铜基石墨复合材料制备及其载流摩擦磨损性能研究

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铜基石墨复合材料集合了石墨的接触润滑性好、热膨胀系数低的特点和铜的高导电率和良好延展性的特点,具有良好的导电、耐磨、耐电弧烧蚀性能,成为滑动电接触部件的理想材料,研究其载流摩擦磨损行为可以为开发新型电接触材料提供理论支持。本文选用化学镀法对石墨表面进行镀铜处理,采用粉末冶金工艺制备得到铜基石墨复合材料,并对复合材料的机械性能进行了研究;在销-盘式载流摩擦磨损试验机上以铜基石墨复合材料/铬青铜为摩擦副对复合材料进行载流摩擦磨损性能的研究,分析单因素试验条件下石墨表面镀铜、石墨粒度、石墨含量以及滑动速度、电流密度对复合材料摩擦磨损性能的影响;通过对摩擦表面形貌的表征,探讨了复合材料在不同工况条件下的磨损机制。研究结果如下:石墨表面镀铜能够明显改善石墨/铜界面结合状态,提高铜基石墨复合材料的密度和电导率,同时材料的布氏硬度有所降低;在载流摩擦过程中,石墨表面镀铜能够明显降低材料的摩擦系数和质量磨损率。粒度较小的石墨颗粒相较于大粒度石墨颗粒,对铜基体的割裂作用更加显著,导致材料密度、布氏硬度和电导率的降低;在载流摩擦过程中由于小粒度石墨颗粒分布均匀,能够有效连续地为摩擦表面提供润滑介质,减少电弧产生,因而具有更低的摩擦系数和质量磨损率。复合材料中石墨含量的增加,复合材料的密度、布氏硬度和电导率都随之下降;在载流摩擦过程中复合材料的摩擦系数和磨损率也随石墨含量的增加而降低,在石墨含量超过10wt%后磨损率保持在较低范围内,由本文试验结果可得到在滑动速度为40m/s时复合材料载流摩擦磨损性能最佳的石墨含量为12.5wt%。在载流摩擦条件下,试验参数的变化引起摩擦表面粗糙度、温度和润滑状态的改变,对材料的摩擦磨损性能也造成明显的影响。复合材料的摩擦系数随滑动速度的升高而增大、随电流密度的增大而呈平稳降低的趋势,而滑动速度和电流密度的增大则直接导致材料质量磨损率的升高。铜基石墨复合材料在载流条件下的磨损机制是机械磨损和电气磨损相耦合的复合磨损机制,摩擦过程中同时发生粘着磨损、磨粒磨损和电气磨损等形式的磨损;根据试验条件和磨损程度的不同将复合材料的磨损分为轻微磨损、中等磨损和严重磨损等三种磨损状态,每种状态占主导地位磨损机制不同,在轻微磨损状态石墨润滑膜在摩擦表面上起到了良好的减磨和减少电弧发生的作用,摩擦面发生轻微的粘着磨损;中等磨损状态发生较严重的粘着磨损和少量磨粒磨损和电弧烧蚀磨损;严重磨损状态发生严重的电气磨损,铜基体熔化损失、石墨脱落烧蚀,摩擦面失效。
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