銅鐵預(yù)合金粉末對(duì)銅基摩擦材料摩擦磨損性能的影響

魏東彬 ，章 林 ?，張 鵬 ，吳佩芳 ，曹靜武 ，釋加才讓 ，丁向瑩 ，趙尚節(jié) ，曲選輝

1) 北京天仁道和新材料有限公司，北京 100094 2) 北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院，北京 100083

銅基制動(dòng)閘片是以銅為基體，添加基體強(qiáng)化組元（Fe、Ni、Mo、Ti、Sn、Zn、P 等）、摩擦組元（SiO2、A12O3、SiC、石棉、金屬、ZrO2等非金屬氧化物、碳化物、氮化物）和潤(rùn)滑組元（石墨、MoS2、CaF2、WS2、B4C、BN、Pb、Bi等）燒結(jié)而成的材料[1?3]。銅作為基體具有良好的導(dǎo)熱性，能夠?qū)⒛Σ吝^(guò)程中產(chǎn)生的大量熱快速地傳導(dǎo)并散失[4]。但是由于銅基體的強(qiáng)度低，制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的巨大熱量會(huì)使銅基摩擦材料的強(qiáng)度劇烈降低，從而降低摩擦材料的摩擦磨損性能，縮短使用壽命[5?6]。因此，研究者們已經(jīng)研究了多種方法以提高銅基體的強(qiáng)度，比如采用機(jī)械或化學(xué)方法（如內(nèi)氧化法、共沉積法、內(nèi)自熔法和機(jī)械合金化法）將第二相粒子引入純銅中，以提高銅基體的強(qiáng)度[7?8]。Zhao等[9]將納米氧化鋁彌散強(qiáng)化銅粉（oxide dispersion strengthening，ODS）引入銅基制動(dòng)閘片中，獲得了比Knorr-Bremse閘片硬度和抗剪強(qiáng)度更高、耐磨性更好的銅基制動(dòng)閘片。然而，過(guò)量的ODS-Cu粉添加會(huì)導(dǎo)致原始顆粒之間接觸不佳，燒結(jié)后銅基體的塑性降低，從而降低閘片的力學(xué)性能。利用合金元素進(jìn)行固溶強(qiáng)化也是一種簡(jiǎn)單有效的銅強(qiáng)化方法，如Cr、Zr、Ag、Sn、Pb、Bi等都曾被用來(lái)提高銅的強(qiáng)度[10?12]。

此外，最簡(jiǎn)單常用的銅強(qiáng)化方法是在銅基體中直接添加第二相增強(qiáng)，如Fe粉，能夠提升材料的摩擦磨損性能。姚萍屏等[13]研究了不同轉(zhuǎn)速條件下Fe含量對(duì)材料摩擦磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)由于高硬度及耐磨的Fe彌散分布于銅基體中，使得閘片材料的摩擦系數(shù)和耐磨性能都得到提高。鐘志剛等[14]發(fā)現(xiàn)當(dāng)Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)由5%增至20%時(shí)，銅基摩擦材料的磨損率緩慢增加，而對(duì)偶面的磨損率急劇降低；當(dāng)Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于20%時(shí)，銅基摩擦材料的磨損急劇增加。另外，隨Fe含量的增加，銅基摩擦材料的硬度及摩擦力矩曲線的穩(wěn)定性都得到了提高。本文以銅鐵預(yù)合金粉末部分或全部替代純銅粉作為基體制備粉末冶金銅基摩擦材料，并在不同溫度下進(jìn)行控溫摩擦實(shí)驗(yàn)，研究不同溫度下銅鐵預(yù)合金粉末對(duì)銅基摩擦材料摩擦磨損性能的影響，并分析燒結(jié)過(guò)程中過(guò)飽和固溶鐵原子的析出對(duì)銅基摩擦材料性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

采用粉末冶金方法制備出銅基摩擦材料樣品，成分如表1所示。銅鐵預(yù)合金粉末按比例替代部分純電解銅粉。按照銅鐵預(yù)合金粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分別將四種樣品命名為CF0，CF15，CF30以及CF55。電解銅粉和銅鐵預(yù)合金粉末的形貌如圖1所示，分別呈現(xiàn)出樹枝狀和近橢球型。電解銅粉為300目，銅鐵預(yù)合金粉末為銅和鐵元素按一定比例熔煉后（鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為5%），經(jīng)氬氣霧化法制得，其粒度分布在 10～240 μm，其中D90=165 μm。由于銅鐵合金預(yù)合金粉末中含鐵，因此相應(yīng)的減少外加Fe粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以保證Fe粉的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%。將各原料粉末經(jīng)V型混料機(jī)混合均勻后冷壓成形，成形壓力為450 MPa，保壓時(shí)間2 min。隨后將樣品在ZT-25-20Y型真空熱壓燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為950 ℃，壓力3 MPa，保溫120 min。燒結(jié)在氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行，燒結(jié)完成后繼續(xù)通入氬氣冷卻至100 ℃以下后取出。由于銅鐵預(yù)合金粉末是過(guò)飽和固溶體，在燒結(jié)過(guò)程中，鐵原子會(huì)析出，因此按照上述相同的步驟制備純銅鐵預(yù)合金粉末燒結(jié)后的樣品，以便清楚的觀察銅基體中鐵原子的析出規(guī)律。

圖1 電解銅粉（a）和銅鐵預(yù)合金粉末（b）顯微形貌Fig.1 Morphology of the electrolytic copper powders (a) and the copper?iron pre-alloyed powders (b)

表1 銅基摩擦材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of the prepared copper-based friction materials %

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用XD-MSM型定速式摩擦試驗(yàn)機(jī)研究樣品在不同溫度下的摩擦磨損性能，對(duì)偶盤材質(zhì)為HT250灰鑄鐵，硬度牌號(hào)H195（布氏硬度HB180～HB220）。實(shí)驗(yàn)按照GB5763-2008規(guī)定進(jìn)行，每次實(shí)驗(yàn)使用兩個(gè)相同的長(zhǎng)方體樣品，對(duì)稱地安裝在夾具上，樣品的尺寸為25 mm×25 mm×7 mm，摩擦面為25 mm×25 mm的正方形面，實(shí)驗(yàn)壓力0.98 MPa，摩擦半徑15 mm，實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速為480～500 r/min。試片在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前先在100 ℃以下進(jìn)行磨合，至接觸面積達(dá)95%以上。利用實(shí)驗(yàn)機(jī)自備軟件自動(dòng)換算和記錄試驗(yàn)溫度為100、150、200、250、300和350 ℃時(shí)，圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)5000轉(zhuǎn)（10 min）期間的摩擦力及摩擦系數(shù)，軟件計(jì)數(shù)頻率為10轉(zhuǎn)/次。在各溫度實(shí)驗(yàn)期內(nèi)，溫度在初始1500轉(zhuǎn)的時(shí)間內(nèi)升至規(guī)定溫度。在進(jìn)行高溫實(shí)驗(yàn)之后，摩擦溫度從350 ℃下降到100 ℃，每降50 ℃時(shí)，圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)1500轉(zhuǎn)，并測(cè)定此范圍內(nèi)的摩擦系數(shù)，直到溫度達(dá)到100 ℃。磨損前后用精度為0.01 g的JY502型電子天平稱量并計(jì)算磨損量。使用HB-3000型硬度計(jì)測(cè)試布氏硬度。采用OLS4500型激光共聚焦顯微鏡（laser scanning confocal microscope，LSCM）、JSM-6510A型掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）及掃描電鏡自帶的能譜儀（energy dispersive spectrometer，EDS）觀察并分析試樣顯微組織、摩擦表面形貌及成分。利用Tecnai G2 F20 S-TWIN型透射電子顯微鏡（transmission electron microscopy，TEM）觀察燒結(jié)后銅鐵預(yù)合金基體中鐵的析出情況。

2 結(jié)果及討論

2.1 相對(duì)密度及布氏硬度

制備樣品的布氏硬度和相對(duì)密度可以部分反映銅鐵預(yù)合金粉末對(duì)銅基摩擦材料性能的影響，如圖2所示。隨著銅鐵預(yù)合金粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，材料的相對(duì)密度先升高后下降，CF0的相對(duì)密度為86%，CF15的相對(duì)密度為91%，CF30和CF55的相對(duì)密度分別約為85%和84%。樣品布氏硬度隨銅鐵預(yù)合金粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高而升高，從CF0的HB26上升到CF55的HB40。

圖2 樣品相對(duì)密度及布氏硬度分布Fig.2 Relative density and Brinell hardness of the samples

銅鐵預(yù)合金粉末主要通過(guò)兩個(gè)途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)相對(duì)密度和布氏硬度的影響。首先，與銅鐵預(yù)合金粉末的形貌有關(guān)。電解銅粉呈現(xiàn)出樹枝狀，壓縮性好；銅鐵預(yù)合金粉末呈現(xiàn)出橢球狀甚至是球狀，粒度分布廣，具有較好的流動(dòng)性，但是由于鐵原子的固溶作用，使其具有較差的壓縮性能。在少量添加銅鐵預(yù)合金粉末的時(shí)候，流動(dòng)性好的小顆粒能夠進(jìn)入大顆粒粉末間隙，從而促進(jìn)相對(duì)密度的升高。當(dāng)銅鐵預(yù)合金粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)15%，電解銅粉含量降低引起粉末壓縮性的降低占據(jù)主導(dǎo)地位，使得材料的孔隙度升高，相對(duì)密度下降。其次，銅鐵預(yù)合金粉末中的鐵元素在燒結(jié)過(guò)程中的析出也會(huì)影響摩擦材料的性能。圖3所示為燒結(jié)銅鐵預(yù)合金基體以及CF55閘片樣品中鐵元素的析出。在圖3（a）背散射電子（backscattered electron，BSE）作用下可以看出，界面存在著析出的鐵顆粒，并且伴隨著孔隙的存在，這是因?yàn)殍F原子對(duì)銅進(jìn)行固溶強(qiáng)化，在其周圍會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的彈性應(yīng)變場(chǎng)，相應(yīng)的化學(xué)勢(shì)較高，而晶界處結(jié)構(gòu)疏松，應(yīng)變場(chǎng)弱，化學(xué)勢(shì)低，所以晶粒內(nèi)雜質(zhì)原子會(huì)在晶界等缺陷處聚集，阻止銅的燒結(jié)，導(dǎo)致孔隙的產(chǎn)生。圖3（b）中透射電鏡暗場(chǎng)像表明，在基體中析出了大量細(xì)小的富鐵顆粒。這種析出會(huì)使得銅鐵預(yù)合金粉末的硬度升高，從而使得銅基摩擦材料的布氏硬度隨著銅鐵預(yù)合金粉末含量的升高而升高。當(dāng)鐵元素的析出發(fā)生在閘片中的時(shí)候，界面處析出的鐵顆粒除了阻礙銅基體燒結(jié)，產(chǎn)生孔隙以外，還會(huì)對(duì)銅基摩擦材料的組織帶來(lái)其他影響。如圖3（c）所示，沿著銅基體?SiO2界面析出的鐵相能夠強(qiáng)化此界面的強(qiáng)度。在燒結(jié)過(guò)程中，沿著銅基體?石墨界面析出的鐵會(huì)與石墨發(fā)生反應(yīng)生成珠光體（圖3（d））。珠光體是一種硬質(zhì)相，其布氏硬度能夠達(dá)到HB800。因此，在燒結(jié)過(guò)程中，鐵沿著界面析出會(huì)阻礙粉末燒結(jié)，降低閘片材料的相對(duì)密度，但是生成的珠光體和鐵相仍然可以提高閘片材料的布氏硬度。

圖3 銅鐵預(yù)合金粉末基體和CF55試樣中鐵元素的析出：（a）銅鐵預(yù)合金粉末基體燒結(jié)殘留界面上鐵元素的析出形貌；（b）透射電鏡暗場(chǎng)像下銅鐵預(yù)合金粉末基體中彌散析出的富鐵顆粒；（c）CF55試樣中鐵沿銅基體?SiO2界面析出；（d）CF55試樣中鐵元素以珠光體的形式沿銅基體-石墨界面析出Fig.3 Iron precipitation in the Cu?Fe pre-alloyed powder matrix and the sample CF55: (a) precipitation image of Fe element in the residual interface of the Cu?Fe pre-alloyed powder matrix during sintering; (b) dispersive precipitation of the iron-rich particles in Cu?Fe pre-alloyed powder matrix in the TEM dark field image; (c) precipitation image of Fe element along the Cu?SiO2 interface of the sample CF55; (d) precipitation image of Fe element as pearlite along the Cu?graphite interface of the sample CF55

2.2 摩擦磨損性能

圖4是不同溫度下試樣的摩擦系數(shù)。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程，銅鐵預(yù)合金粉末對(duì)平均摩擦系數(shù)的影響顯著。隨著銅鐵預(yù)合金粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，平均摩擦系數(shù)先降低后升高。CF15在整個(gè)測(cè)試過(guò)程表現(xiàn)出最低的平均摩擦系數(shù)，而CF55表現(xiàn)出最高的平均摩擦系數(shù)。從升溫和降溫過(guò)程來(lái)看，溫度對(duì)平均摩擦系數(shù)的影響也非常顯著。在100～350 ℃的升溫階段，平均摩擦系數(shù)先保持相對(duì)平穩(wěn)隨后下降。200 ℃～250 ℃是一個(gè)臨界溫度區(qū)間，當(dāng)溫度低于這一溫度區(qū)間時(shí)，四種樣品的摩擦系數(shù)均保持相對(duì)穩(wěn)定，分別為 0.39～0.41（CF0），0.35～0.38（CF15），0.39～0.42（CF30）和 0.65～0.68（CF55）。當(dāng)溫度達(dá)到250 ℃時(shí)，摩擦系數(shù)隨溫度的升高而下降，至350 ℃下降到最低。在隨后的降溫階段，摩擦系數(shù)隨溫度的下降先上升后保持相對(duì)平穩(wěn)，摩擦系數(shù)隨溫度下降發(fā)生改變的臨界溫度區(qū)間同樣為200～250 ℃。雖然各樣品的摩擦系數(shù)變化趨勢(shì)一致，但是CF0、CF15和CF30的摩擦系數(shù)在降溫階段能夠恢復(fù)到與升溫階段相當(dāng)?shù)乃剑鳦F55即使在降溫階段的摩擦系數(shù)得到了恢復(fù)，但是恢復(fù)后摩擦系數(shù)值（0.45～0.5）仍然低于升溫階段的摩擦系數(shù)（0.65～0.68）。

圖4 不同樣品平均摩擦系數(shù)隨溫度的變化Fig.4 Mean friction coefficient with temperature of the samples

圖5進(jìn)一步探究了四種材料在200 ℃、350 ℃以及整個(gè)降溫階段的瞬時(shí)摩擦系數(shù)變化。如圖5（a）所示，在200 ℃下進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)時(shí)，四種材料的瞬時(shí)摩擦系數(shù)都隨摩擦?xí)r間的延長(zhǎng)在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，整體保持相對(duì)穩(wěn)定，其中CF0和CF30的瞬時(shí)摩擦系數(shù)波動(dòng)范圍較小。CF15的瞬時(shí)摩擦系數(shù)在大約250個(gè)樣本點(diǎn)后出現(xiàn)明顯的規(guī)律性波動(dòng)，即瞬時(shí)摩擦系數(shù)在一定時(shí)間保持相對(duì)穩(wěn)定，隨后突然出現(xiàn)下降，又迅速上升并保持相對(duì)穩(wěn)定，這可能與摩擦表面第二平臺(tái)的形成與瓦解過(guò)程有關(guān)。磨屑在摩擦表面產(chǎn)生，并隨著對(duì)偶盤的轉(zhuǎn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。當(dāng)磨屑遇到摩擦表面硬質(zhì)相的阻礙時(shí)，在摩擦表面積累產(chǎn)生穩(wěn)定的第二平臺(tái)，這有助于穩(wěn)定摩擦接觸面積。隨后在持續(xù)應(yīng)力的作用下，第二平臺(tái)瓦解，接觸面積下降，導(dǎo)致摩擦系數(shù)突然下降。這一過(guò)程周而復(fù)始，導(dǎo)致CF15的瞬時(shí)摩擦系數(shù)規(guī)律性的波動(dòng)。CF55的摩擦系數(shù)雖然較高，但是波動(dòng)也最為劇烈。這表明摩擦?xí)rCF55的摩擦表面物質(zhì)變化與遷移更為劇烈。如圖5（b）所示，相較于200 ℃，當(dāng)溫度達(dá)到350 ℃時(shí)，CF0、CF15和CF30的摩擦過(guò)程更加平穩(wěn)，已經(jīng)沒有突然劇烈的升高或者下降。其中，CF0的摩擦系數(shù)隨著摩擦?xí)r間的推移呈現(xiàn)出衰退現(xiàn)象，即約從0.31下降至0.22，而CF15和CF30在整個(gè)摩擦過(guò)程保持穩(wěn)定。CF55的摩擦系數(shù)出現(xiàn)衰退并且在制動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)劇烈的波動(dòng)，這表明CF55在350 ℃下已經(jīng)完全失效。圖5（c）為在降溫過(guò)程中大約7500轉(zhuǎn)的摩擦過(guò)程中瞬時(shí)摩擦系數(shù)的變化。由圖可知，CF0、CF15和CF30摩擦系數(shù)在高溫下具有更高的波動(dòng)。隨著溫度的降低，摩擦系數(shù)增大且波動(dòng)降低，這與升溫過(guò)程中瞬時(shí)摩擦系數(shù)的變化不一致。這主要是由于在升溫過(guò)程中摩擦表面已經(jīng)被修飾，形成了光滑的摩擦表面。對(duì)于CF55試樣，溫度降低也能夠使得摩擦系數(shù)的波動(dòng)降低，但是摩擦系數(shù)隨溫度降低產(chǎn)生的恢復(fù)不顯著。整個(gè)摩擦過(guò)程磨損量的變化如圖6所示，CF30顯示出最低的磨損量，而CF55的磨損量最高。

圖5 瞬時(shí)摩擦系數(shù)：（a）200 ℃；（b）350 ℃；（c）350～100 ℃ 降溫階段Fig.5 Instantaneous friction coefficient at the different temperature: (a) 200 ℃; (b) 350 ℃; (c) the cooling stage of 350~100 ℃

圖6 不同樣品的磨損量Fig.6 Wear loss of the different samples

2.3 摩擦表面

摩擦表面形貌如圖7所示。由圖7（a）可知，CF0摩擦表面除了亮色的摩擦膜之外，還出現(xiàn)了大面積黑色的剝落坑，這些剝落坑是裂紋的萌生與拓展造成的。在高溫高應(yīng)力的作用下，摩擦表面以及亞表面均會(huì)有裂紋的萌生，隨著摩擦的進(jìn)行，萌生的裂紋進(jìn)一步拓展并連接至一起，導(dǎo)致摩擦表面的物質(zhì)剝落從而產(chǎn)生剝落坑。此外，摩擦表面也會(huì)產(chǎn)生塑性變形，反復(fù)的塑形變形也會(huì)促進(jìn)裂紋的發(fā)展，導(dǎo)致摩擦表面摩擦膜的脫落。然而，摩擦表面沒有明顯的犁溝，這表明摩擦表面的磨損機(jī)制以黏著磨損為主。隨著銅鐵預(yù)合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，摩擦表面的剝落坑減小，摩擦膜變得連續(xù)。與此同時(shí)，摩擦表面出現(xiàn)眾多的犁溝，這是由嚴(yán)重的磨粒磨損產(chǎn)生的，如圖7（b）所示。CF30摩擦表面的剝落坑數(shù)量略微減小，而表面犁溝依舊，如圖7（c）所示。CF55摩擦表面剝落坑連貫且面積增大，并且伴有眾多的犁溝，如圖7（d）所示。

在掃描電鏡下對(duì)摩擦表面覆蓋摩擦膜的區(qū)域進(jìn)行放大分析，如圖8所示。由圖8（a）可知，CF0摩擦膜表面光滑平整，同時(shí)伴有一些小的剝落坑。區(qū)域A的能譜分析結(jié)果如表2所示，由表可知，摩擦表面深灰色的物質(zhì)主要以Cu、Fe和O為主，其總原子數(shù)分?jǐn)?shù)達(dá)到88%。因此，從這里可以推測(cè)摩擦表面的物質(zhì)可能為銅合金（溶質(zhì)原子為Ni和Sn）及銅和鐵的氧化物，至于Al和Si則是作為磨屑混合進(jìn)入摩擦膜中。隨著銅鐵預(yù)合金粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，如圖8（b）和圖8（c）所示，摩擦表面摩擦膜的連續(xù)程度增加，同時(shí)伴隨著細(xì)小的犁溝的出現(xiàn)。圖8（d）中CF55摩擦表面的深灰色相呈現(xiàn)出孤島狀分布，沒有形成連續(xù)的摩擦膜，在孤島狀的摩擦膜周圍存在明顯的破碎坑，里面存在著磨屑以及石墨等。對(duì)CF55中破碎的界面進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖9所示。可以發(fā)現(xiàn)，在銅基體與SiO2之間儲(chǔ)存著眾多的磨屑，這表明經(jīng)歷一系列的摩擦之后，銅基體與二氧化硅的界面發(fā)生的破碎。圖9（b）能譜分析表明磨屑的成分主要為Cu、Fe、C以及O，其中能譜測(cè)出的C含量存在較大誤差。從原子數(shù)分?jǐn)?shù)來(lái)看，F(xiàn)e并不是全部以鐵的氧化形式存在，這可能與銅?SiO2界面析出的單質(zhì)鐵相破碎并儲(chǔ)存在界面有關(guān)。

表2 圖8（a）中A區(qū)域能譜分析（原子數(shù)分?jǐn)?shù)）Table 2 Energy spectrum analysis of area A in Fig.8(a) %

圖8 不同試樣摩擦表面摩擦膜覆蓋區(qū)域的顯微形貌：（a）CF0；（b）CF15；（c）CF30；（d）CF55Fig.8 SEM images of the friction surfaces covered by friction film of the different samples: (a) CF0; (b) CF15; (c) CF30; (d) CF55

摩擦磨損性能的變化主要與摩擦表面磨損機(jī)理的轉(zhuǎn)變有關(guān)。這一轉(zhuǎn)變涉及到燒結(jié)過(guò)程中銅基摩擦材料顯微組織的變化，主要為鐵原子析出導(dǎo)致的硬質(zhì)珠光體以及鐵相的生成（圖3）。CF0摩擦界面的銅塑性較好，在摩擦過(guò)程中易與對(duì)偶盤發(fā)生黏著，產(chǎn)生以黏著磨損為主的磨損機(jī)制。此時(shí)摩擦面之間的接觸面積大，產(chǎn)生的剪切力以及相應(yīng)的摩擦系數(shù)也較大[15]。當(dāng)添加銅鐵預(yù)合金粉末之后，基體中形成硬質(zhì)相。硬質(zhì)相能夠在基體變形軟化之后承載主要壓力，從而隔離摩擦界面間的直接接觸，減緩黏著磨損，黏著力的降低導(dǎo)致摩擦系數(shù)的下降[16]。同時(shí)，硬質(zhì)相也能夠作為第一平臺(tái)，阻礙磨屑運(yùn)動(dòng)，形成第二平臺(tái)，使得摩擦表面摩擦膜的覆蓋面積增長(zhǎng)。然而，硬質(zhì)相會(huì)加劇摩擦界面間的磨粒磨損，導(dǎo)致摩擦表面產(chǎn)生大量的犁溝（圖7）。黏著磨損程度的降低會(huì)減小摩擦系數(shù)，而磨粒磨損的加劇能夠增大摩擦系數(shù)，銅鐵預(yù)合金粉末的含量決定了這二者的程度。當(dāng)含有少量銅鐵預(yù)合金粉末的時(shí)候，黏著磨損程度的降低占主導(dǎo)地位，使得摩擦系數(shù)略微下降；當(dāng)銅鐵預(yù)合金粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到30%，磨粒磨損占據(jù)主導(dǎo)地位。因此，雖然黏著磨損的程度降低使得摩擦阻力下降，但是磨粒磨損產(chǎn)生的摩擦力仍然能夠使得摩擦系數(shù)略微升高。當(dāng)電解銅粉全部被銅鐵預(yù)合金粉末替代時(shí)，摩擦表面存在著大量的硬質(zhì)相，這導(dǎo)致CF55的摩擦系數(shù)異常升高（圖4）。

圖7 激光共聚焦顯微鏡下不同樣品的摩擦表面：（a）CF0；（b）CF20；（c）CF30；（d）CF55Fig.7 Friction surface of the different samples under the confocal laser microscope: (a) CF0; (b) CF20; (c) CF30; (d) CF55

溫度對(duì)銅基摩擦材料的摩擦磨損性能有顯著影響（圖4和圖5）。一方面，由于摩擦發(fā)生在空氣中，高溫會(huì)引起摩擦表面的氧化，在接觸界面產(chǎn)生致密連續(xù)的摩擦氧化膜。該氧化膜以鐵的氧化物為主，來(lái)自于閘片本身的鐵和對(duì)偶盤的鐵的氧化。摩擦氧化膜的存在有助于摩擦過(guò)程的穩(wěn)定以及摩擦系數(shù)的降低，這可能是當(dāng)溫度達(dá)到200～250 ℃時(shí)，摩擦系數(shù)隨溫度升高而降低的原因之一（圖4）[17]。另一方面，導(dǎo)致高溫下摩擦系數(shù)下降更重要的原因是銅基體的軟化。在高溫下銅基體軟化之后，在摩擦表面的遷移速率加快，能夠起類似固體潤(rùn)滑劑的作用，從而導(dǎo)致摩擦系數(shù)的降低[18]。這可以很好的解釋整個(gè)升溫以及降溫過(guò)程摩擦系數(shù)的變化。當(dāng)溫度達(dá)到200～250 ℃之后，銅基體的軟化作用開始顯現(xiàn)，這種軟化導(dǎo)致摩擦界面的摩擦阻力下降，引起摩擦系數(shù)的顯著下降。摩擦表面由于物質(zhì)的快速轉(zhuǎn)移而變得更加平滑，這是導(dǎo)致圖5（b）在350 ℃摩擦實(shí)驗(yàn)時(shí)摩擦系數(shù)產(chǎn)生較小波動(dòng)的原因。CF0瞬時(shí)摩擦系數(shù)隨摩擦的進(jìn)行呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這表明在摩擦過(guò)程中銅的軟化越來(lái)越嚴(yán)重；CF15和CF30的瞬時(shí)摩擦系數(shù)在整個(gè)過(guò)程穩(wěn)定，這是由于生成適量的珠光體以及鐵相的強(qiáng)化作用，使得銅基體的軟化維持在一個(gè)穩(wěn)定的水平。CF55基體中脆性的珠光體和鐵相過(guò)多，這些脆性相在摩擦過(guò)程中破壞嚴(yán)重，導(dǎo)致摩擦表面產(chǎn)生嚴(yán)重破壞（圖8和圖9）。因此，CF55雖然能夠產(chǎn)生較高的摩擦系數(shù)，但是卻嚴(yán)重失穩(wěn)。隨著溫度下降，銅的軟化作用開始下降，逐漸固化的銅使得摩擦表面的黏著力增大，從而使得摩擦系數(shù)逐漸增大[19]，直至達(dá)到與升溫階段相似的摩擦系數(shù)。這也表明，對(duì)于CF0、CF15及CF30試樣，這一輪升溫與降溫的摩擦過(guò)程并沒有對(duì)閘片材料的性能造成嚴(yán)重影響，閘片材料仍然具有重復(fù)循環(huán)使用的能力。

圖9 CF55破碎界面處的顯微形貌及能譜分析：（a）破碎界面處的顯微形貌；（b）界面內(nèi)儲(chǔ)存磨屑的能譜分析Fig.9 SEM images and EDS analysis of the CF55 broken interface: (a) SEM images of the CF55 broken interface; (b) EDS analysis of the wear debris stored in the interface

3 結(jié)論

（1）銅基摩擦材料的相對(duì)密度隨銅鐵預(yù)合金粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高先升高后下降，布氏硬度則隨銅鐵預(yù)合金粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高而升高。

（2）銅鐵預(yù)合金粉末的加入會(huì)使得摩擦系數(shù)先下降后上升，這主要與磨損機(jī)理的轉(zhuǎn)變有關(guān)。在燒結(jié)過(guò)程中，含有高質(zhì)量分?jǐn)?shù)銅鐵預(yù)合金粉末的樣品會(huì)產(chǎn)生更多的硬質(zhì)鐵相以及珠光體，這會(huì)加劇摩擦?xí)r的磨粒磨損程度，促進(jìn)摩擦系數(shù)的增長(zhǎng)，并使得磨損機(jī)理從純銅基體時(shí)的黏著磨損向磨粒磨損轉(zhuǎn)變。

（3）摩擦系數(shù)隨溫度的升高先保持穩(wěn)定后下降，保持穩(wěn)定的臨界溫度為200～250 ℃。這主要是當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，摩擦表面銅軟化，其潤(rùn)滑作用使得摩擦系數(shù)下降。因此，當(dāng)溫度降低后，隨著銅的固化，摩擦系數(shù)開始重新升高。摩擦表面銅的軟化也會(huì)使得摩擦表面平坦，從而促進(jìn)在高溫下摩擦系數(shù)的穩(wěn)定。

（4）含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%銅鐵預(yù)合金粉末的銅基摩擦材料的摩擦磨損性能最佳。在100～250 ℃時(shí)，摩擦系數(shù)為0.39～0.42；在250～350 ℃時(shí)，摩擦系數(shù)雖然從0.39降到約0.29；但是在350 ℃的高溫下，瞬時(shí)摩擦系數(shù)仍然隨著摩擦?xí)r間的延長(zhǎng)維持穩(wěn)定。這主要?dú)w因于兩方面：1）具有較好塑性的銅基體能夠在高溫下促進(jìn)平滑摩擦表面的生成；2）因鐵析出而生成適量的硬質(zhì)相能夠強(qiáng)化摩擦表面，阻止因銅過(guò)度軟化流動(dòng)造成的摩擦系數(shù)衰退。