等离子喷涂铜-石墨复合涂层结构与干摩擦磨损性能研究

云海涛， 梁 波， 季 珩， 郑学斌

（1.燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，河北秦皇岛066004;2.中国科学院特种无机涂层重点实验室中科院上海硅酸盐研究所，上海200050;3.中国南方航空工业（集团）有限公司，湖南 株洲 412002）

铜-石墨材料由于具有铜的高导电、导热性与石墨良好的润滑性能作为电刷材料应用于多种电机设备中，特别是采用球磨铸造、粉末冶金等方法制备的铜-石墨块体材料，已经在滑动轴承、受电弓滑板、电车轨道上得到了很好的应用［1～6］。但此方法用时长，耗能大，因此促使了铜-石墨复合涂层的制备与研究。通过采用涂层技术，能够有效改善材料表面性能，满足实际需求，如耐磨涂层，不仅使材料在高温等苛刻工况下具有优良的耐磨性，同时也很好的解决了材料高耐磨性和韧性的矛盾，从而扩大了材料的使用范围。铜-石墨复合涂层不仅具有块体材料的优良性能，又能降低贵金属的使用量，节约材料成本和稀有（贵重）金属资源，初步研究表明其应用前景十分广阔。等离子喷涂技术是一种工艺简单、适应性广、涂层制备质量高、易对难熔粉体喷涂的表面改性技术［7，8］。

采用化学镀工艺制备的铜包石墨［9～12］喷涂粉体，是在石墨颗粒表面镀覆一层铜，使石墨被完全包裹，有效改善了铜与石墨间的润湿性［13］。利用等离子喷涂铜包石墨复合粉体可以得到具有良好导电润滑性能的复合涂层。但由于商用喷涂粉体制备技术的限制，目前等离子喷涂铜-石墨复合涂层研究较少。

本实验通过大气等离子喷涂技术制备了铜包石墨涂层，表征了涂层的显微结构，并利用UMT的球-盘摩擦磨损试验机，对小载荷、低滑动速率条件下的摩擦磨损性能和磨损机理进行了研究。

1 实验方法

1.1 实验材料

基材选用316不锈钢，喷涂粉体采用镀铜石墨粉，其中铜含量为65%（质量分数，下同），粉末粒度为50～70μm，如图1所示。

1.2 等离子喷涂实验

采用大气等离子喷涂设备，其中喷枪为Sulzer Metco 9MB Plasma Gun。喷涂前对基体进行喷砂处理，喷涂粉末置于80℃干燥箱中烘干2h。喷涂工艺参数见表1。

图1 Gr-65%Cu粉形貌及EDS分析Fig.1 Morphology and EDS analysis of Gr-65%Cu composite powders

表1 大气等离子喷涂工艺参数Table 1 Atmosphere plasma spraying parameters

1.3 摩擦磨损实验

采用CETR UMT-2型多功能摩擦磨损测试仪，摩擦盘尺寸为φ70mm×5mm，对磨件采用φ9.5mm的GCr15轴承钢球。摩擦载荷设为 10，20，30，40，50，60N，滑动速率设为 0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.8m/s，滑动距离为1000m。实验前将试样抛光至粗糙度为Ra 0.4μm。实验前后用精度为0.1mg的电子天平对试样进行称重。

1.4 分析测试方法

利用S-4800场发射扫描电镜（FESEM，HITACHI，Japan），Kevex-Singma level4 型能谱仪（EDS，Kevex，USA），D-max-2500型X射线衍射仪（XRD，Rigaku，Japan）分别对粉体、涂层以及摩擦表面的形貌、成分及相组成进行分析。

2 结果与分析

2.1 涂层形貌及结构表征

图2为涂层表面形貌，涂层表面较平整，有少量气孔，可以作为润滑剂的储存场所［3］，且喷涂粉体颗粒间结合紧密。涂层截面形貌如图3所示，灰色部分为铜基体，黑色部分为石墨，等离子喷涂的层状结构非常明显，石墨颗粒均匀分布于整个涂层中，涂层较致密，层与层之间结合紧密，仅存在极少量的气孔，涂层与基体的结合部位也没有裂纹，显示了良好的结合性能。这是由于喷涂过程中功率较低，石墨颗粒表面的铜包覆层烧损较少，因此，粉末沉积过程中，由于铜与铜、铜与钢基体之间良好的润湿性使涂层间以及涂层与基体的结合较好。根据以上结构特点可以预见，涂层具有良好的摩擦磨损性能。

图4为喷涂粉末的XRD分析，结合图1可知，喷涂粉体纯度较高，只含有C和Cu两相，但经过等离子喷涂，涂层中出现了少量的Cu2O相，如图5所示。这是因为喷涂在大气环境中进行，等离子焰流中难免混入少量的氧气，粉体在飞行过程中部分被氧化。由文献［14，15］可知，金属氧化物可以防止接触表面上冷焊和咬合，因此少量Cu2O的生成对提高涂层的摩擦磨损性能有积极的影响，故在喷涂实验中不必特意加大氩气流量来控制氧化。

2.2 滑动速率对摩擦磨损性能的影响

不同载荷下，摩擦系数随滑动速率的变化曲线如图6所示。载荷为20N时，摩擦系数先降低，然后基本上趋于稳定，在0.03～0.06之间波动;载荷为50N时，摩擦系数较为稳定，在0.12～0.15之间波动。这是由于大载荷利于润滑膜的形成，因此在不同速率下摩擦系数变化不大。

图6 不同载荷下，摩擦系数随滑动速率的变化曲线Fig.6 Variation of friction coefficient with sliding speed

图7为不同载荷下磨损率随滑动速率的变化曲线。载荷为20N和50N时，随滑动速率的增大，磨损率先降低后上升，在滑动速率为0.3m/s时最低，且载荷较大时，磨损率也较大。

图7 不同载荷下，磨损率随滑动速率的变化Fig.7 Variation of wear rate with sliding speed of the coating

图8为20N载荷、不同滑动速率下磨损表面的微观形貌。滑动速率为0.2m/s时，钢球对涂层表面破坏较小，仅仅发生了铜的轻微塑性变形，石墨并未形成完整的润滑膜，此时摩擦形式为铜与钢球的直接接触，摩擦系数较大;滑动速率为0.3m/s时，涂层表面的铜被碾碎，石墨被挤出变形，在涂层与钢球间形成了一层石墨润滑层，阻碍了铜与钢球的接触，起到减摩润滑作用，此时摩擦系数及磨损率降到最低;0.4m/s时，出现大量犁沟，这是由于摩擦过程中涂层表面温度升高，产生部分氧化，铜的氧化物较脆，碎裂后形成第三体，对摩擦面产生犁削;滑动速率为0.5m/s时，摩擦热使涂层软化，涂层塑性变形严重，此时磨损机制主要为黏着磨损;滑动速率增大到0.8m/s时，钢球对涂层的剪切作用增强，表面摩擦热明显增大，涂层软化，塑性变形更易进行，从而摩擦系数有所降低，磨损率急剧升高。

当滑动速率超过0.3m/s时，由于石墨润滑膜的形成，涂层摩擦系数基本稳定在0.03～0.06之间。磨损机制主要为粘着磨损。

2.3 载荷对摩擦磨损性能的影响

不同滑动速率下，涂层摩擦系数随载荷的变化如图9所示。随载荷的增大，摩擦系数先降低后上升，到60N时，又有所降低。载荷小于30N时，低速条件下比高速时的摩擦系数高，当载荷增到30N以上时，速率越大摩擦数越高，且随滑动速率的增大，达到最小摩擦系数的载荷值越小。

图8 20N载荷、不同滑动速率下摩擦表面形貌Fig.8 SEM micrographs of worn surface of coating in the condition of 20N constant normal load and different sliding speeds（a）0.2m/s;（b）0.3m/s;（c）0.4m/s;（d）0.5m/s;（e）0.6m/s;（f）0.8m/s.

图9 不同滑动速率下，涂层摩擦系数随载荷的变化Fig.9 Variation of friction coefficient with normal load of the coating

不同滑动速率下，涂层磨损率随载荷的变化如图10所示。随载荷的增大，涂层的磨损率呈单调递增趋势。从20N到40N，磨损率随载荷增大变化不大，但当载荷增大到40N以上时，磨损率急剧增大。

图10 不同滑动速率下，涂层磨损率随载荷的变化Fig.10 Variation of wear rate with normal load of the coating

图11为0.2m/s滑动速率、不同载荷下摩损形貌。当载荷较小时，如图11a，b，钢球与涂层中的铜直接接触，涂层磨损较小，摩擦系数较大，接触区并未形成完整的石墨润滑膜;当载荷增大到30、40N时，涂层中石墨基面的取向逐渐趋于平行涂层表面，这有利于完整石墨润滑膜的形成，从而有效降低摩擦系数;载荷继续增大，石墨转移膜不断被消耗又不断形成，因此磨损率急剧增大，此时钢球压入涂层深度亦增加，与涂层接触面积增大，摩擦系数有所上升。

2.4 磨屑分析

磨屑形貌及成分分析如图12所示，可见磨屑为层片状，结合EDS分析，磨屑的形成主要是在摩擦过程中，涂层由于疲劳在亚表层的缺陷处产生裂纹，随摩擦的进行，裂纹不断扩展，从而直接从涂层中剥落。

3 结论

（1）等离子喷涂的Graphite-65%Cu复合涂层结构致密，喷涂后片状石墨与铜结合良好，且复合涂层与不锈钢基材界面结合牢固;石墨在涂层中分布均匀;物相组成主要为C，Cu和Cu2O三相;

（2）在大气环境，载荷10～60N，滑动速率为0.2～0.8m/s的试验范围内，复合涂层的摩擦系数在0.03～0.15范围内变化。最小摩擦系数（μf=0.03）出现在20N，0.3m/s条件下。摩擦副间石墨润滑膜的形成是涂层低摩擦系数的根本原因;

（3）磨损率呈现随载荷增大而明显增大的趋势;而随滑动速率的增大，涂层磨损率先降低然后增大，其中0.3m/s时磨损率最小。磨损机理表明，大载荷、高速率会造成涂层表面结构不断剥落，加剧磨损。主要磨损机制是粘着磨损，同时伴随着一定的磨粒磨损。

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