通过粉末冶金法用B4C、B、Cr、Co、Al2O3和石墨增强的铜基复合材料的微观结构、力学性能及摩擦学性能对比研究

《Lubricants》：Comparative Microstructural, Mechanical, and Tribological Evaluation of Cu Matrix Composites Reinforced with B4C, B, Cr, Co, Al2O3, and Graphite via Powder Metallurgy

　　

摘要

由于具有优异的导热性和导电性，铜及其合金被广泛用于电气、汽车、航空航天和能源领域。然而，纯铜的硬度较低且耐磨性较差，这限制了其在高摩擦条件下的应用。在本研究中，通过粉末冶金法制备了添加了1重量百分比的碳化硼（B₄C）、硼（B）、铬（Cr）、钴（Co）、氧化铝（Al₂O₃）和石墨（Gr）的铜基复合材料，并在相同的加工和测试条件下对它们进行了比较研究。利用XRD、SEM和EDS分析了这些材料的相组成和微观结构特征，同时通过维氏硬度测试和干滑动磨损试验评估了它们的力学性能和摩擦学性能。与未添加增强剂的铜相比，所有增强剂都提高了铜基材料的硬度，其硬度提升顺序为：Cu–B₄C（68.91%）> Cu–B（66.43%）> Cu–Gr（63.97%）> Cu–Al₂O₃（61.79%）> Cu–Cr（42.69%）> Cu–Co（36.04%）。在10牛顿的法向载荷、0.05米/秒的滑动速度以及1000米的滑动距离下，这些复合材料与316L不锈钢球进行干滑动磨损试验，结果表明，与纯铜相比，所有增强型复合材料的质量损失更小，滑动稳定性更好。在所有样品中，Cu–B₄C的耐磨性能最佳，其耐磨性相比纯铜提升了154.8%。对磨损表面的SEM分析表明，添加增强剂可以减少严重的塑性变形、沟槽形成和分层现象，从而使得材料的磨损状态更加稳定。含有石墨和硼的复合材料得益于界面润滑和接触稳定作用，而碳化硼和氧化铝则通过刚性颗粒强化和提升承载能力来提高耐磨性。通过在相同低添加量以及相同的加工和测试条件下比较陶瓷、类金属、金属、氧化物和固体润滑剂作为增强剂的效果，本研究为需要提高硬度和干滑动耐久性的铜基复合材料提供了增强剂选择依据。