石墨铜基复合材料摩擦磨损原理概述.doc

石墨铜基复合材料摩擦磨损原理概述 黄显峰 （吉林省教育学院人事处，吉林长春130022） 摘要：目前，工业中常用的聚合物减摩自润滑材料有聚酰亚胺、聚甲醛、聚乙烯、聚四氟乙烯等。其中，尤以聚四氟乙烯的摩擦系数最低，静摩擦系数仅为0.04。但由于聚合物机械力学性能比较差，耐热散热导热性能差，大大缩小了其适用范围，只能应用于常规工况中，例如高载荷、高速、高温等工况奈件下，使用聚合物润滑材料反而起不到应有的作用。 关键词：铜基复合材料；摩擦磨损；材料成型；摩擦系数 ：TC7：A：I671-1580(xx)10-0153-02 由于复合材料中基体与填人物都是以自身形态独立存在，因此，为了满足其性能要求，当成分配比适合时，制备所用的工艺对材料最终的性能起决定性作用。在这一前提下，在铜基复合材料的制备过程中需要考虑以下几个方面：基体铜与填人物的结合方式。复合材料中的结合主要有两种，一种是化学结合，一种是机械结合。铜基体与填人物在制备过程中界面的形成过程。如果界面之间是物理结合，则只需要考虑基体在制备过程中的变化；如果界面之间是化学结合，在考虑基体变化的过程中，还需要分析界面处的反应，以及生成新相的性能。填人物的分布会影响到铜基复合材料的整体性能。这时需要考虑到基体与填人物的初始形态以及密度等因素。若基体与填人物初始形态相同（如均为粉末），二者之间可以均匀混合；若基体与填人物初始形态不同（如基体为粉末，填人物为纤维），需要注意是否均匀混合。若填人物为连续纤维，不仅要考虑纤维的分布，同时纤维的取向与纤维的完整性也需考虑。制备工艺的确定和参数的优化。有时铜基复合材料需要采用液态法制备。在这一过程中，基体铜或填人物都会转化成液态。此时，由于两者之间密度的差异，会导致分层现象。密度大的向下扩散，密度小的向上偏聚，最后影响铜基复合材料的整体性能。 表1列出了目前常用的铜基体复合材料的制备方法。由此可见，铜基复合材料的制备方法是多种多样的。 一、扩散结合成型法 采用扩散结合工艺制备铜基复合材料，由于工艺复杂，对工艺参数的控制要求严格，因此，对于设备的精确度要求极高，很难适用于工业化生产。但由于连续纤维在铜基体中的分布均匀和完整性要求，扩散结合则成为连续纤维增强铜基复合材料的唯一可行工艺。 二、粉末冶金成型法 与同类制备技术相比较，采用粉末冶金工艺制备铜基复合材料具有以下特点：将铜基体熔化成液态，然后采用压铸或半固态复合铸造等工艺，制备铜基复合材料的方法被统称为液态法，亦称熔铸法。 三、压铸成型法 首先将铜基体熔成液态，然后通过施加压力(70-100MPa)，将液态铜基体以一定的速率压注填入模型腔体或基体中填人物构成的预制体孔隙中，最后快速冷却凝固制备铜基复合材料的工艺被称为压铸。 在压铸工艺中，需要研究的工艺参数有压力、加压速率、温度和模具预热速度。为了制备致密的铜基复合材料，通常选用高于50MPa的压力。加压速率则由模型腔体或者填人物构成的预制体的强度而定，以其不变形为最佳加压速率，一般选择13cm/s。模具或填人物预制体的温度控制在与熔融态铜基体的温度同步，这样可以进行能量互补。当熔融态铜基体温度较低时，可以升高模具或填人物预制体的温度，反之亦然。 利用压铸工艺制备的铜基复合材料，组织细密、无空隙，比之一般金属铸件的性能要好一些。与固态法中的扩散结合和粉末冶金法相比，设备简单，成本低廉，产品质量稳定，效率高，易于工业化大规模生产。 四、半固态复合铸造成型法 将铜基体熔融至半固态，然后将填人物加入半固态铜基体中，通过搅拌的方式使填人物在铜基体中均匀分布，然后浇注在模具腔体中成型，这种工艺被称为半固态复合铸造法。 在使用半固态复合铸造法制备铜基复合材料的过程中，为了使得填人物均匀分布在铜基体中，会对半固态铜基体进行强烈搅拌，在搅拌的过程中则会引入气体，导致基体被氧化。当填人物与铜基体之间的润湿性较差时，由于一直在搅拌，两相之间更难形成稳定的界面，最终影响到铜基复合材料的整体性能。 将铜基体熔化成液体，然后在压力作用下注入雾化器，雾化器中通入高速惰性气体流，在高速气体流的作用下，液态基体铜被分散成极细小的液滴，同时通过其他喷嘴向雾化铜基体中注入填人物，使之与雾化铜基体在基板（收集器）上凝固沉积，进而形成颗粒增强铜基复合材料，这种工艺被称为喷射沉积，大约是在20世纪80年代逐渐成型。其结合了粉末冶金和金属凝固两种成型技术的原理和工艺。 制备复合材料是集两种性能不同的材料于一体的一种技术手段，而基体与填人物之间的润湿是成型的关键。润湿性不仅对铜基复合材料的高温制备过程有影响，同时还决定着成型复合材料的性能稳定性，甚至是高温性能稳定性。上述无论是液态成型法还是固态成型法，填人物与基体界面之间都会发生化学反应。如果填人物能够在基体铜相界处直接（即原位）生成，则成型关键问题界面润湿迎刃而解。因为原位形成的填人物与基体之间结合效果是其他工艺制备的界面结合难以比拟的，其中既不存在界面化学反应，也无需考虑形成新相的热力学问题。这种工艺即被称为原位复合成型。目前，这种方法已在陶瓷基复合材料和金属间化合物基复合材料的制备中得到了推广和应用。 粘着磨损通常被称为咬合磨损或者胶合磨损，是两物体接触表面相对滑动时在法向载荷作用下所产生的磨损。其本质是两个摩擦副之间原子键形成（显微熔接）和分离过程，通常产生小颗粒状的磨损产物，并且从一物体表面转移到另一物体表面。然后由于表面层发生断裂，转移到另一表面上的颗粒又反转移到原来的表面上。在这种转移与反转移过程中，颗粒通常会以自由磨屑的状态脱落下来。 霍姆从微观方面人手分析粘着磨损机理，推导出了粘着磨损量V(mm3)的表达式1-1： 式中，K为磨损系数，P为载荷，H为材料硬度，L为摩擦距离。 粘着磨损过程一般可分为三个阶段。第一阶段称为跑合阶段，也称磨合阶段或磨合磨损阶段，第二阶段称为稳定磨损阶段，第三阶段称为急剧磨损阶段，也称为破坏磨损阶段。 磨料磨损又称磨粒磨损，是指摩擦副的基础件被配对件的表面粗糙凸峰或中间物质里的硬颗粒划伤或微切削的过程。凸峰或硬颗粒一般为摩擦所产生的非金属材料或落入摩擦副间的金属屑。磨料磨损通常是多种机制共同作用的结果，在发生磨料磨损时，作用在质点上的力可分解为垂直分力与水平分力，垂直分力将硬质点压人材料表面，水平分力促使硬质点与表面之间产生相对位移。它们之间相互作用的结果是被磨损表面产生犁皱或切屑，形成磨料磨损或在材料表面留下沟槽。 参考文献 1薛群基，吕晋军，高温固体润滑研究的现状