Microstructure and Tribological Properties of the Copper Matrix Composite Materials Containing Lubricating Phase Particles

Abstract

The paper presents results of the studies into influence of individual particles of lubricating phase on microstructure and tribological properties of copper based composite materials for slide bearings. The studied material was composed of copper alloys with lubricating phase particles, e.g. in a form of graphite and glassy carbon. The metallic matrix of composite materials consisted of Cu-Sn type alloys. Production of the examined materials included processes with complete or partial participation of liquid phase and was conducted in two ways. In production of composites both classical powder metallurgy technology was applied and a method of melting with simultaneous mechanical stirring in liquid state (stir casting). Particles of lubricating phases were heated up to the temperature of 200• C and introduced into a liquid metal and then stirring process at constant rate of 1500 rpm rotational speed was applied. To improve wettability of graphite and glassy carbon particles titanium was introduced into the metallic matrix.In production of the composites by powder metallurgy methods the process consisted of mixing of bronze powders and particles of non-metallic phases and then their consolidation. Both quantitative and qualitative structure analysis of the produced composites was performed. Also through evaluation of tribological properties (friction coefficient, wear) with CSM Instruments high temperature tribometer THT was conducted.Keywords: copper matrix composites, bearing materials, microstructure, tribological properties, friction coefficient W pracy zamieszczono wyniki badań dotyczące wpływu poszczególnych cząstek faz smarnych na mikrostrukturę oraz właściwości tribologiczne materiałów kompozytowych na osnowie miedzi przeznaczonych na łożyska ślizgowe. Przedmiot badań stanowiły stopy miedzi z udziałem cząstek faz smarnych m.in. w postaci: grafitu oraz węgla szklistego. Metaliczną osnowę materiałów kompozytowych stanowiły stopy z układu Cu-Sn. Proces wytwarzania badanych materiałów obejmował procesy przebiegające z całkowitym oraz częściowym udziałem fazy ciekłej i przebiegał dwutorowo. Do wytwarzania kompozytów zastosowano zarówno metodę klasycznej metalurgii proszków, jak i metodę topienia z jednoczesnym mieszaniem mechanicznym w stanie ciekłym (stir casting). Do ciekłego metalu wprowadzono podgrzane do temperatury 200• C cząstki faz smarnych, a następnie prowadzono proces mieszania stosując stałą prędkość obrotową na poziomie 1500 obr/min. W celu poprawy zwilżalności cząstek grafitu i węgla szklistego do osnowy metalicznej wprowadzono tytan.W przypadku otrzymywania kompozytów na drodze metalurgii proszków proces obejmował mieszanie proszków brązu oraz cząstek faz niemetalicznych, a następnie ich konsolidację. Wytworzone materiały kompozytowe poddano analizie struktury zarówno w ujęciu ilościowym, jak i jakościowym. Dokonano również szczegółowej oceny właściwości tribologicznych (współczynnik tarcia, zużycie) przy wykorzystaniu tribometru wysokotemperaturowego THT firmy CSM Instruments.

Study of Interaction between Liquid Magnesium Alloy and Glassy Carbon Particles

“…Another variant of GC carbon applications is metal matrix composites where GC is employed in the form of particles (GCp). In that case, aluminium alloy [3] and copper alloy matrixes can be used [4]. The author's own investigations with composites processed by powder metallurgy (PM) methods [5] showed that GCp can also be employed successfully with the magnesium-aluminium-zinc alloy AZ91 as the matrix but that technological solution generates a limitation of the final product size and shape.…”

Tribological Characteristics of the Magnesium Matrix-Glassy Carbon Particles Composite Manufactured by Different Casting Methods

“…The application of glassy carbon particles [1,2] as a component of a metal matrix composite can be a way of modifying the tribological properties of metal-based materials [3][4][5] and it is proposed for composites with matrixes made of aluminium and magnesium alloys. However, the properties of the new materials designed and obtained under precisely controlled conditions in the laboratory scale must be verified in the case when they are manufactured in the industrial scale.…”