文章编号：1004-0609(2009)09-1613-05

C/C-Cu复合材料的载流摩擦磨损行为

杨  琳，易茂中，冉丽萍

(中南大学 粉末冶金国家重点实验室，长沙 410083)

摘  要：采用无压熔渗工艺制备一种新型的具有自润滑耐磨性能的炭纤维整体织物/炭-铜(C/C-Cu)复合材料，在改装的MM-2000型环-块摩擦磨损试验机上考察其载流摩擦磨损性能，利用扫描电子显微镜观察分析磨损的表面形貌，研究不同载荷和电流强度下复合材料磨损表面的变化规律。结果表明：C/C-Cu复合材料的体积磨损率随电流强度和载荷的增大而增大；摩擦因数变化呈单峰曲线，随电流强度的增大先升高后降低；载荷为30和70 N，摩擦因数的峰值出现在10 A；载荷为50 N，摩擦因数的峰值出现在5 A，这与摩擦面粗糙程度有关；电流引发的摩擦面高温是造成对偶表面熔融的重要原因。

关键词：C/C-Cu复合材料；熔渗；滑动磨损性能；加载电流

中图分类号：TB 331　　     文献标识码：A

Electrical sliding wear behavior of C/C-Cu composites

YANG Lin, YI Mao-zhong, RAN Li-ping

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

Abstract: A novel C/C-Cu composite with excellent wear resistance was fabricated by infiltrating molten Cu alloy into C/C preforms. The tribological behavior of the composite block with Cu ring counterpart was evaluated using an MM-2000 friction and wear tester. The worn surface morphologies of the composite blocks and Cu rings were analyzed by scanning electron microscopy. The influences of load and electric current on the tribological behavior of the composites were investigated. The results show that the wear rate of the composites increases with increasing load and electric current. The friction coefficient increases firstly and then drops with rising electric current, following a single peak curve. The peaks of 30 and 70 N appear in 10 A, while that of 50 N appears in 5 A. This may be related to surface toughness. The electric heat on the frictional surface might be the main reason for melting surface on Cu ring counterpart.

Key words: C/C-Cu composites; infiltration; sliding wear properties; electric current

近年来，随着铁路工业和电机工业的发展，滑动导电材料发展迅速。炭/铜复合材料作为一种集结构和功能为一体的金属基复合材料，由于具有优良的导电、导热、减磨、耐磨性能且成本低廉、工艺简单，在电刷、受电弓滑板等要求高导电性和耐磨性的滑动导电材料领域得到广泛的应用^[1-4]。此类材料的载流摩擦磨损现象广泛存在于电机电刷与整流子及受电弓和金属导线之间^[5]，其载流磨损性能直接关系到电机、仪表及电力机车运行的可靠性和稳定性。因此，炭/铜复合材料与铜在载流条件下的磨损行为研究具有重要现实意义^[6-7]。目前，在所研究的C/Cu复合材料中，炭的主要存在形式有炭颗粒、短碳纤维和长碳纤维等。但由于长碳纤维的成本和涂层成本均较高，涂层工艺还有待于完善，因此，人们主要采用短纤维和炭颗粒为C相通过以粉末冶金为主的固相成型方法来制备C/Cu复合材料^[8]。由于炭与铜的浸润性差，粉末冶金方法制备的复合材料一直存在两相分布不均、烧结强度低和传导性能差的问题。作为常见的滑动导电材料，电导率是C/Cu复合材料的重要性能指标之一。导电能力主要取决于铜的含量及分布^[9]。而在传统的C/Cu复合材料中，铜呈孤立岛屿状分布，很难发挥铜的优良导电性。BEECH和PRICE^[10]曾指出，炭/金属复合材料中的金属组分如果能连接成连续的三维网络，并保持炭相均匀分布在网络之间，将能更有效地利用炭/金属复合材料中金属的导电性。传统制造C/Cu复合材料的粉末冶金技术和金属浸渍技术很难实现上述设想。

本文作者采用液相熔渗方法制备一种Cu相呈网络状分布的炭纤维整体织物增强铜基(C/C-Cu)复合材料^[2-3]。该方法无需浸渗压力，对预制件强度要求小，所需设备及工艺简单，周期短易实现工业化生产，在经济和工艺上有很大竞争力。采用改装的MM-2000型环-块摩擦磨损试验机研究其载流摩擦磨损行为，探讨在不同载荷和电流强度下复合材料摩擦磨损行为的变化规律，从微观角度探讨载流磨损机制，以期为开发新型的高导电高耐磨材料提供试验依据。

1  实验

1.1  实验材料制备

本实验中采用无压熔渗方法制备C/C-Cu复合材料。将由聚丙烯腈炭纤维制得的炭毡和无纬布叠层加Z向针刺得到密度为0.5~0.6 g/cm³的针刺整体毡，经化学气相渗透(CVI)增密至1.5 g/cm³，成为孔隙连通的炭/炭(C/C)坯体。将25 mm×25 mm×50 mm的C/C坯体包埋于由Cu粉和Ti粉混合而成的熔渗剂粉末中，在真空条件下高温熔渗制得C/C-Cu复合材料。

1.2  物理性能测试

分别采用CSS-44100型电子万能试验机，A-200型布洛维硬度计和JB690－65/0.02级QJ36型单双臂两用电桥测试试样的弯曲强度，洛氏硬度值(HRF)和电阻率。采用JSM 5600LV型扫描电镜观察材料的显微结构和磨损表面形貌。

1.3  摩擦磨损性能测试

载流摩擦测试在改装的MM-2000型环-块摩擦磨损试验机上进行，实验电源为直流电源，实验装置示意图如图1所示。对偶环为紫铜，硬度为HRB30~40。滑动速度0.42 m/s，载荷分别选择30、50和70 N，电流强度为0~20 A，实验时间为120 min。试样尺寸为20 mm×12 mm×6 mm，试验前将20 mm×12 mm的工作面均经研磨抛光至表面粗糙度R_a为0.02~0.05 μm，并用丙酮超声波清洗。按GB 12444.2—90标准测量磨痕宽度并按式(1)和(2)转换为体积磨损率。

图1  电磨损实验装置示意图

Fig.1  Schematic diagram of electrical wear equipment

2  结果与分析

2.1  C/C-Cu复合材料的组织及物理性能

表1所列为C/C-Cu复合材料及C/C坯体的基本性能参数。由表1可以看出，C/C坯体渗入Cu后机械性能和导电性能大幅度提高。图2所示为所制备的C/C-Cu复合材料组织形貌。其中黑色区域为纤维整体织物，白色区域为铜合金。从图2中可看出，熔融铜合金充分填充C/C坯体内连贯的孔隙，形成网络状分布的铜合金基体。

表1  C/C-Cu复合材料及C/C坯体的物理性能

Table 1  Properties of C/C-Cu composites and C/C performs

图2  炭纤维整体织物/炭-铜复合材料的微观组织形貌

Fig.2  Microstructure of C/C-Cu composites

2.2  载荷和电流对摩擦磨损性能/规律的影响

图3所示为不同载荷下复合材料的摩擦因数随电流强度的变化。由图3可以看出，在未加载电流和电流强度为5 A的实验条件下，复合材料的摩擦因数在50 N时最大，30 N时次之，70 N时最低；而当电流达到10 A后，摩擦因数在50 N时最小，30 N时最大，70 N居中；在所有载荷下，随着电流强度的增大，摩擦因数均遵循先增大后减小的规律；载荷为30和70 N时，摩擦因数的最高值均出现在电流为10 A的实验条件下；载荷为50 N，电流为5 A时摩擦因数最大。图4所示为不同载荷下复合材料体积磨损率随电流变化的关系。从图4中可以看出，复合材料的体积磨损率基本上遵循随电流强度和载荷的增大而增大的规律。

图3  C/C-Cu复合材料在不同载荷下摩擦因数随电流的  变化

Fig.3  Change of friction coefficient with electric current under different loads

图4  C/C-Cu复合材料在不同载荷下体积磨损率随载荷的变化

Fig.4  Change of specific wear rate with electric current under different loads

2.3  摩擦表面分析

图5所示为不同载荷下C/C-Cu复合材料在电流 5 A时磨损2 h后的摩擦面形貌。由图5可以看出，复合材料在30和70 N载荷下磨损表面较为平整，50 N载荷下的磨损面较为粗糙；在载荷为30 N时，磨痕轻浅细微，摩擦表面没有明显的犁沟和材料粘着转移现象；载荷增至50 N时，试样磨损表面Cu含量明显升高(见表2)。这是由于试样中的Cu和对偶Cu粘着点增加，导致了软材料向硬材料表面转移，即对偶上的Cu转移至试样表面，故而摩擦因数升高。由于对偶件上的Cu粘着在试样表面，在摩擦切向力的作用下对偶件上的Cu便在C相表面延展，使得试样摩擦表面上C相的表面积减少，而Cu相的表面积增加，形成了如图5(b)所示的摩擦面形貌。当试样处于70N载荷下，磨痕粗大但表面平整。由表2可见，70 N载荷下磨损表面O含量明显升高。据此推测高压反复碾磨使得试样摩擦表层硬度提高且形成氧化膜。氧化膜阻隔了对偶件中的Cu和试样中的Cu直接接触，减轻了粘着效应。另一方面可能是由于在载荷为70 N时，高硬度的复合材料表面被较软的对偶表面抛光，试样摩擦表面上的微凸体逐渐被磨平，摩擦表面在反复碾压作用下趋于光滑，从而形成较为平整的摩擦面面形貌。在这种情况下，由于对偶难以再粘附在光洁的硬表面上，导致粘着作用的减弱，使得摩擦因数有所下降。

图5  不同载荷下C/C-Cu复合材料在电流5 A时的摩擦表面形貌

Fig.5  Morphologies of worn surfaces of C/C-Cu composites under electric current of 5 A and different loads: (a) 30 N;    (b) 50 N; (c) 70 N

表2  C/C-Cu复合材料在不同载荷下磨损表面的化学成份

Table 2  Chemical compositions of worn surface of C/C-Cu composites under different loads

图6所示为Cu对偶在载荷为70 N时与C/C-Cu复合材料对磨2 h后的摩擦面形貌。由图6可看出，在载流摩擦过程中，复合材料与Cu对偶产生的热量散失在接触面表层。较硬的磨损表面“犁入”由于受热而软化的Cu对偶表面，使得Cu对偶环表面布满了犁沟，形成如图6(a)所示形貌。当电流强度提高至15 A时，Cu对偶表面犁削特征消失，有明显的熔融痕迹。这是由于载流实验条件下，摩擦过程不仅产生摩擦热，还增加了电弧热和电阻热^[11-12]，故而电流越大，产生的电阻热和电弧热越大，引发摩擦副接触面高温，瞬间温度甚至超过了紫铜的熔点，产生局部融化，从而形成了图6(b)所示形貌。

图6  不同电流下Cu对偶环在70 N载荷下的摩擦表面的 形貌

Fig.6  Morphologies of worn surfaces of Cu rings under load of 70 N and different currents: (a) 10 A; (b) 15 A

2.4  载流磨损机理

以往的大量研究表明^[13-14]，摩擦磨损行为与接触面的温度有很大关系，接触表面温度过高，会改变摩擦副的接触方式，进而影响材料性能。载流磨损条件下，电流引发电阻热和电弧热，因此，摩擦副的接触面温度比无电流摩擦条件下的高。本研究发现，C/C-Cu复合材料和Cu组成的摩擦副在电流强度较低时，电流和摩擦引起表面高温使得Cu对偶软化，摩擦副实际接触面积增加，摩擦阻力增大，摩擦因数升高，较硬的复合材料犁入对偶软化层形成犁沟形貌。随着电流的增加，摩擦副接触面间的温度进一步升高，高温导致Cu对偶表面熔融，摩擦副相对滑动需克服的剪切力降低所以摩擦因数降低。在所有载荷下，随着电流强度的增大，摩擦因数均呈现先升高后降低的规律。

由于表面粗糙度的存在，摩擦副的真实接触面积很小^[15]。表面越粗糙，真实接触点越少，电流流过接触面时产生的电阻热越高。同时，粗糙表面容易使得摩擦接触点断开产生电弧，瞬间电弧高温会引发局部融化。因而粗糙度高的接触表面对电流变化更为敏感。由于载荷为50 N时形成的摩擦表面较为粗糙，故较低的电流就可引发对偶的软化甚至熔融，摩擦因数的峰值比较早到。

3  结论

1) C/C-Cu复合材料的体积磨损率随电流强度和载荷的增大而增大。

2) 摩擦因数随电流强度的增大先升高后降低，呈单峰曲线。载荷为50 N时，摩擦因数的峰值比较早到，这与摩擦面粗糙程度有关。

3) 电流引发的摩擦面高温是造成对偶表面熔融的重要原因。

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(编辑 李艳红)