Cu/Mo5Si3p復合材料的摩擦磨損性能研究

趙麗紅，黃 雨，麻日來，呂振林

(1.江西銅業集團(德興)建設有限公司，江西德興 334224;2.江西銅業集團

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

1 引言

銅及銅合金優良的導電、導熱性能和摩擦磨損性能使其成為了應用廣泛的導電、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。強化銅的手段主要有兩種，一是合金化(大多數銅的強化都是采用此方法)，一是復合化，通過顆粒、纖維與銅復合提高銅的強度和硬度。常用的顆粒增強相有碳化物、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、強度和彈性模量、良好的高溫抗氧化性、抗腐蝕性和導電性能［5－6］。因此將硅化鉬作為增強相引入到銅基體中，在提高銅基體強度和降低磨損的同時，又不過大降低其導電性能［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用具有重要意義。本文研究了液相燒結制備的Mo5Si3/Cu復合材料與正火態45#鋼對摩的摩擦磨損性能，考察了增強相含量和接觸載荷對Mo5Si3/Cu復合材料摩擦磨損性能的影響。

2 實驗方法

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。坯體經過干燥后 (60℃，4h)后放入可控氣氛燒結爐中在1250℃氮氣保護下燒結2小時。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。銅基復合材料的金相組織在XJB－1型金相顯微鏡上觀察。銅基復合材料的硬度 (布氏硬度，HB)在HB－3000型布氏硬度計上測定。

銅基復合材料的摩擦磨損性能在銷盤式MPX－2000型摩擦磨損試驗機上測定，銷試樣為銅基復合材料，尺寸為4 mm×4 mm×15mm，并以純銅銷試樣進行對比試驗。盤試樣為正火態45鋼，尺寸為Φ30×5mm。試驗條件為:法向載荷20N、滑動速度 1.324m/s，室溫干摩擦，試驗時間30min。在達到穩定磨損狀態后測量摩擦系數，采用精度為0.1mg的電子天平測定試樣磨損前后的質重，進而計算出銅基復合材料的質量損失量。磨損率以單位時間的質量損失量來表示。摩擦系數和磨損量取3次重復試驗的平均值。在JSM－6700F場發射掃描電子顯微鏡 (SEM)上觀察分析銅基復合材料的磨損表面形貌。

3 結果與討論

3.1 復合材料的微結構及硬度

制備的銅基復合材料的相組成如圖1所示。從中可見，XRD衍射圖譜中出現了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在燒結的過程中轉變成了Mo5Si3。對其組織觀察可見，Mo5Si3增強顆粒 (深灰色)比較均勻地彌散分布在銅基體 (淺灰色)中，形狀不規則，邊界線曲折不平，且增強顆粒與銅基體之間的界面清晰，同時存在黑色物，如圖2所示。尺寸大些的黑色物為燒結時留下的孔洞，而尺寸小些的且在Mo5Si3粒子周圍的則為SiO2，對其進行的能譜測試結果如表1所示。

圖1 液相燒結銅基復合材料XRD圖譜

圖2 Cu/Mo5Si3復合材料的金相組織

表1 能譜分析結果

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

對該復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。并且隨著增強顆粒質量百分數的增加，銅基復合材料的硬度增加。

圖3 MoSi2加入量對銅基復合材料硬度的影響

3.2 Cu/Mo5Si3復合材料摩擦磨損性能

在20N載荷和1.324m/s滑動速度的摩擦磨損條件下，Cu/Mo5Si3復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。這個變化趨勢正好與相應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化作用，使銅基復合材料的抗磨性能有所提高。

圖4 MoSi2加入量對銅基復合材料磨損率的影響

圖5 MoSi2加入量對銅基復合材料摩擦系數的影響

同時，隨著增強相 MoSi2加入量的增加，Cu/Mo5Si3復合材料的摩擦系數也減小，如圖5所示。當MoSi2的加入量達到20wt%時，銅基復合材料的摩擦系數降到了0.3668。這表明增強相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嚴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推碾作用下，純銅表面發生了嚴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條件下的主要磨損機制。

圖6 MoSi2加入量對銅基復合材料摩損表面的影響

而Cu/Mo5Si3復合材料磨損表面平行于滑動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。這是因為加入16 wt%MoSi2的銅基復合材料中增強相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Mo5Si3顆粒凸出銅基體表面，凸起的增強相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，從而提高了銅基復合材料的耐磨性能。

Cu/Mo5Si3復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，還出現了O和Fe元素，如圖7所示。由于摩擦磨損試驗是在大氣條件下進行的，在銅或銅基復合材料與鋼干摩擦過程中，因摩擦熱的產生將使摩擦表面產生較高的溫度，從而促使摩擦材料的摩擦表面發生氧化，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，相當于在摩擦副表面形成了潤滑劑［10－12］，由此降低了 Cu/Mo5Si3復合材料的摩擦系數。但在摩擦過程中，摩擦表面形成的氧化膜也會發生脫落，并且存在摩擦表面形成磨粒磨損，由此也促進了Cu/Mo5Si3復合材料的磨損增大。

圖7 試樣磨損表面的EDS分析

4 結論

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

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

(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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