石墨相形态对铜/石墨复合材料摩擦学性能和可靠性的影响

采用真空热压烧结工艺制备了石墨相形态为粉体(粒径约5 μm)、鳞片状(粒径445~636 μm)和近球形颗粒状(粒径200~300 μm)的铜/石墨复合材料,考察了以Al₂O₃陶瓷为摩擦副条件下石墨相形态对铜/石墨复合材料摩擦磨损性能及作用机制的影响,并探讨了材料在外载作用下的可靠性. 结果表明:石墨相形态不同时,石墨相和金属铜在材料中的分布方式也随之改变,进而影响到材料的摩擦学性能和力学性能. 在保持复合材料中石墨相含量不变的基础上,将石墨相形态从微米级粉体转变为各向异性的大块鳞片状石墨,再转变为各向同性较好的大尺寸近球形颗粒状石墨时,石墨相在材料中与金属铜形成的弱界面含量逐渐减小,金属铜的三维连续性变得更好. 材料在受到外载破坏时,从石墨相与铜基体界面萌生裂纹的扩展应力可被连续金属铜及时吸收钝化,使材料抵抗裂纹破坏的能力明显提高. 当石墨相为近球形颗粒状时,材料的抗弯强度、抗压强度、断裂韧性和冲击韧性分别高达155.4±3.6 MPa、353.5±24.7 MPa、5.3±0.6 MPa·m1/2和4.0±0.4 J/cm2. 此外,石墨相形态对材料的摩擦学性能也有重要影响,当石墨相以粉体形态存在时,石墨相与金属铜间形成的弱界面越多,铜基体的连续程度被石墨显著割裂,在摩擦力作用下割裂的铜颗粒易被剥离进入摩擦界面,与摩擦副形成“三体”磨损,导致材料的大量磨损. 当石墨相以鳞片状形态存在时,石墨相的聚集程度相对增加,使得金属铜的连续程度相对提高,可避免发生类似复合粉体形态石墨材料的磨损. 但是,鳞片状石墨呈大块片层状,形状各向异性,随着材料表面鳞片石墨的摩擦损耗,或者垂直于材料表面的鳞片石墨较多时,将造成摩擦副间摩擦系数较大的波动. 当石墨相为近球形颗粒状时,较为均匀的石墨相空间分布状态、三维连续结构的铜基体和润滑相/承载基体呈现的软/硬交替结构使得铜/石墨复合材料具有低且平稳的摩擦系数以及优异的减摩抗磨性能. 本文中以Al₂O₃栓为摩擦对偶时,复合材料的摩擦系数和磨损率分别低至0.13±0.02和5.4×10?6 mm3/(N·m).      

铜包石墨填充PTFE基复合材料 摩擦学特性的研究

研究了铜包石墨和铜／石墨混合填充ＰＴＦＥ基复合材料的微观结构、力学性能及摩擦学特性．结果表明,铜包石墨填充ＰＴＦＥ复合材料的抗压缩性能、抗拉伸性能以及耐磨性能均优于铜／石墨混合填充ＰＴＦＥ复合材料,其原因在于铜包石墨既增强了填料与ＰＴＦＥ的界面结合强度,又保证了ＰＴＦＥ连续相的完整性．此外,石墨表面铜包敷层的结构疏松、晶粒细小,有利于提高转移膜的结合强度并减轻摩擦过程中对偶材料的损伤     

铜包石墨填充PTFE基复合材料摩擦学特性的研究

研究了铜包石墨和铜／石墨混合填充ＰＴＦＥ基复合材料的微观结构、力学性能及摩擦学特性。结果表明,铜包石墨填充ＰＴＦＥ复合材料的抗压缩性能、抗拉伸性能以及耐磨性能均伏于铜／石墨混合填充ＰＴＦＥ复合材料,其原因在于铜包石墨既增强了填料与ＰＴＦＥ的界面结合强度,又保证了ＰＴＦＥ连续相的完整性。此外,石墨表面铜包敷层的结构疏松、晶粒细小,有利于提高转称膜的结合强度并减轻摩擦过程中对偶材料的损伤。     

Cu663合金表面石墨-铜三维复合润滑层的构筑与摩擦学性能研究

借助激光微加工技术,将柔性石墨纸加工成规则排列的多孔结构,利用多孔柔性石墨纸在Cu663合金表面构筑石墨-铜三维复合润滑层结构. 分别考察了表面石墨-铜三维复合润滑层在干摩擦和海水腐蚀环境下的摩擦学性能,并揭示了摩擦磨损机理和腐蚀机理. 结果表明:该三维复合润滑层结构具有优异的自润滑性能,且通过改变纹理图案和尺寸参数可有效调控其摩擦学性能. 当Cu663合金表面三维复合润滑层石墨表面密度为50%时,干摩擦条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.14 ± 0.01和(5.10 ± 1.33) ×10?6 mm3/(Nm),相较于无润滑层的Cu663样品摩擦系数0.53和磨损率(2.97 ± 0.57) ×10?4 mm3/(Nm)分别降低73%和2个数量级. 在海水腐蚀环境中,表面石墨-铜三维复合润滑层的铜与石墨纸界面产生微弱电极,对三维复合润滑层的腐蚀摩擦性能起到至关重要的作用.      

SiC与球形石墨颗粒混杂增强铝基复合材料的摩擦磨损性能研究

以6092铝合金为基体,通过粉末冶金法分别制备了球形石墨颗粒(Gr)以及SiCp和Gr混杂增强的铝基复合材料,并采用田口模型结合方差分析,对复合材料与铜合金摩擦副之间的干滑动摩擦磨损行为进行了分析研究. 结果表明:随着载荷从10 N增至20 N,3种复合材料的摩擦系数、磨损率均相应增加;随滑动速率从0.5 m/s增至1.0 m/s,15%Gr/6092Al和(5%Gr+20%SiCp)/6092Al的摩擦系数先减小后增大;而(5%Gr+10%SiC_p)/6092Al的摩擦系数呈递减趋势. 相同条件下,单一石墨颗粒增强的复合材料的磨损率大于混杂增强的复合材料的磨损率. 方差分析的结果表明:增强相百分比单独作用、增强相百分比和滑动速率相互作用以及滑动速率单独作用3个因素对磨损率和摩擦系数产生了显著的影响. 随SiC_p含量增加,材料硬度增加,SiC_p对基体起到支撑保护作用,磨损面上的磨痕变浅,分层剥落现象明显减轻,磨屑变得细小,摩擦系数更为稳定,磨损机制由剥层磨损向磨粒磨损转变.      

炭纤维增强铜锡锌基复合材料的摩擦磨损性能研究

采用粉末冶金法制备了炭纤维增强铜锡锌基复合材料(Cf/Cu-Sn-Zn)和ZQSn663锡青铜, 并对其力学性能和摩擦磨损性能进行了对比研究. 结果表明: 当炭纤维的体积分数φf≤12%时,Cf/Cu-Sn-Zn复合材料的力学性能高于ZQSn663锡青铜;Cf/Cu-Sn-Zn复合材料的比磨损率小于ZQSn663锡青铜,当炭纤维体积分数φf=12%时,复合材料的摩擦磨损性能最佳;在摩擦磨损过程中,Cf/Cu-Sn-Zn复合材料的磨损机制主要为粘着磨损,而锡青铜呈现出粘着磨损和磨粒磨损特征.     

干摩擦条件下铜-石墨复合材料与ZQAl9-4铝青铜的磨损图研究

考察了铜-石墨复合材料和商品ZQAl9-4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-石墨复合材料表现出优异的减摩性能;铜-石墨材料的磨损体系可以分为轻微磨损(磨损率小于1×10-4 mm3/m)、中等磨损(1×10-4~1×10-3 mm3/m)和严重磨损(磨损率大于1×10-3 mm3/m)3个区域,而ZQAl9-4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5 N,滑动速度处于0.005~0.05 m/s时,铜-石墨复合材料表现出比铝青铜更优异的耐磨性.     

石墨表面金属包覆处理对Cu基粉末冶金摩擦材料制动摩擦学行为的影响

分别以铜包覆石墨和普通石墨作为润滑组元,采用放电等离子烧结技术制备了两种铜基粉末冶金摩擦材料. 在对两种材料进行微观组织、力学及物理性能检测和对比之后,利用MM1000-Ⅱ型惯性制动试验台测试了不同条件下两者的制动摩擦磨损性能,并通过对试验后两种材料的摩擦表面及其三维形貌特征、表面及近表层主要元素分布特点、磨屑特征和摩擦表面物相进行微观分析,研究了石墨表面金属包覆处理对制动条件下铜基粉末冶金摩擦材料摩擦学行为的影响,并结合热力学相关理论解释了引起两种材料制动摩擦学行为差异的原因. 结果表明:石墨表面经铜包覆处理后,会使烧结时石墨与Cu基体间的界面结合得到明显改善,且材料的硬度、致密度和导热系数也可显著提高. 随着制动速度的提高,两种材料的平均摩擦系数和磨损率均逐渐降低;在相同的制动条件下,采用铜包覆石墨作润滑剂时,材料的平均摩擦系数和磨损率均较低,同时材料摩擦表面的几何质量较好. 提高制动速度均能够促进两种材料表面形成摩擦膜,但分别采用铜包覆石墨和普通石墨作润滑组元时,材料表面摩擦膜的形成机制存在明显差异. 采用铜包覆石墨时,材料表面主要形成氧化膜,而采用普通石墨时,由于材料表面存在的较多石墨对氧化反应具有较强的抑制作用,而使得此时表面主要形成石墨膜,且其对材料表面的保护效果不及氧化膜.      

三维网络SiC增强铜基复合材料的干摩擦磨损性能

用销—盘式高温摩擦磨损试验机研究了85Cu—6Sn—6Zn—3Pb合金及三维网络SiC增强铜基复合材料的干摩擦磨损性能，测量了铜合金及不同体积分数的复合材料在不同温度及载荷下的摩擦系数和磨损率；用扫描电子显微镜观察磨损表面形貌，并分析了三维网络SiC对铜合金磨损机制的影响．结果表明：复合材料的耐磨性远优于铜合金，而且随着三维网络SiC体积分数、温度及载荷的增加，复合材料的抗磨损性能明显提高；这种新型复合材料的摩擦系数随载荷变化保持稳定，在很宽的温度范围内，摩擦系数的稳定性均优于铜合金．这是由于三维网络SiC在磨损表面形成硬的微突体并起承载作用，同时其独特的结构制约了基体合金的塑性变形和高温软化，有利于磨损表面氧化膜的留存．这种复合材料作为传动及制动用摩擦材料具有明显的优越性．     

陶瓷-石墨复合材料的摩擦磨损性能研究

对陶瓷－石墨复合材料／ＧＣｒ１５钢摩擦副的摩擦磨损性能与ＧＣｒ１５钢／ＧＣｒ１５钢的作了对比试验研究．结果表明：分别在干摩擦和１０＃机械油润滑下，陶瓷－石墨复合材料／ＧＣｒ１５钢的摩擦因数均比ＧＣｒ１５钢自配副时的低，陶瓷－石墨复合材料试块的磨痕宽度也比ＧＣｒ１５钢试块的小．硬质陶瓷颗粒与石墨均匀弥散共存，提高了材料的强度和硬度，从而改善了材料的耐磨性．     

氮化物陶瓷颗粒增强铜基复合材料的干摩擦磨损性能研究

采用粉末冶金工艺制备了纯铜以及AlNp／Cu和TiNp／Cu系列铜基复合材料，研究了2种复合材料在不同颗粒含量、不同载荷及滑动速度等条件下与45^#钢对摩时的干摩擦磨损性能，用扫描电子显微镜观察其磨损表面形貌，用能谱仪分析了磨损表面的元素组成．结果表明：与纯铜相比，AlNpCu及TiNp／Cu复合材料的耐磨性能显著提高，随着氮化物颗粒含量增加，2种复合材料的磨损率先下降而后趋于稳定；载荷与滑动速度提高引起的热效应使得纯铜及其复合材料的磨损率增高；由于TiNp的硬度高于AlNp以及本身具有一定的自润滑性能，使得TiNp／Cu复合材料的耐磨减摩性能优于AlNp／Cu复合材料．     

载流条件下碳纤维细编穿刺织物增强铜复合材料摩擦磨损性能研究

本文采用低压辅助熔渗法制备碳纤维细编穿刺织物增强铜(3D-Cf/Cu)复合材料,研究了载流条件下该复合材料的摩擦磨损特性.结果表明:载流条件下,由于电弧的作用,3D-Cf/Cu复合材料表面产生氧化磨损;载荷和速度一定时,随着电流的增大,3D-Cf/Cu复合材料的摩擦系数逐渐降低,磨损率逐渐增大.相同实验条件下,3D-Cf/Cu复合材料的摩擦磨损性能优于纯Cu.     

粉末冶金Cu-Fe复合材料的摩擦磨损行为

研究了 Ｆｅ 含量、施加载荷和滑动速度对粉末冶金 Ｃｕ Ｆｅ 复合材料摩擦磨损性能的影响,并用电子显微镜和 Ｘ 射线能谱分析了 Ｃｕ Ｆｅ 复合材料的磨损机理．结果表明：载荷和滑动速度对摩擦系数影响不大, Ｃｕ Ｆｅ 复合材料的摩擦系数随 Ｆｅ 含量的增加略有增加;在低载荷下,随 Ｆｅ 含量的增加, Ｃｕ Ｆｅ 复合材料的耐磨性提高;当载荷大于 ２００ Ｎ 时,含 Ｆｅ 量高的复合材料的耐磨性反而降低;在低载荷高速滑动条件下,随滑动速度的增加, Ｃｕ Ｆｅ 复合材料磨损率下降     

粘结剂特性对填充树脂复合材料摩擦学性能的影响

采用酚醛树脂、丁腈橡胶改性酚醛树脂和聚四氟乙烯（PTFE）作为粘结相,通过填充一定配比的石墨、焦炭及碳黑制备了3种树脂基复合材料电刷试样,并在MM-200型摩擦磨损试验机上对比考察了复合材料试样与铜对摩时的摩擦磨损性能,结果表明,与未改性的酚醛树脂基复合材料相比,改性酚醛树脂基复合材料由于韧性提高和硬度降低,因而磨损加剧;但相应的偶件铜环的磨损有所减轻,PTFE基复合材料具有良好的综合性能,偶件铜环的磨损亦较小,因此是一种潜在的高性能电刷复合材料。     

聚苯硫醚复合材料在柴油润滑状态下的摩擦学性能研究

分别以短切碳纤维(SCF)、铜(Cu)、氧化铜(CuO)和硫化铜(CuS)微米颗粒作为填料,通过热压成型制备了系列的聚苯硫醚(PPS)复合材料.利用环-块摩擦磨损试验机,研究了PPS复合材料在柴油润滑状态下的摩擦学性能,结合摩擦表面形貌、转移膜结构和摩擦化学分析,研究了摩擦学机理.结果表明:填充微米颗粒后,PPS复合材料在柴油润滑状态下的摩擦学性能均有不同程度的提高.加入SCF后,PPS表现出最好的耐磨性;Cu和CuS颗粒显著降低PPS的摩擦系数.在此基础上,进一步探究了SCF/Cu、SCF/CuS两组复合填料分别对PPS材料摩擦学性能的影响.研究发现:复合填充SCF和CuS填料后,PPS复合材料的摩擦学性能最佳.SCF和CuS表现出显著的协同效应:SCF提高PPS材料的承载能力和耐磨性;CuS在摩擦界面发生摩擦化学反应,促进具有润滑特性转移膜的形成.     

不同固体润滑下人字闸门底枢摩擦特性的销盘试验研究

人字闸门底枢长期在水下的低速重载下运行,易出现由磨损导致的故障,为此,三峡五级船闸的闸门已采用油脂和固体润滑剂混合润滑方式以减少摩擦磨损. 为了研究石墨、二硫化钼和聚四氟乙烯固体粉末对底枢摩擦副材料(45钢和锡青铜)摩擦学性能的影响,以三峡人字闸门底枢为研究对象,依据计算结果设计销/盘配对副面结构,在MMW-1A立式万能摩擦磨损试验机上开展磨损试验研究,并结合表面三维形貌测试和铁谱测试对摩擦磨损结果进行分析,结果表明:在试验条件下,聚四氟乙烯的摩擦系数最小,石墨次之,二硫化钼的摩擦系数最大;磨损量从小到大依次为石墨、聚四氟乙烯和二硫化钼;石墨润滑条件下磨损形式仅为单一的黏着磨损,二硫化钼和聚四氟乙烯润滑条件下磨损形式为黏着磨损和疲劳磨损,且石墨润滑产生的磨粒粒径要小于二硫化钼和聚四氟乙烯润滑产生的磨粒粒径,综上认为石墨是三者中性质较优的固体润滑剂. 在此基础上开展了石墨润滑下的13 h连续磨损试验,得到其摩擦系数和磨损量的变化规律,为人字闸门底枢摩擦副的固体润滑设计提供理论依据.      

铜基合金—TiC金属陶瓷复合堆焊层摩擦磨损性能研究

考察了铜基合金/TiC金属陶瓷复合堆焊材料的耐磨性及其影响因素,采用透射电子显微镜和扫描电子显微镜观察分析了复合堆焊材料的结构及磨损表现形貌。结果表明：以TiC金属陶瓷为硬质相的堆焊材料的耐磨性优于以YG硬质合金为硬质相的堆焊材料,其原因是稀土氧化物可细化基体金属组织,改善界面结合,使堆焊层的耐磨性改善;随着堆焊中硬质相含量的增加,耐磨性能提高,当金属陶瓷体积分数为55%-60%时,堆焊层的耐磨性最佳;基体金属的磨损主要呈现显微切削和犁沟特征,而金属陶瓷的流失形式主要表现为界面处TiC颗粒的脱落。