、石墨或二硫化钼为固体润滑相的自润滑复合材料具有低摩擦、耐磨损的特点,可在室温到400℃的温度范围内作为轴承材料以及通电条件下的电刷材料使用[122].由于石墨的加入对复合材料的力学性能影响较大,通常采用基体合金化的方法来获得足够的强度和耐磨性[3].也有采用细化石墨颗粒以提高材料的力学性能并改善其摩擦学性能的研究报道[4].近年来,铜包石墨或镍包石墨的研究也取得了一定进展[526].铜2陶瓷颗粒2石墨杂化材料的摩擦学性能,特别是高温摩擦学性能优异,这与陶瓷颗粒提高了基体的高温抗塑性变形能力有关[7].应该指出的是,铜基自润滑复合材料的摩擦学研究中针对试验条件,特别是速度对其性能影响的研究还很薄弱.主要体现在所评价的速度范围较窄,在低速(小于0.01m/s)和高速(大于2m/s)的材料摩擦学行为评价还不多见;而铜基自润滑复合材料与商品合金的摩擦学性能的比较应在宽的速度和载荷范围内进行.在摩擦过程中,除了摩擦系数和磨损率以外,材料的体相温度测量具有一定意义[8].基于此,本文制备出铜2石墨复合材料,在无润滑条件下,考察并比较了商品Z QA l924铝青铜和铜2石墨复合材料与Cr W Mn钢对摩时的摩擦磨损性能,比较了低速条件下2种材料的性能差异.1　实验部分1.1　材料采用粉末冶金工艺制备Cu25%Graphite复合材料(质量分数,下同),所用铜粉与石墨粉粒度分别小于76μm和42μm.首先在行星式球磨机中混料8h,然后以300MPa压力冷压成型,最后在氢气炉中进行烧结,烧结温度为800℃,保温30m in后随炉冷却.用阿基米德法测出材料密度为6.90g/c m3;布氏硬度HB31.5(压头直径2.5mm,负荷62.5kg,保压时间30s);参照G B/T731422005测定出材料的压缩强度σ为235.6MPa.由于Z QA l924铝青铜(8.0%～9.0%A l,2.0%～4.0%Fe,杂质元素含量小于1.0%,其余为Cu)通常被用于制造高强度抗磨零件(如齿轮和轴套等),所以我们采用该合金作为对比材料.1.2　摩擦磨损试验摩擦磨损试验在瑞士CS M公司产T HT072135型高温摩擦磨损试验机上进行.采用栓2盘接触方式(见图1).栓材料选用所制备的复合材料或Z QA l92基金项目:国家自然科学基金资助项目(50675216);中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室基金资助项目(0501).收稿日期:2008201210;修回日期:2008204230/联系人吕晋军,e2mail:jjlu@作者简介:吕晋军,男,1971年生,博士,研究员,目前主要从事材料摩擦学研究.Fig1　A sche matic of p in2on2disk contact andmeasure ment of bulk te mperature of p in图1　摩擦接触方式和栓体相温度测量示意图4铝青铜(<5mm×15mm),为了防止接触应力突变,提高接触稳定性,将样品栓接触棱边进行C1倒角(1×45°)处理.盘试样选用Cr W Mn钢(0.90%～1.05%C,0.15%～0.35%Si,0.80%～1.10%Mn, 0.90%～1.20%Cr,1.20%～1.60%W,S、P含量小于0.06%,其余为Fe),其表面粗糙度Ra为0.28～0.50μm,硬度HRC63～64.试验在空气气氛、室温下进行,相对湿度RH为30%～40%,载荷1～15N,滑动速度为0.005～3.000m/s,低速(0.005m/s)下的滑动距离为50～100m,发生咬合时的滑动距离< 10m,其余情况下的滑动距离均为1km.试验前用丙酮超声清洗试样表面.通过力传感器采集得到力矩,并由软件计算自动获得摩擦系数.铜2石墨复合材料和Z QA l924铝青铜的磨损率由称重法并计算获得,所用电子天平精度为0.1mg.由于Cr W Mn钢出现负磨损,在文中其磨损率不予考虑.以材料的体积磨损率定义轻微磨损、中等磨损和严重磨损,分别为小于1×10-4mm3/m、1×10-4～1×10-3mm3/m和大于1×10-3mm3/m.摩擦过程中所产生的能量主要以摩擦热的形式从摩擦界面向外界传导或辐射出去.研究表明[9],在栓2盘接触方式下,从摩擦界面向2种材料的热传导中,栓的温度梯度较规律且便于测量,所以采用如图1所示的方法测定栓材料在摩擦系统达到稳定时的体相温度,并用于评估摩擦过程中的摩擦热,所用K型热电偶的测量误差为0.75%.2　结果与讨论2.1　摩擦系数表1列出了铜2石墨复合材料和Z QA l924与Cr W Mn钢对摩的摩擦系数.可见:Z QA l924的摩擦系数较高(0.39～1.14),而铜2石墨复合材料的摩擦系数较低(0.12～0.31),低于Z QA l924的50%以上,具有较好的自润滑性能;在滑动速度小于0.1m/s时, Z QA l924的摩擦系数为铜2石墨复合材料的3倍,这主要是由于低速时黏着所引起的黏滑较严重,同时也说明石墨的固体润滑作用可以有效抑制黏滑.在一定速度下,两者的摩擦系数都随载荷增加而减小.对铜2石墨复合材料来说,这是由于载荷的增加可以使更多的石墨涂抹到摩擦界面[10],从而起到更好的减摩作用;而对于Z QA l924,则可能是由于载荷的增加导致了接触面积急剧增大,从而降低了接触应力;在固定载荷下,随着速度增加,由摩擦热引起的表面温升会导致材料软化,从而降低摩擦界面的剪切力,这可能是Z QA l924的摩擦系数随速度增加呈下降趋势的主要原因.而铜2石墨材料的摩擦系数基本保持稳定,这与石墨在摩擦界面形成稳定的自润滑膜有关.2.2　体相温升随着载荷与速度的增加,Z QA l924的体相温度迅速升高[图2(a)],最高温升达54℃,而在某些发生咬合的条件下,由于试验进行了很短时间就被迫停止,所以体相温度并不高,如在15N,0.1m/s时温升只有6℃;从图2(b)可以看出,铜2石墨复合材料体相温度的增加较Z QA l924略显平缓,相同条件下比Z QA l924的温升低50%,这说明铜2石墨复合材料在摩擦过程中所产生的摩擦功较低.在滑动速度低于0.1m/s时,2种材料的体相温度变化不大,在该区域可能摩擦热对材料磨损的影响很小.可见在类似工况条件下,改进材料的方法应该与一般条件下有所区别.2.3　磨损图图3给出了Z QA l924和Cu2石墨复合材料在滑动速度0.1～3.0m/s时的磨损图.可以看出,当载荷1N、滑动速度1.5～3.0m/s时,Z QA l924的磨损属于轻微磨损,而多数情况下属于中等磨损,没有出现严重磨损.在高pv值(如10N,1.5m/s)条件下,尽管磨损率只有4.24×10-4mm3/m,但还是出现咬合.铜2石墨复合材料的轻微磨损区域出现在1N, 0.1～0.5m/s条件下.在此速度范围以外的区域,磨损率均增加了1～2个数量级,并转变为中等磨损.严重磨损发生在高载、高速(15N,3m/s)时.值得注意的是,Cu2石墨复合材料在所有试验条件下均没有发生咬合,与铝青铜形成了鲜明对比.在滑动速度低于0.1m/s时,2种材料的磨损率增大,图4分别给出了Z QA l924和铜2石墨复合材料在滑动速度小于0.1m/s下的磨损图.可见,在载荷093摩　擦　学　学　报第28卷表1　铜2石墨复合材料与ZQA l924的平均摩擦系数Table 1　Average fr i cti on coeff i c i en ts for Cu 25%graph ite co m posite and ZQA l924v /(m ・s-1)Load /N1Cu 25%Gr Z QA l9245Cu 25%Gr Z QA l92410Cu 25%Gr Z QA l92415Cu 25%GrZ QA l9240.0050.29 1.010.170.530.150.48--0.010.31 1.140.180.570.160.45--0.020.30-0.18-0.16---0.050.310.930.170.520.160.48--0.10.310.670.210.480.180.430.18Seizure 0.50.280.600.200.490.170.460.16Seizure 1.00.290.620.190.490.160.460.16-1.50.290.590.180.490.160.43a0.12-2.00.260.580.180.430.15-0.14-2.5-0.58-0.39----3.00.240.500.160.410.14-0.20b- Note:a is the average fricti on coefficient bef ore seizure occurred,b is the average fricti on coefficientwithin a sliding distance of 100m at severe wearregi m e,“-”is not available . 注:a 为出现咬合前的平均摩擦系数;b 为磨损严重时运行100m 的平均摩擦系数;2为未测实验点.193第5期马文林等:　干摩擦条件下铜2石墨复合材料与Z QA l924铝青铜的磨损图研究Fig4　W ear rate map f or Z QA l924and Cu2graphite co mposite within a sliding s peed range of5～50mm/s 图4　滑动速度5～50mm/s时Z QA l924和铜2石墨复合材料的磨损图小于5N(即图中曲线下方区域)时,铜2石墨复合材料的磨损率比Z QA l924低.结合图2可以看出,这个区域的材料体相温度基本不变,材料受摩擦热影响而导致基体承载能力下降并不是磨损增加的主要原因,所以采用基体合金化等方法对提高其摩擦磨损性能的作用还需进一步验证,而自润滑复合材料有望满足这种极端工况条件的使用要求.3　结论a.　铜2石墨复合材料具有优异的自润滑能力,其摩擦系数远低于Z QA l924锡青铜,相同条件下的体相温升比Z QA l924低50%以上.b.　当滑动速度大于0.1m/s时,2种材料均出现由轻微磨损向中等磨损的转变,但轻微磨损的区域不同;虽然Z QA l924没有出现严重磨损,但是在某些高pv值区域出现了咬合,而铜2石墨复合材料没有咬合区.c.　在滑动速度小于0.1m/s时,铜基自润滑复合材料是可以满足实际工况要求的有效途径之一.参考文献:[1]　Feng Y,Ying M,W ang C.I n:Ra makrishnan P.(Ed.).Pr o2ceedings of advances in composite materials[C].AS M I nterna2ti onal,I ndia Chap ter,Bombay,I ndia,1990.6312634.[2]　Da Hai He,Rafael Manory.A novel electrical contact materialwith i m p r oved self2lubricati on f or rail w ay current collect ors[J].W ear,2001(249):6262636.[3]　王静波,吕晋军,宁莉萍,等.锡青铜基自润滑材料的摩擦学特性研究[J].摩擦学学报,2001,21(2):1102113.W ang J B,Lu J J,N ing L P,et al.Study on the tribol ogical be2 havi or of br onze2matrix self2lubricating composites[J].Tribol ogy,2001,21(2):1102113.[4]　张钦钊.石墨粒度及其表面化学镀铜对铜2石墨复合材料性能的影响[D].福州大学,2005.Zhang Q Z.The effect of graphite particle size on the p r operties of copper2graphite composites made with copper2coated and uncoated graphite powders via electr oless copper p lating[D].Fuzhou:Fuzhou University,2005.[5]　Moustafa S F,El2Badry 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924MA W en 2lin1,2,LU J in 2jun1(1.S tate Key L aboratory of Solid L ubrication,L anzhou Institute of Che m ical Physics,Chinese A cade m y of Sciences,L anzhou 730000,China;2.Graduate School,Chinese A cade m y of Sciences,B eijing 100039,China )Abstract:D ry sliding wear tests were perf or med on a copper 2graphite composite and a copper all oy Z QA l924within a wide s peed range of 0.005～3.000m /s,and the wear rate map f or t w o materials was established .Copper 2graph 2ite composite showed excellent anti 2fricti on p r operty compared with Z QA l924.Three wear regi m es,na mely m ild wear regi m e with volu me wear rate less than 1×10-4mm 3/m ,moderate wear regi m e with volume wear rate bet w een1×10-4mm 3/m t o 1×10-3mm 3/m and severe wear regi m e with volume wear rate higher than 1×10-3mm 3/mwere classified and observed .Copper 2graphite composite possessed the three wear regi m es while Z QA l924showed m ild and moderate wear regi m es .A lthough there was no severe wear regi m e f or Z QA l924,seizure occurred as the l oad and sliding s peed reached a critical value .A t l oad l ower than 5N,the wear resistance of copper 2graphite com 2posite was higher than that of Z QA l924within a s peed range of 0.005～0.050m /s .Key words:copper 2graphite composite,Z QA l924,wear rate mapAuthor:LU J in 2jun,male,born in 1971,Ph . D.,Pr ofess or,e 2mail:jjlu@lzb .ac .cn393第5期马文林等:　干摩擦条件下铜2石墨复合材料与Z QA l924铝青铜的磨损图研究。