0 引 言
钨具有高熔点、高强度和低膨胀系数，铜具有良好的导热导电性。由钨和铜组成的W-Cu复合材料兼有W和Cu的优点，如耐高温、耐电弧烧蚀、强度高、导电导热性好等。因此，它可广泛应用于机械和电子、军事和航空航天等领域[1,2,3,4]。
目前，钨铜复合材料通常采用溶渗法和混粉液相烧结法制备，但是，由于钨在液相铜中低的溶解度和钨铜界面高的润湿角，材料难以烧结致密[5]。而水热合成法可制备出均匀超细尺寸的复合粉末来促进液相烧结中的颗粒重排进而提高其致密度。赵晶晶等人[6]采用水热合成法制备的钨铜氧化物复合粉体颗粒为2~10 μm，且工艺简单、易操作等优点。
关于对钨铜复合材料磨损性能的研究国外开展的较早较多。 C.Wenge.K等人[7,8]研究了W-Cu电接触材料的电弧侵蚀性能。Y.C.Lin[9]等人研究了高耐磨的W-Cu电镀到灰铸铁上的可行性，应用于机床导轨材料来提高其耐磨性。如今随着电磁技术应用范围的扩大，越来越多的材料在电磁工况条件下服役，如电力机车、电磁炮等[10]。所以探究钨铜复合材料的磁场干摩擦学性能的影响因素及其规律性就成为亟待解决的课题。因此，采用水热合成-热压烧结法制备W-20Cu复合材料，并与7075铝合金组成摩擦副进行磁场干涉下的摩擦磨损试验，研究其摩擦磨损特性。
1 材料与方法 1.1 W 20Cu复合材料的制备
以钨酸铵和硝酸铜为原料，将其按W-20Cu质量分数配制，钨酸铵溶液以一定的速度缓慢地滴到硝酸铜溶液中，用转子搅拌，使溶液充分混合；将混合溶液装入反应釜并使之放进电热恒温鼓风干燥箱中进行干燥，设置温度为180 ℃，时间28 h；最后得到钨铜氧化物复合粉末前驱体。在氢气保护气氛下对制得粉末进行热压烧结，其具体工艺过程如下：以5 ℃/min的速度升温到350 ℃，保温0.5 h；再以10 ℃/min的速度加热到850 ℃，保温0.5 h；然后以5 ℃/min的速度升温到1 050 ℃，保温1.5 h后随炉冷却至室温。
1.2 性能测试
采用JSM-5610LV型扫描电镜(SEM)观察钨铜还原后粉末形貌特征和烧结后W-20Cu组织结构特征。采用D60K数字金属电导率测量仪和HB-3000B型布氏硬度机对试样进行测试。
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| 图 1 销试样，环试样和销环接触方式示意图 Fig. 1 Schematic diagram of pin,ring and contact mode of pin-ring |
采用改进的MPV-1500型摩擦试验机对试样的磁场干摩擦磨损性能进行测试。采用通电绕组产生磁场，通过调整电压值获得不同的磁场强度。试验方式为销-环接触，销试样采用制备出的W-20Cu复合材料；根据电磁炮工况条件环试样选用7075Al合金，硬度为150 HB。销、环试样尺寸和销-环接触方式示意图如图 1所示。 试验时，摩擦副在滑动速度1.0 m/s、载荷160 N、 磁场强度0~30 kA/m的范围内进行，磨损时间为12 min。每次试验前，分别对试样销和环进行超声波清洗(采用无水乙醇)和退磁处理。用精确度为0.1 mg的BS210S电子分析天平测量试样试验前后的磨损质量，算得磨损量，并通过公式(1)计算其磨损率ΔW′。为尽量减小误差，每组试验参数作两次平行试验，并计算其平均值。磨损率ΔW′和摩擦因数计算公式如下：
2 结果与分析 2.1 显微组织
图 2(a)为氢气还原后钨铜复合粉的组织形貌。由图可知，复合粉的粒子呈多边形，颗粒细小，有团聚现象。热压烧结W-20Cu复合材料试样的微观组织见图 2(b)，合金组织中由钨和铜两相组成，白色为钨，黑色为铜，钨颗粒尺寸细小并均匀分布，致密化效果较好。测试表明，水热合成-热压烧结制得的W-20Cu硬度为215 HB，电导率为45%IACS。
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| 图 2 还原后钨铜粉体及热压烧结后的试样组织形貌 Fig. 2 Microstructure of W-Cu powders after reduction and the specimen after hot-pressed and sintered |
图 3为无磁场时，W-20Cu销摩擦面的形貌和EDS谱图。由图 4可知，销摩擦面上黑色区域的物质主要为Al元素，原子分数达96.44%，表明销摩擦面上黏附了较多的含Al元素物质；还可看出，高含Al黏附层很厚，呈现明显的台阶。
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| 图 3 无磁场时W-20Cu销摩擦面的表面形貌和EDS分析Fig. 3 Surface morphology and EDS analysis of frictional surface on W-20Cu pin at non-magnetic field conditions |
图 4为磁场强度为20 kA/m时，W-20Cu销摩擦面的形貌和EDS分析。分析可知，销摩擦面上黑色区域的物质主要为Al元素，由黑色区域包围的白色物质主要含W元素，还含有部分Al、Cu元素。与图 3(a)相比，图 4(a)上的黑色区域明显减少、变薄，出现了含W、Cu、Al元素的白色区域，即与无磁场条件下相比，加磁场时Al元素逐渐脱离了W-20Cu销的摩擦面。
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| 图 4 磁场强度为20 kA/m时W-20Cu销摩擦面形貌和能谱分析 Fig. 4 Surface morphology and EDS analysis of frictional surface on W-20Cu pin at the magnetic field of 20 kA/m |
磨屑是摩擦过程中摩擦副相互作用的必然产物，磨屑脱离摩擦面时带走大量热量，从冷却后的磨屑形态、大小、成分和组织结构可以大致推断摩擦过程的摩擦磨损机理[11,12]。
图 5不同磁场强度下磨屑的微观形貌及成分。由图 5(a)可知，不加磁场时，磨屑呈螺纹状，主要成分为Al，这可能是由于摩擦副相互接触的微凸体不断地形成粘着接点的延性好，被撕开并缩成螺纹形。随着磁场强度的增大，磨屑逐渐变为稍小的片状、细小的粒状(图 5(b)(c))，表明磁场能细化磨屑；除了富含Al，还含有少量的氧等其他元素，说明发生了粘着磨损及轻微的氧化磨损。
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| 图 5 不同磁场强度下磨屑的SEM形貌和EDS分析Fig. 5 SEM morphologies and EDS analysis of the wear debris under different magnetic field |
图 6为磁场对W-20Cu/铝合金摩擦副磨损率的影响。由图 6可知，与W-20Cu销相比，铝合金环的磨损率相对较大，且随着磁场强度的施加和增大，铝合金环的磨损率呈增大趋势，即加剧了铝合金环的磨损，而W-20Cu复合材料销的磨损率基本不变，细节上看，销的磨损率有略微减小趋势并为负值。分析认为，由于W-20Cu和7075Al均为顺磁性材料，磨损过程中产生较小的磁吸力可吸附少量的磨屑起到保护摩擦面的作用；又由于具有硬度大(215 HB)，高耐磨性，而铝合金硬度较小； 另外铝合金环试样尺寸较大，其摩擦面作圆周运动，而销试样固定不动，且摩擦接触面尺寸较小，这样摩擦过程中W-20Cu销试样可类似于车刀的作用对铝合金环进行车削磨损，同时由于重力和分子力的作用，产生的磨屑滞留于销摩擦面上，致使铝合金磨屑粘附后W-20Cu销总体质量稍有增大，磨损率出现负值，即增重现象。而铝合金环基体失去磨屑保护直接参与磨损，所以铝合金环的磨损率逐渐升高，摩擦面干净，并有犁沟出现。
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| 图 6 磁场对摩擦副磨损率的影响 Fig. 6 Influence of magnetic field on wear rate of the friction pairs |
图 7为磁场对W-20Cu/铝合金摩擦副摩擦因数的影响趋势。由图 7可知，与无磁场相比，加磁场时摩擦副的摩擦因数总体呈减小趋势，当磁场强度小于20 kA/m时，摩擦副的摩擦因数随着磁场强度的增大而减小，当磁场强度大于20 kA/m时，摩擦副 的摩擦因数随着磁场强度的增大而增大，但仍小于无磁场时摩擦副的摩擦因数。即当磁场强度为20 kA/m时，摩擦副的摩擦因数最小，表明磁场的施加和增大有利于提高W-20Cu/铝合金摩擦副的减磨降磨性能。 分析可知，不加磁场时，W-20Cu销黏附较厚的高含Al层，磨屑呈螺旋状，摩擦副的摩擦因数较大，磨损机制主要为粘着磨损；随着磁场的施加和增大，黏附层变薄，铝元素逐渐脱离了W-20Cu销的摩擦面，改善了摩擦表面的接触状态，导致摩擦副的摩擦因数减小，磨屑中含少量的氧元素，并逐渐呈细小的碎片状及粒状，表明磁场减弱了粘着磨损并出现氧化磨损。
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| 图 7 磁场对摩擦副摩擦因数的影响Fig. 7 Influence of magnetic field on friction coefficient of the friction pairs |
(1) 采用水热合成-热压烧结法制得的W-20Cu复合材料的硬度达215 HB，电导率为45%IACS。
(2) 在载荷160 N、线滑动速度1.0 m/s下，磁场的施加和增大，W-20Cu销的磨损略微减弱，铝合金环的磨损加剧，摩擦副的摩擦因数有减小趋势。
(3) 与无磁场相比，磁场减弱了粘着磨损，磨屑有螺旋状变为细小片状及粒状。
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