电铸制备铜基碳纤维粉复合材料及其摩擦磨损性能研究

第27卷第1期2018年3月淮海工学院学报（自然科学版）Journal of Huaihai Institute of TechnologyCNatural Science Edition)Vol.27 No. 1Mar.2018D O I；10. 3969/j. issn. 1672-6685. 2018. 01. 003电铸制备铜基碳纤维粉复合材料及其摩擦磨损性能研究%陈田\杨建明2(1.河海大学文天学院，安徽马鞍山243031; 2.淮海工学院机械工程学院，江苏连云港222005)摘要：采用复合电铸工艺制备了铜基碳纤维粉复合材料，研究了脉冲通电时间、脉冲峰值电流密度对复合材料摩擦磨损性能的影响.结果表明：脉冲通电时间与复合材料摩擦系数呈现负相关性，摩擦系数范围为0. 31〜0. 48,复合材料磨损量在20 X10—3〜90X10—3mm3之间减增，脉冲通电时间对复合材料摩擦磨损性能的影响较为显著；脉冲峰值电流密度与复合材料摩擦系数呈现负相关性，摩擦系数范围为0.22〜0.35,复合材料磨损量在16X10—3〜37X10—3mm3之间减增，脉冲峰值电流密度对提高复合材料耐磨性的作用不显著.基于实验结果分析了材料的摩擦磨损机理，得出复合材料中碳纤维粉的存在可使复合材料获得摩擦自润滑能力的结论.关键词：复合电铸；铜基复合材料；碳纤维粉；脉冲参数;摩擦磨损中图分类号：TB331 文献标识码：A文章编号：1672-6685(2018)01-0010-06Study on the Copper Matrix Carbon Fiber Composite andIts Friction and Wear Properties Prepared by ElectroformingC H E N T ian1，Y A N G Jianm ing2(1. Wentian College，Hohai University，Maanshan 243031，China;2. School of Mechanical Engineering，Huaihai Institute of Technology，Lianyungang 222005, China) Abstract：The influence of pulse power time and pulse peak current density on the friction andwear properties of copper matrix carbon fiber composite prepared by electrofo Experimental conclusion is as follows.Pulse current time has negative correlation with friction coefficient of the composite.The range of the composite coefficient of friction is0. 31—0. 48，the abrasion loss is 20 X10—3—90 X10—3mm3.So pulse current time inlluence on friction and wear properties of the composite is relatively significant.The peak current density s negatively corre­lated with the friction coefficient of the composite.The range of the composite coefficient of fric-tton is 0.22—0.35，the a brasion loss is 16 X10—3—37X10—3mm3.Therefore，the pulse peakcurrent density affection on improve the wear resistance of the composite s not significant.Basedon the experimental results，the friction and wear mechanism of the composite s analyzed，andthe composite materials can obtain sel--lubricating ability because of carbon fiber powder.Key words：composite electroforming；copper matrix composites；carbon fiber powder；pulse pa­rameters；friction and wear收稿日期：2017-11-27;修订日期：2018-01-04基金项目：河海大学文天学院校级科研项目（WT17011)作者筒介：陈田（1988 —)，女，江苏徐州人，河海大学文天学院助教，硕士，主要从事特种加工方面的研究，（E-mail) t98603149® 163.第1期陈田等：电铸制备铜基碳纤维粉复合材料及其摩擦磨损性能研究111.2性能测试采用SFT -2M 销盘式摩擦磨损试验机测试试样的性能，复合的偶件为球面GCr 15(高碳铬轴承钢）.试验机实验：加载载荷为20 N ，电机运行转速为200 r /m in ，旋转半径为 3 m m ，测试时间为2 m in ，采样频率为3 H z ，扫描长 度为5 M m •采用Axio Vert . A 1倒 射光学显微镜拍摄试样貌.2 参数对试样摩擦系数的影响2. 1脉冲通电时间的影响实验加15g /L ，脉冲关断时间为1 000 ^，脉冲峰值电流密度 为30 A /dm 2,超声 50 W ，脉冲通电时间(D在100〜1 000范围内变化时，得出各1下的摩擦系数曲线图，如图1•0 20 40 60 80 100 120摩擦时间/s3 1 i ；n_试样的摩擦系数曲线Fig. 1 Friction coefficient curve of each pulse currentenergization time由图1可知，通电时间小于400 p s 时，试样的 摩擦系著，随着通 的增加，摩擦系数势降低，曲线平稳•分析认为，摩擦系数曲线表现出的 及平稳现象与试样中：维分布的均勻性有关，通 试样中：维分布的均勻性.由试样的金 [8]可知，通‘间，试样分布均勻性较差，摩擦副存在铜一铜摩擦副、铜一G &15摩擦副、碳一GCr 15摩引言铜是一种导电性优良的材料，被广泛应用于导 电性能要求较高的场合.•、机械、交通、航空等领域的快速 ，对铜的功能的要求也越来高，不但要 备高导电性，而且还要具有较强的性热变形的能力•而铜基复合以备多功能的要求.目前铜基合的制备方法主要有金法、法等，其中以金制备法为主[1]，金法存在设备投入高、 能高等缺点[2]，在制备非金强复合，往往需要增加工艺来提高铜与增强的结合强度[3].目前国 于铜基复合材料非金属添加研究较为广泛的是 [4-5]、[]等. 是经工艺制备而成，是M m 级的 ，因了的高弹性、高强度、低 的优点，而且 了采用电工艺制备长合 工 的缺点[7].以合强，制 备 基合，研究性能，以期获得耐磨性优良的高导 ，并合材料的制备提一．1实验1.11．1．1 实验 、、 声装置、脉冲、等部分 .其中，电极材料304不，卩，选用，有效面积比约为1 : 2;两电极间的垂直距离为30m m ， 长方体，搅拌角速 60rnd /s ，平与的长 75°;采用加热型声，其作用是，促进微粒和基体金属共，改善复合的 .1.1.2 碳纤维粉及其前处理选用1 000目PAN 基碳纤维粉，在不严重 强度的前提下，采用马400 °C、球磨的方式对化处理，加强机合.1.1.3采用广泛使用的盐t 铸液.该实验的配方为：硫酸铜（CnS 〇4 • 5H 2〇)90g /L ， 硫酸（H 2SO 4H60 g /L ，氯化钠（N a Cl )0.03g /L ，十 二烷基硫酸钠（SDS ) 0.125 g /L ，聚乙二醇（PEG )0. 5 g /L .12淮海工学院学报（自然科学版)2018年3月图3 l ；n_试样平均磨损量曲线Fig. 3 Average abrasion loss of To n15g /L ，脉冲通电时间为100 ，脉冲关断时间为400，超声波功率为50 W ，脉冲峰值电流密度(I p )在10〜40A /dm 2之间变化时，得出各脉冲峰流密度下的 系数曲线图，如图4 .副等，所以试样系数变化较大；当通电时间逐，在试样中分布的均勻性改善，摩擦逐渐转化为碳与GCr 15之间的摩擦，故A 1A6系数曲线平稳；通于400^以后，摩擦曲线 平稳了很多，这是因为在摩接触 了较为完整的润滑膜.2给出了不同通电时间试样的平均摩擦系数.试样平均系数与通 呈现 性，通100到400 复合系数减小量较大，通 于400以后，摩擦系数减小势平稳.20406080100120摩擦时间/s图4 J p_摩擦系数曲线Fig. 4 Friction coefficient curve 〇犳犐狆由图4可以看出，各试样的摩擦系数曲线都较 为平稳，其中B 4〜B 6试样的 曲线更 定，这是因中多数以一 偶件的 主.5了 脉冲峰流与平均系数之间的关系.由图5知，当I p 大于30A /dm 2时， 试样平均摩擦系数略有增大，增大不显著；当八小 于30A /dm 2时，平均摩擦系数随着I 的增大而减小，减小幅度较大.图6表明，当I 小于25A /dm 2时，试样平均磨 损量随着I的增大而逐渐减小，减小幅度较大，这 是因为试样系，试样性较好；当0 200 400 600800 1 000脉冲电流通电时间/jus图2 T o n—试样平均摩擦系数曲线Fig. 2 Average friction coefficient curves of To n图3中，通电时间小于400 ^时，试样平均磨 损量与通呈现 性，与平均系数变化趋势一致；通电时间大于400 ^后，试样平均 .分析认为，通于400 ^后，试样 硬始降低，摩擦实验中，对偶件之滑动的同时还试样 一定的压力，该压试样变，且硬低，试样形变 ，试样磨痕的 宽度，因痕截面尺寸，试样的 ；因试样平均摩擦系数逐渐减，性 一定程度的提高，故试样总体不多 .以上实验结果分析得出，在T ；n 从100〜1 000变化时，试样摩擦系数在0. 31〜0. 48之间变化，磨损量在20X 10 — 3〜90X 10 — 3mm 3之间变 化，表明在上述实验条件下，脉冲通电时间对试样摩性能的较著.2. 2脉冲峰值电流密度的影响实验加3000o o o o o o o o98765432G s sT o l y義驺爾sf r555 4 4 3 3 0.0.0.0.0.000^第1期陈田等：电铸制备铜基碳纤维粉复合材料及其摩擦磨损性能研究13'10152025303540脉冲峰值电流密度<A‘dm_2)图5 J p_试样平均摩擦系数Fig. 5 Average friction coefficient curves of I狆10152025303540脉冲峰值电流密度/(Adnr2)图6 I p_试样平均磨损量Fig. 6 Average abrasion lo^s of I狆3磨损形貌及 理分析3. 1复合材料磨损形貌分析7为通合材料磨损形貌的影响.由图7可以看出，A 1〜A 5试样出现明的犁沟形貌，A1〜A 5犁沟、梨沟宽，A 4和A 5的犁沟尺寸1减;A1〜A 5发生铜金属迁移现象，可见犁沟边沿处的片状磨粒，A 5颜色较深的区域为黏附的屑；A6 平整光滑，可见 的碳端面，， 变为片状剥离.图8脉冲峰值电流密度对应的复合材料的磨损形貌.B 1重，犁沟形貌显著，犁沟尺寸大不均，边沿线模糊，有的金属迁移 的片状;B 2试样 程，没有的大尺寸犁沟，接近纯貌；B 3试样部分区域被“犁” 著，但犁沟尺寸较小，边缘整洁，在 丨的金属迁移较为光滑的 〖面;B 4的犁沟尺寸细小，产生的金属迁移不明显；B 5和B6 见后的端面，聚集的区域出现孔洞与压溃的形貌.大于25 A /dm 2时，其磨损量逐渐增大，25〜30 A /dm2时增幅较大，其后增幅 .分析认为，测量结果与试样的硬度有关，大于25A /dm 2时试样组织致密性降低，测试机施加的压试样表变致.从以上实验结果分析得出，当I p 在10〜40A / dm2范围内时，试样摩擦系数在0. 22〜0. 35之间变 化，试样磨损量在16X 10-3〜37X 10-3 mm 3之间减 .表明在上述实验条件下，试样的耐磨性总 L好，脉冲峰值电流密度的大小对试样 性能的不是著.(i一o o /w f ie s T t图7 Ton _试样磨损形貌Fig. 7 Abrasion morphology of Ton14淮海工学院学报（自然科学版)2018年3月图8 J p—试样磨损形貌Fig. 8 Abrasion morphology of I狆3.2摩擦机理分析试样的 程是复杂的，可能包含粘着磨损、、化学 、彳）冲蚀 等.在实验室条件下，可忽略冲蚀、、，因实验可仅考虑粘.复合 的 ；程 致分为3个阶段， 程 9 .图9复合材料摩擦磨损过程示意图Fig. 9 Schematic diagram of the composites friction and wear process第1阶段，摩擦初始阶段.这一阶段是试样表面的氧化膜与GCr15形成摩擦对偶件产生摩擦，氧化 物成分主要是氧化铜与氧化.氧化膜很薄，摩擦始后很快被剪切去除.虽然的露在空气中一层的以氧化主的氧化膜，但因 ，因此后 忽略 的新的氧化膜.接入第2阶段.第2阶段，复合与GCr15发生摩擦.该阶段属于摩擦过渡阶段，这一阶段中G&15分别与铜副.，铜基体因摩擦被“犁”产生金属迁移，试样表面表现为犁沟形貌；观 是乱层，摩擦受力后会沿着片层间劈裂或端部，这些 （因受压会在 铺 来，形成润滑膜，减少粘着点的，起到润滑的作用.第3阶段，固体润滑膜补充阶段.随着摩擦的 ，越来越多的被 压平，不断地补充 ，当试样内的含量达到一定，最终在 一张较为完整的固体润滑膜.粘着磨损过程是从形成粘着点开始的.摩擦发生后，粘着点承受剪切应力，当剪切 于 强， 塑性变形，直至断裂.滑〖擦，粘 点不断，剪切 在粘 点后根部开裂，材料发生断裂，进而脱，最终屑.复合中的 第3阶段时能有效地粘着点的，进而提高 的 性.7中，由试样磨损形貌的变化可知，摩擦副以 GCr15-主，粘 试样犁沟与基体金属迁移的形貌.随着通的增加，磨损貌 改变，这是因为在固体润滑膜f形的过程中，粘着点 ， GCr15-^主的 变为G&15-—碳为主的摩擦;到A6试样时，磨损接触了较为完整的润滑膜，因此不再出现梨沟和明显的金属迁移形貌.8中，试样 貌 原因与图7相似，不第1期陈田等：电铸制备铜基碳纤维粉复合材料及其摩擦磨损性能研究15同在于，B1〜B4图片中，试样的组织较为致密，B5到B6试样，复合材料内碳纤维粉含量过大，降低了材料的致密性，在磨损实验中摩擦面因受力，使摩擦表面出现了大尺寸孔洞与压溃的形貌.4结论采用复合电铸工艺制备了铜基碳纤维粉复合材料，研究了脉冲通电时间、脉冲峰值电流密度对复合材料摩擦磨损性能的影响，得出如下结论.(1)脉冲通电时间与复合材料摩擦系数呈现负相关性，当其值大于400 p s后，复合材料摩擦系数开始趋于定值，摩擦系数范围为0.31〜0.48;当其大于400 Ps T，复合材料摩擦曲线波动程度逐渐降低；复合材料磨损量在20X10-3〜90X10-3mm3之间变化.脉冲通电时间对复合材料摩擦磨损性能影响较为显著.(2)脉冲峰值电流密度与复合材料摩擦系数呈现负相关性，当其值大于25A/dm2后，摩擦系数值趋于一定值，摩擦系数范围为0.22〜0.35;各峰值电流密度条件下，复合材料摩擦曲线平稳性良好；复合材料磨损量在16X10-3〜37X10-3mm3之间减 增.脉冲峰值电流密度的大小对提高复合材料的耐磨性作用不显著.最后，分析了复合材料磨损机理，得出结论：复合材料中的碳纤维粉可在摩擦面间形成固体润滑膜，能有效地减少摩擦过程中粘着点形成的数量，达 到自润滑的效果，从而提高材料的耐磨性.参考文献：[1]张颖异，李运刚，田颖.高导电高耐磨铜基复合材料的研究进展[J].稀有金属与硬质合金，2011,39(3):48­53.[]张广庆，徐楠，王瑗.粉末冶金压制成形理论与工艺综述[].热加工工艺，2017(9) :9-14.[]杨浩，朱明明，李卫.短碳纤维增强铜基复合材料的载流摩擦磨损行为[].特种铸造及有色合金，2013(8):765-768.[4] X U W ei，H U R u i，LI Jinshan，et al. 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