1、铜业工程 COPPER ENGINEERINGTotal 179No.1 2023总第179期2023年第1期引文格式引文格式：刘洋赈,李恒青,郑宝超,张永振,李卫.电流密度对镀铜石墨-铜复合材料载流摩擦磨损性能的影响J.铜业工程,2023(1):75-81.电流密度对镀铜石墨-铜复合材料载流摩擦磨损性能的影响刘洋赈1，2，3，李恒青1，郑宝超1，张永振3，李卫1（1.暨南大学 先进耐磨蚀及功能材料研究院，广东 广州510632；2.暨南大学韶关研究院，广东 韶关 512027；3.河南科技大学 高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室，河南 洛阳 471023）摘要：本文基于MZL-2
2、00H型高速载流摩擦磨损试验机，研究了电流强度变化对镀铜石墨-铜复合材料摩擦学性能的影响规律，通过磨损表面分析，揭示复合材料的损伤机制。研究表明：采用化学镀可以有效改善石墨与铜基体的界面接触能力，表现出石墨相没有出现团聚现象，而是均匀分布在相互连通的连续铜基体中；复合材料的摩擦因数和磨损率相比纯铜有明显的降低，其中摩擦因数随电流的增加而降低，磨损率随电流的增加而升高；随着电流的增大，磨损表面出现大量的电弧烧蚀坑，且坑内还附着一层密集细小的熔融重凝的铜颗粒，磨痕的宽度和深度有明显的提升；复合材料的损伤机制主要以熔融和电弧侵蚀为主，同时伴随磨粒磨损，黏着磨损和氧化磨损。关键词：镀铜石墨-铜复合材料
3、；载流摩擦；损伤机制；磨损表面doi：10.3969/j.issn.1009-3842.2023.01.008中图分类号：TG146.1+1 文献标识码：A 文章编号：1009-3842（2023）01-0075-071 引言载流摩擦副属于功能摩擦副中的一种，主要是通过固定部件与运动部件之间的界面接触实现导电，同时接触界面间存在相对运动的形式，其广泛应用于轨道交通、航空航天、国防军工以及电力系统等高端装备领域1-3。轨道交通中的弓网系统是一种典型的载流摩擦副，随着我国高速铁路的快速发展，弓网系统的电流密度大幅提升，对受电弓滑板的抗损伤性能要求也越来越高。因此，开发一种具有优异载流摩擦磨损性能的
4、受电弓滑板材料迫在眉睫。石墨-铜复合材料结合了自润滑相石墨的润滑性好、热膨胀系数低及导电率较高的特点和铜基体高导电率、高导热率及良好延展性的特点4-6，可实现摩擦性能和导电性能的同步提升，从而成为具有优异载流摩擦磨损受电弓滑板的理想服役材料之一。为此，相关学者对该复合材料的载流摩擦学性能开展了大量且富有成效的研究工作，对载流条件下磨损表面的损伤行为有一定的认识7-12，但大多集中在表面形貌观察部分，对机制的探讨仍不够深入。此外，针对不同的服役工况下，往往具有不同的摩擦条件。因此，有必要研究不同条件下受电弓滑板材料的服役行为，建立载流摩擦条件-复合材料参数-磨损表面状态-损伤类别间的关系，为弓网
5、系统中的受电弓滑板材料的设计与使用提供技术支撑。基于上述分析并结合本课题组前期研究，本文采用真空热压烧结制备7%镀铜石墨-铜复合材料，并开展不同电流条件下摩擦磨损试验，从摩擦因数、磨损率以及磨损表面形貌等方面分析复合材料损伤机制，为后续高性能载流摩擦铜合金的开发、性能调控和应用提供理论依据。2 实验2.1材料制备本试验选取的原材料为工业电解铜粉（纯度为99.99%，平均粒度为 45 m）和天然鳞片石墨（纯度为99.95%，平均粒度为45 m）。由于石墨与铜之间的润湿性差，严重影响它们之间的界面结合，导致复合材料性能难以满足要求。为了解决该问题，本课题组在前期做了大量的工作13，研究结果收稿日期
6、：2022-12-12；修订日期：2023-01-30基金项目：广东省基础与应用基础研究基金项目（2020A1515111067，2021A1515010890）；国家自然科学基金项目（U1804252）；河南科技大学高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室开放课题（202104）资助作者简介：刘洋赈（1989），男，江西吉安人，博士，研究方向：铜基复合材料摩擦磨损性能，E-mail：；通信作者：郑宝超，副教授，E-mail：75总第179期铜业工程Total 179表明采用化学镀方法在石墨表面镀上金属铜层，可以有效改善它们间的润湿性。因此，本试验基于预处理粗化敏化活化化学镀等步骤，成功
7、实现了在石墨表面镀覆铜层，具体的化学镀方法和工艺可参考课题组前期工作14。在此基础上，采用QM-BP型行星球磨机将纯铜粉与镀铜石墨粉均匀混合后，置于内径为40 mm的高强石墨模具中进行快速真空热压烧结，其中烧结温度为860，轴向压力为30 MPa。具体的复合材料试样成分如表1所示。2.2材料测试与表征利用自制的MZL-200H型高速载流摩擦磨损试验机测试复合材料载流摩擦磨损性能，试验机的摩擦副运行模式为销盘式，其结构配置如图 1所示。销试样为石墨-铜复合材料，试样尺寸为 9 mm 30 mm；对偶盘为300 mm的QCr0.5。试验参数设置为：速度：1400 r/min（21.98 m/s），
8、载荷：70 N，电流：0，20，40 和 60 A。采用精度为0.1 mg的电子天平测试摩擦前后销试样的质量，得到磨损率；摩擦力经扭矩传感器输出到计算机中，得到摩擦因数；每个参数条件下测试5个试样取其平均值。利用Ultima 1型原位X射线衍射仪（XRD）对原始粉末和复合材料进行物相分析。采用自带能谱仪（EDS）的Phenom XL型扫描电镜（SEM）观察原始粉末形貌、镀铜后石墨表面形貌、镀铜石墨-铜复合材料的组织特征以及磨损表面形貌；采用VK-9710型三维表面扫描轮廓仪分析磨损表面的三维形貌，并探讨石墨-铜复合材料的载流摩擦损失机制。3 结果与讨论3.1复合材料微观组织图2为本试验所用的粉
9、末SEM形貌图像。由图2（a）可知本研究所采用的化学镀方法成功地在石墨表面镀上均匀的Cu层，由EDS结果可知，镀层铜含量达到90%以上。由图2（c）可看出电解纯铜粉表面凹凸不平，呈葡萄状堆积，且分散均匀。从鳞片石墨的形貌 图 2（d）观察到石墨表面光滑，边缘略有卷曲，呈层片状结构。图3为7%镀铜石墨-铜复合材料的XRD图谱。可以看出复合材料中只有碳和铜，并没有其它新相形成。该结果与前面EDS的分析一致，同时说明粉末在球磨和烧结过程中并没有发生化学反应，成功制备得到石墨-铜复合材料。图4为复合材料的显微组织结构特征。可以看出复合材料中只含有石墨和铜两相，与XRD分析结果吻合。此外，石墨相并没有出
10、现团聚现象，而是均匀分布在相互连通的连续铜基体中。结果表明，化学镀方法实现了石墨与铜基体之间润湿性的改善，有利于复合材料实现物理和力学性能的各向同性15。3.2摩擦因数和磨损率图5为镀铜石墨-铜复合材料的摩擦因数和磨损率随电流的变化趋势。可以看出，镀铜石墨-铜复 合 材 料 的 摩 擦 因 数 明 显 小 于 纯 铜 的 值（0.25716），再次验证了石墨具有良好的减摩效果，是良好的自润滑相，能显著降低材料的摩擦因数。此外，摩擦因数随电流的增大呈下降的趋势，磨损率呈增大的变化，且在低电流时，摩擦系数的下降率显著要高于高电流（如20 A相比于0 A时，摩擦因数下降了17.4%，而60 A相比于
11、40 A，却仅下降了5.2%）；同理，低电流的磨损率的上升率高于高电流。造成这种情况的主要原因在于，电流的添加使得磨损表面叠加电阻热和摩擦热，温度表1复合材料试样的成分（%，质量分数）Table 1Composition of composite material specimen（%，mass fraction）SpecimenAPure copper powder93Copper-coated graphite powder7图1载流摩擦试验机结构示意图Fig.1Schematic illustration of current-carrying friction testing mach
12、ine structure快速上升，石墨氧化严重，表面粗糙度增加，导致电弧发生率增加，电流越大，电弧越容易形成。而电弧形成瞬间的高温使材料表层熔融，形成液态金属润滑膜，使得配副间的剪切阻力下降，摩擦因数降低17。因此，复合材料的摩擦因数随电流的增加而下降。此外，由于电阻热和摩擦热叠加作用，导致表面温度急剧升高，电弧烧蚀严重，使得表层基体熔融量增加，造成材料磨损率增大。3.3损伤机制图 6为复合材料在不同电流条件下的磨损表面形貌。在无电流时，磨损形式主要以犁沟和剥落为主，且犁沟深度较深。在电流为 20 A时，磨损表面沿滑动方向出现了一定宽度的电弧侵蚀带，石墨表面出现氧化层，同时伴随有较浅的犁沟和
13、剥落。随着电流的进一步增加，材料的磨损表图2粉末的SEM形貌图像以及EDS结果（a）镀铜石墨粉SEM图像；（b）EDS结果；（c）纯铜粉SEM图像；（d）鳞片石墨粉SEM图像Fig.2SEM images and EDS result of powders（a）SEM image of copper-coated graphite powder；（b）EDS result；（c）SEM image of pure copper powder；（d）SEM image of flake graphite without coating图37%镀铜石墨-铜复合材料的XRD图谱Fig.3XRD pa
14、ttern of 7%Cu-coated graphite-Cu composite图4复合材料的显微结构特征（SEM图像）Fig.4Microstructure characteristics of composite material（SEM image）76刘洋赈等 电流密度对镀铜石墨-铜复合材料载流摩擦磨损性能的影响2023年第1期快速上升，石墨氧化严重，表面粗糙度增加，导致电弧发生率增加，电流越大，电弧越容易形成。而电弧形成瞬间的高温使材料表层熔融，形成液态金属润滑膜，使得配副间的剪切阻力下降，摩擦因数降低17。因此，复合材料的摩擦因数随电流的增加而下降。此外，由于电阻热和摩擦热叠加
15、作用，导致表面温度急剧升高，电弧烧蚀严重，使得表层基体熔融量增加，造成材料磨损率增大。3.3损伤机制图 6为复合材料在不同电流条件下的磨损表面形貌。在无电流时，磨损形式主要以犁沟和剥落为主，且犁沟深度较深。在电流为 20 A时，磨损表面沿滑动方向出现了一定宽度的电弧侵蚀带，石墨表面出现氧化层，同时伴随有较浅的犁沟和剥落。随着电流的进一步增加，材料的磨损表图2粉末的SEM形貌图像以及EDS结果（a）镀铜石墨粉SEM图像；（b）EDS结果；（c）纯铜粉SEM图像；（d）鳞片石墨粉SEM图像Fig.2SEM images and EDS result of powders（a）SEM image o
16、f copper-coated graphite powder；（b）EDS result；（c）SEM image of pure copper powder；（d）SEM image of flake graphite without coating图37%镀铜石墨-铜复合材料的XRD图谱Fig.3XRD pattern of 7%Cu-coated graphite-Cu composite图4复合材料的显微结构特征（SEM图像）Fig.4Microstructure characteristics of composite material（SEM image）77总第179期铜业工程Total 179面出现了大量的电弧烧蚀坑，且坑内还附着一层密集细小的熔融重凝的铜颗粒。此外，由于摩擦热和电阻热的叠加，表面温度迅速升高，表面发生黏着18-19。当载流摩擦副发生相对滑动时，接触面被撕裂进而形成断裂和剥落。剥落的磨屑黏附于磨痕表面，同时材料接触表面置于空气中，容易跟空气中的氧发生化学反应形成氧化膜。磨损表面由于循环摩擦作用不断生成新的氧化膜，且生成的氧化膜又不断脱落，造成氧化磨损。
