多晶及单晶铜的磨损及腐蚀性能研究

多晶及单晶铜的磨损及腐蚀性能研究

商剑;刘思萌;郑盼

【摘要】对比研究多晶及单晶铜耐磨与耐腐蚀性能.在干摩擦条件不同载荷和速度下考察多晶及单晶铜的摩擦学性能;探讨多晶及单晶铜在3.5％NaCl溶液中的自然腐蚀及电化学腐蚀性能的差异.结果表明:在干摩擦及转速为100～400 r/min条件下,多晶铜的摩擦因数高于单晶铜,磨损量低于单晶铜;在干摩擦及载荷为20～35 N 条件下,多晶铜摩擦因数高于单晶铜,磨损量无明显差异;单晶铜在NaCl溶液中比多晶铜具有较强的耐蚀性;多晶铜与45#钢磨损机制以黏着磨损为主,而单晶铜与45#钢的磨损机制以剥层磨损为主.接触表面塑性变形能力以及晶粒取向、晶界分布的差异是影响单晶铜和多晶铜磨损和腐蚀性能的主要原因;含有平直柱状晶晶界的单晶材料具有高取向性,有利于其大塑性变形;择优取向使单晶铜在晶胞尺度上的微观平面排列致密,同时晶界的减少抑制了腐蚀的扩展,从而提高了其耐蚀性.

【期刊名称】《润滑与密封》

【年(卷),期】2018(043)008

【总页数】5页(P104-108)

【关键词】单晶铜;多晶铜;摩擦磨损性能;腐蚀性能

【作者】商剑;刘思萌;郑盼

【作者单位】辽宁工业大学材料科学与工程学院辽宁锦州121001;中科院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室甘肃兰州730000;辽宁工业大学材料科学与工程学院辽宁锦州121001;辽宁工业大学材料科学与工程学院辽宁锦州121001

【正文语种】中文

【中图分类】TH117.1

铜具有塑性变形能力好、化学性能稳定、抗腐蚀性好等优点，被广泛地应用于轻工、电子产品、建筑工业、机械制造、国防工业等领域[1]。铜产品在使用过程中，磨

损和腐蚀是其失效的主要原因，因此，为提高其使用寿命，对铜摩擦磨损机制和腐蚀性能的研究必不可少。真空条件下，无氧高导铜(OFHC)的摩擦因数与滑动速度

有很大的相关性[2]。低速度范围内，OFHC的摩擦因数随着滑动速度的增加而增大，铜表面经过1 000 s即可形成纳米摩擦层；滑动时间达到10 000 s后，摩擦

层的厚度增加[3]。高速条件下，动态再结晶可以打断纳米摩擦层的形成，具有纳

米晶粒的铜呈现出较低的磨损率[4]。磨损初期，粗晶铜磨损亚表面的晶粒由于塑

性变形而细化，当塑性变形累积到一定程度，动态再结晶发生，晶粒开始长大。而对于表面纳米晶铜来说，其摩擦磨损性能明显高于粗晶铜[5]。目前对于铜摩擦磨

损性能研究主要是考察环境条件(载荷、速度、电流等)对其摩擦磨损性能的影响，以及对磨损诱发的磨损表面及亚表面的精细表征，但是对于材料晶粒取向及晶界对铜摩擦及腐蚀性能影响的研究则涉及甚少。而不同组织状态下高耐磨铜合金在不同溶液中的腐蚀行为表明：在中性和酸性NaCl溶液中，粗大柱状晶的耐腐蚀性能最好，粗等轴晶次之，细等轴晶相对较差[7]；而纳米晶铜在不同的溶液中表现出了

不同的耐蚀性[8-11]。这说明晶粒取向及晶界对铜的腐蚀性能产生了影响。

本文作者探索多晶及单晶铜的磨损性能和耐蚀性能的差别，探究其在不同载荷和转速条件下的摩擦因数、磨损量，考察多晶及单晶铜自然腐蚀及电化学腐蚀性能，为其在耐磨耐腐蚀环境的应用提供参考。

1 实验部分

实验用单晶铜与多晶铜销首先用线切割将其加工成为φ5 mm×12 mm的圆柱型

试样，端面磨成圆弧状，砂纸进行打磨至光亮，超声清洗备用。采用45#钢环作

为摩擦副，砂纸打磨后超声清洗，吹干备用。

摩擦实验在微机控制万能摩擦磨损试验机上进行，采用销盘接触形式；利用万分之一天平称量实验前后试样的质量，计算磨损量；采用扫描电子显微镜观察磨损表面形貌。实验条件：转速100～400 r/min，载荷15～35 N。

腐蚀实验在3.5%的NaCl溶液中进行，试样在溶液中分别浸泡1、3、5、7天后，考察其腐蚀性能；在3.5%的NaCl溶液中采用电化学工作站测定其极化曲线。

2 结果与分析

2.1 摩擦因数

图1示出了多晶铜和单晶铜在载荷为20 N时平均摩擦因数随转速的变化。在100～300 r/min转速范围时，单晶和多晶铜平均摩擦因数随着转速的增加逐渐增加；在转速超过300 r/min后单晶铜的平均摩擦因数减小，而多晶铜的平均摩擦

因数则继续增大。在转速为300 r/min及不同载荷下单晶铜及多晶铜平均摩擦因

数变化如图2所示。可以看出：随着载荷的增加，单晶及多晶铜的平均摩擦因数

呈先增加大后减小，而后逐渐趋于稳定的变化趋势。当载荷为15 N时，单晶铜的平均摩擦因数高于多晶铜；当载荷加至20 N时，两者的摩擦因数增大，多晶铜平均摩擦因数高于单晶铜；随着载荷继续增大，摩擦因数减小并逐渐趋于稳定。在载荷为20～35 N、转速为100～400 r/min条件下，多晶铜平均摩擦因数高于单晶铜平均摩擦因数。

图1 平均摩擦因数随转速的变化(20 N)Fig 1 Variation of friction coefficient with rotational speeds at load of 20 N

图2 平均摩擦因数随载荷的变化(300 r/min)Fig 2 Variation of friction coefficient with loads at rotational speed of 300 r/min

2.2 磨损量

图3示出了载荷为20 N时多晶铜和单晶铜磨损量随转速的变化。可以看出：转速对多晶及单晶铜的磨损行为影响复杂，随着转速的增加，多晶及单晶铜的磨损量先减少后增加，最后降低。图4示出了转速为300 r/min时不同载荷下单晶铜及多

晶铜磨损量变化。随着载荷的增加，单晶铜的磨损量呈先增加后减少再增加的趋势；而多晶铜的磨损量呈先减小后增加再减小的趋势。当载荷为25 N时，单晶及多晶铜的磨损量几乎相同；而在其他相同载荷条件下，单晶及多晶铜的磨损量没有明显差别。不同转速条件下多晶铜的耐磨性能优于单晶铜。

图3 磨损量随转速的变化(20 N)Fig 3 Variation of wear loss with rotational speeds at load of 20 N

图4 磨损量随载荷的变化(300 r/min)Fig 4 Variation of wear loss with loads at rotational speed of 300 r/min

2.3 磨损表面形貌

图5为单晶及多晶铜在载荷为20 N及不同转速下的磨损表面形貌扫描电镜照片，图中箭头表示滑动方向。

图5 不同转速下单晶及多晶铜的磨损表面微观形貌(20 N)Fig 5 Worn surface morphologies of MC and PC at load of 20 N and under different sliding speeds (a)MC surface at 200 r/min;(b)PC surface at 200 r/min;(c) MC surface at 400 r/min;(d) PC surface at 400 r/min

可以看出：随着转速的增加，磨痕表面形貌发生了明显变化，单晶及多晶铜磨损程度随着转速的增加而变得严重。在200 r/min转速条件下多晶铜的磨损形貌与单

晶铜的相似，表面只有浅而宽的平行于摩擦方向的犁沟，此外还出现了明显的塑性变形和少量的磨屑。转速增加到400 r/min时，单晶铜的表面出现明显层状结构，塑性流动变形明显；而多晶铜磨损表面犁沟形貌及片层形貌更明显，伴随着塑性变