Page 51 - 摩擦学学报2025年第4期

第 4 期 易美荣, 等: 镀铜Ti 3 SiC 2 和石墨双相增强铜基复合材料的制备及摩擦学性能研究 539

问题；Ti SiC 在增强材料力学性能的同时，其高温润 后的混合粉末，通过液压机(FS79Z-315F)在600 MPa
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滑抗磨作用则能保证摩擦材料在高载和高转速条件 的压力下压制成Φ50 mm×8 mm的压坯. 最后，将压坯
下依旧拥有稳定的摩擦系数和较低的磨损率. 采用化 放入到热压烧结炉(JVPF-200)中，抽真空至1×10 Pa，
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学电镀法对Ti SiC 和石墨表面进行化学镀铜处理，同 通入保护气体N :H =4:1 (体积比)，以10 ℃/min的升温
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时通过热压烧结技术制备了镀铜石墨和镀铜Ti SiC 2 速率加热到350 ℃保温1 h后继续以10 ℃/min的升温
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双相增强的铜基复合材料，并对复合材料的组织结 速率加热到950 ℃保温1.5 h，之后水浴冷却至室温得
构、物理力学性能及摩擦学性能进行研究，探究了不
到烧结样品.
同尺寸(40~300 μm)石墨对铜基复合材料的增强效果，

并对其摩擦磨损机理进行了分析. 表 1 复合材料的成分

Table 1 Composition of composite materials
1 试验部分 Composition (mass fraction) of composite materials
Number
Cu Cu-coated graphite Cu-coated Ti 3 SiC 2
1.1 试验原料
S1 100%, 30 μm 0 0
试验所用铜粉为北京兴荣源科技有限公司生产， S2 80%, 30 μm 20%, 40 μm 0
尺寸为30 μm，质量分数≥99.8%；所用Ti SiC 颗粒为 S3 85%, 30 μm 0 15%, 40 μm
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S4 65%, 30 μm 20%, 40 μm 15%, 40 μm
上海卜微应用材料技术有限公司生产，尺寸为40 μm，质
S5 65%, 30 μm 20%, 100 μm 15%, 40 μm
量分数≥99%；所用石墨为青岛铭润晨悦石墨有限公 S6 65%, 30 μm 20%, 300 μm 15%, 40 μm
司生产，尺寸为40~300 μm，质量分数≥99%；试验中的
镀铜试剂都是上海麦克林生化科技股份有限公司生产. 1.3 性能测试及组织观察

1.2 复合材料的制备过程 通过电子密度计(MH-300A)测试样品的密度和孔
为改善Ti SiC 、石墨颗粒与铜基体之间的润湿 隙率，通过布氏硬度计(HB-3000C)在2.5 kN的载荷下
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性，对试验所用的Ti SiC 颗粒和石墨颗粒都进行了 保压60 s后测得样品的布氏硬度. 通过1 kN万能试验
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表面化学镀铜处理. 化学镀铜液的基础配方为主盐 机(Instron 68SC-1)测试样品的拉伸强度. 上述试验进
18 g/L五水硫酸铜(CuSO ·5H O)，络合剂40 g/L乙二 行3次，结果取3次试验的平均值. 使用金相砂纸逐级
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胺四乙酸二钠(EDTA-2Na)，还原剂10 mL/L 37%甲醛
打磨至样品表面光滑，采用场发射环境扫描电子显微
溶液(HCHO)，pH调节剂氢氧化钠溶液(NaOH). 具体
镜(Quanta 200FEG)观察样品和分析表面形貌.
电化学镀铜过程如下：依次将18 g/L CuSO ·5H O和 在Bruker UMT-3摩擦试验机上进行摩擦磨损性能
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40 g/L EDTA-2Na加入溶液中，搅拌至完全溶解后加
测试. 采用线切割将烧结的样品切割成尺寸为10 mm×
入NaOH溶液调节pH在12~13之间，之后向溶液中加
10 mm×8 mm的方块作为摩擦副上试样. 摩擦副下试
入一定量的Ti SiC 颗粒或石墨颗粒，待其混合均匀后
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样为材质为30CrSiMoVA的摩擦盘，其尺寸为Φ95 mm×
加热至65 ℃并加入10 mL/L 37% HCHO溶液. 将混合
20 mm. 摩擦试验时，摩擦半径设置为38 mm，压力为
溶液置于65 ℃水浴上并搅拌1 h. 将所得溶液抽滤，洗
40~100 N，摩擦转速为800 r/min，每次试验时间为2 min.
涤直至滤液呈中性. 最后，将所得样品在真空环境中
用精密天平称量摩擦试验前样品的质量M ，单位为g，
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干燥12 h，得到镀铜Ti SiC 颗粒或镀铜石墨颗粒.
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通过粉末冶金法制备了6种具备不同成分的铜基 称量摩擦试验结束后样品的质量M ，单位为g，通过公
式(1)计算样品的磨损率(K). 其中，ρ为样品密度，单位
复合材料，复合材料各组元成分列于表1中，其中S1~
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为g/cm ，P为摩擦试验中所加的法向载荷，单位为N，
S3分别为纯铜、质量分数为20%单相镀铜石墨增强的
S 为摩擦路程，单位为m. 同时，通过表面微纳形貌
铜基复合材料和质量分数为15%单相镀铜Ti SiC 增 1
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强的铜基复合材料. S4~S6则为不同尺寸镀铜石墨增 仪(Thermo Scientific Phenom ProX)观察样品的磨损
强的质量分数为15%的镀铜Ti SiC 和质量分数为20% 表面. 使用带有EDS能谱仪的扫描电子显微(SEM,
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的镀铜石墨铜基复合材料. 铜基复合材料制备过程如 HitachiRegulus 8 100 )观察磨痕表面的形貌和元素分
下：首先，使用行星球磨机将铜粉、镀铜Ti SiC 在球料 布，磨屑及截面的微观形貌.
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比8:1 (质量比)、转速为350 r/min条件下球磨5.5 h后取 M 1 − M 2
K = (1)
出研磨球，加入镀铜石墨继续球磨0.5 h. 然后，将球磨 ρ· P·S 1