石墨表面金属包覆处理对Cu基粉末冶金摩擦材料制动摩擦学行为的影响

张 鑫, 郭 丹, 刘军锋, 杜三明,2, 杨正海,2, 上官宝

(1. 河南科技大学 材料科学与工程学院, 河南 洛阳 471023;2. 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)

高速列车制动工况下对摩擦材料的要求极为严格，不仅要求摩擦材料要在制动过程中发挥出足够且稳定的摩擦性能，而且须具备较高的耐磨性能[1-3]. 在各类摩擦材料中，铜基粉末冶金材料以其优异的力学性能、导热能力和耐磨性从中脱颖而出，已成为最为可靠且应用最广的高速列车制动摩擦材料[4-6]. 石墨作为铜基粉末冶金摩擦材料的首选固体润滑剂[7-9]，其虽具有摩擦系数低、导热性好和价格低廉等优势，但因其相对铜基体明显较软，且烧结时与铜基体不发生互溶和反应而导致二者间界面结合很差，故石墨往往被视作基体中的孔隙，大量石墨的加入必然会显著降低基体连续性，并对材料力学性能、导热性能及摩擦学性能等产生不利影响[10-11]. 相关研究[12-15]表明，将石墨进行表面金属包覆处理，是改善烧结时石墨与铜基体间界面结合的一种有效手段.

石墨表面金属包覆处理后对于石墨与铜基体间界面结合的增强，必然会引起材料性能和摩擦学行为的变化，基于此，国内外很多学者开展了相关研究工作，并取得了一些重要结果. 文献[13]中采用铜包覆石墨制备了铜基粉末冶金材料，并分析了其显微组织和物理性能. 结果显示，烧结过程中铜包覆石墨可与铜基体在界面处形成化合物，从而明显减少了界面孔隙，使界面连续性增强，所得材料致密度和导热系数能分别提高至99.5%和400～480 W/(m·K). 文献[14]中研究了三种石墨含量条件下，分别采用铜包覆石墨和普通石墨时铜基粉末冶金材料的摩擦磨损性能.结果表明：当石墨含量相同时，采用铜包覆石墨可显著提高材料的力学性能和致密度；当摩擦条件相同时，采用铜包覆石墨的材料摩擦系数和磨损率均较低；不论采用何种石墨，材料变形能力对于表面摩擦膜的形成均有较大影响. 但该研究中并未探讨采用铜包覆石墨对表面摩擦膜的性质是否具有影响. 文献[15]中采用镀铜和镀镍两种方式对石墨进行了表面处理，并研究了其对铜基粉末冶金材料显微组织和摩擦学性能的影响，得出石墨表面经镀铜或镀镍后，均可明显改善石墨与基体之间的界面结合性，且可使相同试验条件下材料摩擦系数稳定性及表面摩擦膜完整性均得到明显提高，而该研究中也未涉及石墨表面金属包覆对于表面摩擦膜性质的影响作用. 以上工作虽然在石墨表面金属包覆处理对于铜基粉末冶金材料性能影响的研究方面取得了一些成果，但对于石墨表面金属包覆处理后所引起的材料力学及物理性能变化，是否会带来一定条件下摩擦表面性质，特别是表面摩擦膜形成机制及行为的改变等方面并未展开深入研究.

本文中基于石墨对铜基粉末冶金摩擦材料性能的重要影响，分别选用铜包覆石墨和普通石墨作为润滑组元制备了两种铜基粉末冶金摩擦材料，在对两者的微观组织和力学及物理性能进行检测、对比的基础上，通过对两种材料制动摩擦磨损性能、摩擦表面及磨屑特征、表面及近表层元素分布和表面物相组成等方面进行深入分析，研究了石墨表面金属包覆处理对于制动条件下铜基粉末冶金摩擦材料摩擦学行为的影响规律.

1 试验部分

1.1 试验材料及制备

试验材料为铜基粉末冶金摩擦材料，即基体为Cu，并添加Sn对基体进行强化，摩擦组元选用Fe和SiO2，润滑组元则分别采用铜包覆石墨和普通石墨，采用放电等离子烧结(SPS)技术制备两种铜基粉末冶金材料.两种试验材料的化学成分及各种粉末原料粒度列于表1中，所用铜包覆石墨粉末采用化学镀工艺获得(见图1)，且其中Cu与石墨的质量比为1:1，故两种试验材料中石墨的实际质量分数均为4%. 所用烧结设备型号为SPS-30，材料烧结温度为780 ℃，烧结压力30 MPa，烧结时炉内真空度控制在10-1Pa以下，烧结所得试样尺寸为Φ20 mm×15 mm.

表1 试验材料的化学成分(质量分数/%)及原料粒度Table 1 Chemical composition (mass fraction/%) and powder particle sizes of test materials

Fig. 1 Cu-coated graphite powder图1 铜包覆石墨粉末

1.2 试验方法

1.2.1 力学及物理性能测试

分别对两种试验材料进行了硬度、密度和导热系数测试. 硬度测试选用320HBS-3000型布氏硬度仪，测试时载荷大小为2 500 N，并选用Φ5 mm的钢质压头.密度测试采用阿基米德排水法，并根据测试结果计算出每种材料的致密度. 导热系数测试采用LFA-1000型激光导热测试仪，测试温度分别为室温、300及600 ℃，以石墨作为参考物.

1.2.2 制动摩擦试验

利用MM1000-Ⅱ型惯性制动试验台，以25Cr2MoVA钢作为配幅制动盘(Φ160 mm×9 mm)，试验转动惯量约为0.5 kg·m2，在0.4 MPa的试验制动压力(p)下，选取100、150、200和250 km/h四种列车实际制动初始速度(v0，以下简称制动速度)，分别对两种试验材料进行制动摩擦磨损性能测试，试验分组列于表2中. 测试时同一条件下的制动摩擦试验重复进行5次，最终可得到各试验条件下的平均制动时间(t)和平均摩擦系数(μ)，并测算出各条件下的材料磨损率(能量磨损率，即消耗单位能量时的质量损耗)，测试材料1包含铜包覆石墨，测试材料2包含普通石墨.

表2 制动摩擦试验分组和试验结果Table 2 Table 2 Brake friction test groups and results

1.2.3 微观分析与表征

利用JSM-5610LV型扫描电子显微镜(SEM)对两种试验材料进行微观分析，对比两种材料微观结构间的差异，并重点分析石墨表面金属包覆处理对于其与基体间界面结合性的影响作用.

制动摩擦试验后，须对材料摩擦表面及磨屑的各种特征进行微观分析，以对比不同条件下材料摩擦磨损行为的差别，特别是磨损机制方面的差异性. 首先利用Nanofocus AG型三维形貌扫描仪对试验后材料摩擦表面的几何质量和典型磨损特征等进行分析，对比不同条件下材料表面磨损行为的差异. 其次利用SEM、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)对试验后材料摩擦表面及磨屑的形貌、成分特征和表面物相等进行分析，获得不同条件下材料表面摩擦磨损行为的主要特点和典型磨损机制. 另外，为了更好地对比不同条件下材料摩擦表面特征和磨损机制间的差异，试验采用切割、镶嵌、打磨、抛光和浸泡等一系列手段制备了斜切面试样，并对其摩擦表面和近表层进行了微观形貌及成分分析，斜切面试样型式见图2.

Fig. 2 Inclined-plane sample图2 斜切面试样

2 结果与讨论

2.1 材料微观组织与力学及物理性能

图3给出了两种试验材料的微观组织，表3为对图3(a)中区域A、B、C和D的能谱分析结果. 如图3(a)所示，当采用铜包覆石墨作润滑组元时，材料的基体由Cu和Cu-Sn固溶体构成，例如区域A. 根据对区域B和C的能谱分析结果，可知图中较大的灰色和黑色颗粒分别为Fe和石墨，而图中白色箭头所指示的深色小颗粒D则为SiO2，其在基体中呈弥散分布. 而对于采用普通石墨作润滑组元的材料，如图3(b)所示，除石墨外，其他各组元在基体中的分布及形貌特征与采用铜包覆石墨的材料大致相似，但该材料中石墨与基体间的界面结合明显较弱，并且还出现了个别石墨颗粒被明显破坏的情况，可以看到石墨颗粒一部分已经从基体中脱落，余下部分则深陷基体之中，致使石墨颗粒的完整性明显降低. 而这一现象在含铜包覆石墨材料中并未出现，表明采用铜包覆石墨作润滑组元时，石墨与基体之间界面结合良好.

表3 图3中区域A、B、C和D的能谱分析结果Table 3 EDS analysis results of area A, B, C and D in Fig. 3

界面结合性改善所带来的基体连续性增强，也有利于材料力学及物理性能的提高. 表4列出了两种材料硬度、致密度和导热系数的测试结果. 如表4所示，采用铜包覆石墨作润滑组元时，材料以上三种性能指标与采用普通石墨时相比均显著提高，其中硬度和致密度分别提高了约33%和8%，导热系数则提高了50%～70%. 材料力学及物理性能的提高，对于提升其制动摩擦学性能，特别是减轻其在制动摩擦过程中所受的机械损伤和热损伤是有益的.

表4 两种材料的硬度、致密度和导热系数测试结果Table 4 Hardness, relative density and thermal conductivity coefficient for two materials

2.2 制动摩擦磨损性能

2.2.1 平均摩擦系数与磨损率

Fig. 3 Microstructures of two materials图3 两种材料的显微组织

制动摩擦试验结果列于表2中，在各制动速度下，与含普通石墨材料相比，虽然含铜包覆石墨材料的平均摩擦系数均有所降低，并使得其平均制动时间也均有所延长，然而其磨损率却均出现了大幅的减小. 文中详细分析两种材料在摩擦磨损性能方面的差异，图4为两种材料平均摩擦系数和磨损率随制动速度的变化曲线.

Fig. 4 Average friction coefficient and wear rate of two materials under different braking speeds图4 不同制动速度下两种材料的平均摩擦系数和磨损率

如图4所示，两种材料的平均摩擦系数均随着制动速度的提高而逐渐降低. 这是由于摩擦速度的升高会带来摩擦表面温度的急剧上升，从而导致材料力学性能不断降低，同时塑性变形能力会不断增强，并促进摩擦表面形成摩擦膜而起到润滑作用[16]，因此使摩擦系数降低. 图4中还显示，在相同速度下，含铜包覆石墨材料的平均摩擦系数均低于含普通石墨材料. 这是由于石墨表面经铜包覆处理后使得石墨与基体间界面结合能力提高，增强了材料的力学性能和导热性能(见表4)，这一方面会使含铜包覆石墨材料在相同速度下产生较低的摩擦温度，且其表层力学性能的下降幅度也较小，但含普通石墨材料会因本身较高的摩擦温度和较低的力学性能而使其在摩擦过程中更容易产生塑性变形，从而有利于摩擦副表面微区的相互接触与啮合[14,16-17]，因此便产生较高的摩擦系数；另外一方面，摩擦过程中两种材料表面温度和力学性能的差异，也可能会导致二者摩擦表面所形成的摩擦膜具有不同的润滑效果，甚至出现不同的润滑机制，从而使两种材料在相同速度下表现出不同的摩擦性能.

两种材料磨损率随制动速度的变化情况也存在明显差别，如图4所示，随着制动速度的提高，含铜包覆石墨材料和含普通石墨材料的磨损率均逐渐下降，但后者磨损率的下降幅度更加明显. 另外，对比两种材料还可发现，当速度相同时，含铜包覆石墨材料的磨损率均显著低于含普通石墨材料. 这是由于含铜包覆石墨材料本身具有较高的力学性能，同时其在相同速度下所产生的较低摩擦系数会使材料所受的机械损伤明显减轻，另外该材料相对较高的导热性能也有利于摩擦副热量的耗散，从而也会显著减小材料所受的热损伤. 因此，当采用铜包覆石墨作润滑组元时，可有效降低相同摩擦条件下的材料磨损，此与文献[14]的研究结果一致.

2.2.2 摩擦表面三维形貌

两种材料磨损性能的分析和对比结果表明，石墨表面经铜包覆处理后所带来的材料力学性能和导热性能的增强，会显著降低相同制动摩擦条件下材料的磨损率，因此，两种材料摩擦试验后摩擦表面的形貌和几何质量等方面也必然存在差别. 图5给出了两种材料分别在100和250 km/h两种制动速度下摩擦试验后的摩擦表面三维形貌以及表面沿图中箭头指示方向的轮廓线变化情况.

如图5所示，在相同的制动速度下，与含普通石墨材料相比，含铜包覆石墨材料表面明显更为平整. 当速度为100 km/h时，含铜包覆石墨材料表面上仅出现了少量较浅的凹坑，且表面犁沟作用也很轻微，故表面沿箭头指示方向的轮廓线仅在个别位置出现了较明显的高度变化，见图5(a). 而当速度为250 km/h时，其表面上也仅存在轻微的犁沟痕迹，但未发现明显的凹坑，从沿箭头指示方向表面轮廓线的变化情况来看，仅在距离最左端约1 070 μm左右的位置才开始出现高度的变化，但变化不大，即表面轮廓线沿箭头指示方向总体较为平直，如图5(b)所示. 而对于含普通石墨材料，在两种速度条件下，其摩擦表面均呈现较为明显的粗糙结构，表面上也均出现了许多较深的犁沟和较大的凹坑，且坑内高低不平，因此使得该材料表面沿箭头指示方向的轮廓线均出现了较大的高度变化，如图5(c)和(d)所示，并且速度越高，表面犁沟深度更大. 上述分析结果表明，在相同的制动摩擦条件下，含铜包覆石墨材料摩擦表面的磨损程度明显低于含普通石墨材料.

Fig. 5 3D morphology of friction surfaces of two materials under different braking speeds图5 不同制动速度下两种材料摩擦表面三维形貌

2.3 摩擦表面及磨屑的特征与磨损机制

2.3.1 摩擦表面特征

首先，根据对两种材料制动摩擦试验后摩擦表面SEM分析结果，对比两种材料间磨损机制的差异以及分别在不同制动摩擦条件下每种材料磨损机制的变化情况. 图6给出了两种材料分别在100和250 km/h的制动速度下试验后摩擦表面微观形貌，表5为对图6中区域A、B、C、D、E和F的能谱分析结果.

如图6(a)和(b)所示，当速度为100 km/h时，两种材料摩擦表面均出现了犁沟，即均表现出了明显的磨粒磨损特征. 另外，该速度下两种材料表面虽然均存在剥落坑，但含普通石墨材料表面所形成的剥落坑明显较多，且坑内大都有石墨存在，如区域D(其能谱分析结果见表5). 而此时含铜包覆石墨材料表面的剥落坑相对较少，且在坑内未发现石墨，该材料表面的剥落坑是因表面发生了黏着而导致的，即黏着磨损，但此时该种磨损较为轻微. 而含普通石墨材料摩擦表面所形成的剥落坑则主要是由于该材料及石墨自身力学性能均较低，从而使石墨所在位置附近的材料受到外力易被从表面剥离所导致，即该材料此时发生了较为严重的剥层磨损[18-19]，因此该条件下含普通石墨材料的磨损率明显高于含铜包覆石墨材料(见图4). 另外，由图6(a)还可看到含铜包覆石墨材料表面局部已出现了轻微氧化，如区域A，该区域同表面其他大部分区域(如区域B)相比，其颜色明显较深，且表5中区域A和B的EDS分析结果也显示，区域A中的O含量明显较高，同时主要元素Cu的含量明显降低，但此时由于压力较小且制动时间较短，所以表面温升有限，故氧化区域面积并不大,然而该条件下含普通石墨材料表面并未出现氧化现象.

Fig. 6 Friction surface morphology of two materials under different braking speeds图6 不同制动速度下两种材料的摩擦表面形貌

表5 图6中区域A、B、C、D、E和F的能谱分析结果Table 5 EDS analysis results of area A, B, C, D, E and F in Fig. 6

当速度提高至250 km/h，如图6(c～d)所示，可以看到每种材料摩擦表面形貌特征与速度为100 km/h时相比均发生了明显变化，并且该条件下两种材料表面形貌间的差异也十分明显. 由图6(c)可以看出，与速度为100 km/h时相比，此时含铜包覆石墨材料表面氧化区域面积明显增大，如区域C(其能谱分析结果见表5)，同时表面上非氧化区域面积大大减小，故此时该材料表面局部已经形成了氧化膜，这归因于制动速度的提高使得表面温升加剧且试验时间延长，使得摩擦表面发生了十分强烈的氧化反应[16,20-21]. 图6(c)还显示此时含铜包覆石墨材料表面的黏着磨损仅发生在非氧化区内，而氧化区内并未发生，表明氧化膜的形成可明显减轻摩擦副间的黏着效应，从而减小材料磨损. 另外，此时该材料表面氧化区内也未出现明显的裂纹和剥落，即未出现氧化膜被破坏的情况，故此时尚未发生氧化磨损. 而对于含普通石墨材料，由图6(d)所示，此时其表面仍然没有发生明显氧化，即未形成明显的氧化膜，但与速度较低时相比其表面形貌也发生了明显变化，此时不仅表面剥落坑数量明显减少，而且很多剥落坑中的石墨颗粒已明显变得不够完整，这一方面是由于普通石墨与基体结合不牢固，另一方面则由于速度提高后使材料受到的摩擦作用时间延长，从而造成大量石墨颗粒脱离基体. 图6(b)和(d)中区域E和F的EDS分析结果还显示，制动速度由100 km/h提高至250 km/h后，该材料表面上非石墨所在区域的C含量明显升高，同时Cu含量有所降低，这是由于此时从基体脱落的石墨会与其他各类磨屑颗粒一起被外力压平而粘附于材料表面，从而起到了隔离摩擦副的作用，即此时表面已经形成了石墨膜[22-23]，故此时该材料磨损率与速度较低时相比也明显减小(见图4). 通过比较图6(c)和(d)还可发现，与含铜包覆石墨材料表面所形成的氧化膜相比，含普通石墨材料表面石墨膜的连续性明显较差，且表现出易于被外力剥落的倾向.

上述分析表明，制动摩擦速度的提高有利于材料表面形成摩擦膜，但分别采用铜包覆石墨和普通石墨作润滑剂时，材料表面所形成的摩擦膜类别存在明显差别. 接下来通过对两种材料摩擦表面与近表层的元素分布情况进行分析，进一步比较两种材料表面所形成摩擦膜的差异. 图7给出了制动速度为250 km/h条件下试验后两种材料斜切面试样中摩擦表面与近表层的形貌及主要元素分布情况，其中，图7(a)中各主要元素的能谱分析结果见图7(a1)、(a2)和(a3)，图7(b)中各主要元素的能谱分析结果见图7(b1)、(b2)和(b3).

如图7(a)和(b)所示，与含普通石墨材料相比，含铜包覆石墨材料表面磨损明显轻微，并且由于该材料的变形能力相对较低，故表面与近表层间的界线比较平直. 而含普通石墨材料由于其较强的变形能力，使得其表面与近表层间的界线明显比较弯曲，并且可以看到该材料邻近摩擦表面的近表层材料已经发生了明显的塑性变形. 对于含铜包覆石墨材料，如图7(a1)、(a2)和(a3)所示，在此制动条件下，C元素在其表面与近表层的分布情况无明显差别，而O和Cu元素在表面与近表层的分布却表现出了明显不同，可以看到此时摩擦表面O元素含量明显比近表层要高，而表面Cu元素含量明显低于近表层，这种情况的出现便是由于该条件下较高的摩擦表面温度及较长的试验制动时间，使得表面上形成了氧化膜并起到对摩擦副的隔离作用. 而对于含普通石墨材料，由图7(b1)所示，材料表面C元素的分布明显比近表层更为均匀，这是由于该材料中石墨与基体间的界面结合较差，从而使得石墨颗粒易于伴随着近表层强烈的塑性变形而被挤至摩擦表面，并参与形成了石墨膜. 图7(b2)和(b3)还显示，此时含普通石墨材料表面与近表层的O及Cu元素的分布情况没有明显差别，表明此时该材料表面并未出现明显氧化，且材料表面所受的摩擦膜隔离作用也明显较弱.

对两种材料摩擦表面与近表层元素分布情况的分析结果进一步表明，当摩擦速度较高时，两种材料表面均形成了摩擦膜，但二者所形成的摩擦膜类别明显不同. 当采用铜包覆石墨时，表面摩擦膜主要由较多的氧化物构成，即此时材料表面主要形成氧化膜.而当采用普通石墨时，材料表面所形成的摩擦膜中含有较多的石墨，且其中氧化物含量较低，即此时材料表面主要形成石墨膜.

2.3.2 磨屑特征

通过分析和对比两种材料在各制动条件下试验后所产生磨屑的各种特征，可进一步比较两种材料摩擦磨损行为的差异. 图8为两种材料分别在100和250 km/h的制动速度时试验后所形成磨屑的SEM分析结果，表6列出了对图8中区域A和B的能谱分析结果. 对于含铜包覆石墨材料，当速度为100 km/h时，如图8(a)所示，磨屑主要呈细小颗粒状. 当速度提高至250 km/h时，如图8(b)所示，粒状磨屑的数量明显减少，此时磨屑主要表现为厚片状，且个别磨屑上还存在比较明显的局部氧化痕迹，如区域A(其能谱分析结果见表6)，说明此时摩擦表面已有一定量的氧化物形成，这与前面对该条件下摩擦表面的分析结果相符. 而对于含普通石墨材料，如图8(c)和(d)所示，当速度相同时，其摩擦表面所形成磨屑的形态与含铜包覆石墨材料相比存在明显差别，两种速度下该材料摩擦表面所形成的磨屑均呈薄片状，但高速下磨屑尺寸明显增加，且此时在部分磨屑上还可发现有明显的黑色石墨痕迹，如区域B，其能谱分析结果显示此区域中碳含量明显增加，说明高速下材料已有较多石墨参与形成摩擦膜，即石墨膜，但因其与基体结合不牢，故易被外力剥离表面而成为磨屑.

表6 图8中区域A和B的能谱分析结果Table 6 EDS analysis results of area A and B in Fig. 8

对两种材料在各制动速度下所产生磨屑的分析结果也表明，当制动速度较低时，两种材料表面均未形成明显的摩擦膜，而当制动速度较高时，两种材料摩擦表面分别会形成以氧化膜或石墨膜为主的摩擦膜.

2.3.3 摩擦表面物相

既然两种材料摩擦表面及磨屑的特征存在较大不同，故二者摩擦表面物相组成也必然存在差别. 图9为两种材料分别在100和250 km/h制动速度时试验后摩擦表面的XRD分析结果. 如图9所示，当制动速度不同时，含铜包覆石墨材料表面物相组成及其衍射峰强度也存在很大变化. 与速度为100 km/h时相比，速度为250 km/h时含铜包覆石墨材料表面出现了氧化物Fe3O4的衍射峰，同时材料中主要物相Cu和α-(Cu, Sn)固溶体的衍射峰强有所降低，说明该条件下材料表面已经形成了氧化膜，并对材料表面起到了一定保护作用.而在两种制动速度下，含普通石墨材料表面均未发现氧化物的衍射峰，说明其表面未形成明显的氧化膜，但两种速度下其表面石墨衍射峰的强度却明显较高，表明该材料表面存在数量较多的石墨，甚至已形成石墨膜. 此外，当速度同为250 km/h时，含铜包覆石墨材料表面Cu和α-(Cu, Sn)固溶体衍射峰强度明显低于含普通石墨材料，而且此时含普通石墨材料表面Cu和α-(Cu, Sn)固溶体衍射峰强度与速度为100 km/h时相比虽有所降低，但降低幅度不大，这一点与含铜包覆石墨材料也存在不同，这些差异表明氧化膜对于材料表面的保护效果要强于石墨膜.

Fig. 7 Morphology and major elements distribution of friction surface and subsurface of two materials图7 两种材料摩擦表面与近表层形貌及主要元素分布

Fig. 8 Morphology of wear debris produced by two materials under different braking speeds图8 不同制动速度下两种材料所产生磨屑的形貌

Fig. 9 XRD pattern of friction surfaces for two materials under different braking speeds图9 不同制动速度下两种材料摩擦表面XRD分析结果

2.4 讨 论

以上对各制动摩擦条件下试验后两种材料摩擦表面及磨屑的特征、摩擦表面及近表层元素分布和表面物相组成等方面的对比、分析结果表明，两种材料表面的磨损机制存在很大差异，特别是当制动速度较高时，两种材料表面所形成的摩擦膜类型存在很大不同，即分别采用铜包覆石墨和普通石墨作润滑组元时，材料表面会分别形成以氧化膜或石墨膜为主的摩擦膜.

对于摩擦材料而言，高制动速度条件下较高的摩擦温度可促进表面发生氧化反应，并生成氧化物，如Fe2O3、Fe3O4和FeO等. 相关研究[24-25]表明，当温度在200 ℃以下，一般生成Fe2O3，温度处于200～570 ℃之间，生成Fe3O4，温度高于570 ℃，则生成FeO. 然而，在本试验条件下，仅含铜包覆石墨材料表面生成了明显的氧化物，从而使得两种材料在一定条件下的摩擦磨损行为也存在很大差别. 根据对两种材料力学及物理性能和显微组织的分析，可知当采用普通石墨作润滑组元时，由于石墨与铜基体间界面结合较差，故造成材料导热性能和力学性能均较低，从而会导致材料表面及近表层产生较高的温度，并会发生较强的塑性变形，又由于该情况下石墨颗粒在基体中具有较大的自由度，因而此时石墨颗粒易于在基体变形过程中被挤至摩擦表面，故此时材料表面的石墨含量明显较高.摩擦表面若存在较多数量的石墨，则会引起下列化学反应，如：

根据化学反应的吉布斯函数判据公式[26]：

式中：ΔG为化学反应的吉布斯自由能变化，J；ΔH为反应焓，J/mol； ΔS为反应熵变，J/(mol·K)；T为温度，K.若 ΔG＜0 ，反应可以自发进行； ΔG＞0，反应不能进行；ΔG=0，则为平衡状态.

经查阅各物质 ΔH和 ΔS[26]，并代入公式(6)，可得反应(1)、(2)、(3)、(4)和(5)的ΔG分别为

根据吉布斯判据，从计算结果可以看出，在摩擦温度条件下，反应(1)、(2)和(3)的 ΔG均小于零，故反应可以自发进行. 而反应(4)和(5)只有当温度分别高于一定程度(564和669 ℃)时才可发生. 因此在一定的摩擦温度条件下，石墨氧化后所生成的CO气体对于氧化物的形成具有更强的抑制作用. 因此当采用普通石墨时，由于摩擦表面的石墨数量明显较多，故化学反应(1)、(2)和(3)也较为强烈，从而会使摩擦表面所形成的氧化物含量受到很大限制，含普通石墨材料摩擦表面的能谱及XRD分析结果也显示，其表面没有形成明显的氧化物. 因此，当采用普通石墨作润滑组元时，材料摩擦表面不易形成氧化膜.

3 结 论

a. 石墨表面经铜包覆处理后，可改善烧结时铜基粉末冶金材料中石墨与基体间的界面结合，并能显著提高材料的硬度、致密度和导热系数.

b. 随着制动速度的提高，两种材料的平均摩擦系数和磨损率均逐渐降低；在相同的制动条件下，采用铜包覆石墨作润滑剂时，材料的平均摩擦系数和磨损率均较低，同时材料摩擦表面具有较好的几何质量.

c. 提高制动摩擦速度能促进材料表面形成摩擦膜，但分别采用铜包覆石墨和普通石墨作润滑组元时，材料表面摩擦膜的形成机制不同. 采用铜包覆石墨时，材料表面主要形成氧化膜，而采用普通石墨时，由于表面存在较多石墨会对氧化反应起到较强抑制作用，而使得此时表面主要形成石墨膜，且其对材料表面的保护效果不及氧化膜.