不同润滑介质下铜箔摩擦磨损性能研究

刘娜娜，孙建林，武 迪，夏 垒

（北京科技大学材料科学与工程学院，北京，100083）

润滑对压延铜箔成型过程具有重要的作用［1－3］，而精确的润滑技术是高质量铜箔轧制的关键因素之一［4－5］。Okazaki Tetsuya等［6］在研究含碘化合物轧制油对铜及其合金的摩擦学特性时发现，含碘化合物能降低摩擦系数，特别是含SnI2的轧制油可显著降低摩擦系数。马育体等［7］采用加氢减一线油为基础油，复配适量的醇、酯类油性剂及抗氧添加剂等，研制出的铜及其合金轧制油具有良好的润滑性、冷却性及退火清净性。

本文研究铜－钢摩擦副在无润滑、水润滑、基础油和CFO润滑等条件下的摩擦磨损行为，研究接触压力和铜箔厚度对铜箔摩擦磨损性能的影响。

1 实验

摩擦磨损实验在MM－W1A立式万能型摩擦磨损试验机上进行，采用盘－盘磨损形式，磨盘直径为φ50 mm，材料为GCr15轴承钢，转速为100 r／min，接触压力为0.1～0.4 MPa。将铜箔加工成φ60 mm的圆片试样，将试样粘贴在下磨盘，试验过程中用滴管将不同润滑介质滴加到铜箔边缘，通过试验机主轴旋转把润滑介质带入相互摩擦的表面。摩擦副及铜箔试样如图1所示。

摩擦系数根据下式计算获得：

图1 摩擦副及铜箔试样Fig.1 Schematic of friction pair and copper foil

式中：M为摩擦力矩，N·mm；R为摩擦半径，mm；N为施加在盘试样上的轴向力，N。

材料的耐磨性通过下式计算磨损率进行评价：式中：ΔW为磨损质量损失，mg；l为磨损行程，m；ρ为材料密度，g／mm3。

2 结果与分析

2.1 不同润滑介质对铜箔摩擦磨损性能的影响

接触压力为0.15 MPa、转速为100 r／min时，在4种润滑介质下，铜箔摩擦系数随磨损时间的变化曲线如图2所示。从图2中可以看出，在无润滑条件下，摩擦副的摩擦系数较高，平均摩擦系数为0.572；在水润滑条件下，其平均摩擦系数为0.457，表明水起到了一定的润滑作用；在基础油润滑条件下，摩擦系数明显减小，平均摩擦系数为0.274；使用自制的铜箔润滑油CFO时，平均摩擦系数为0.205。

在初始阶段（400 s以内），使用基础油时铜箔的摩擦系数明显高于使用润滑油CFO时相应值，但对大多数轧制、冲压等工艺而言，试件轧制过程所需时间一般很短，远小于400 s，如此看来，润滑油CFO对铜箔具有很好的润滑效果。

图2 摩擦系数随磨损时间的变化曲线Fig.2 Variation of the friction coefficient of copper foil with wearing time

不同润滑介质下磨痕表面的轮廓曲线如图3所示。从图3中可以看出，无润滑介质时，磨痕表面有明显的凸起峰，表面粗糙度较大，这与摩擦副在无润滑时发生剧烈塑性变形是一致的；水润滑时磨痕表面也存在凸起峰，表面划痕明显，但较无润滑时表面质量有所改善，由于水具有一定的润滑和冷却作用，可防止摩擦表面因产生大量热而粘结；而在基础油和CFO润滑油介质下，磨痕表面不存在明显的凸起峰，表面粗糙度较小，且CFO润滑表面较光洁，表明基础油和CFO润滑油具有显著的润滑作用和一定的冷却作用。

图3 不同润滑介质下磨痕表面的轮廓曲线Fig.3 Contour curves of worn surfaces

转速为100 r／min时，CFO润滑条件下，接触压力对铜箔摩擦磨损特性的影响如图4所示。从图4中可看出，铜箔的摩擦系数随接触压力的增大有显著减小的趋势；铜箔磨损率随接触压力的增大而增加，整条曲线大致分为两个阶段，即在接触压力为0.3 MPa附近磨损率存在明显的上升折点，表明材料的磨损机制随接触压力的增加发生了由轻微磨损到严重磨损的转变。

图4 接触压力对铜箔摩擦磨损特性的影响（CFO润滑，转速100 r／min）Fig.4 Effect of contacting pressure on tribological behaviors of copper foil at 100 r／min

2.2 铜箔尺寸效应对铜箔摩擦磨损性能的影响

选择30、60、100μm三种不同铜箔厚度的试样进行摩擦磨损试验。接触压力为0.15 MPa，转速为100 r／min时，在CFO润滑条件下，3种不同厚度的铜箔摩擦系数曲线如图5所示。从图5中可以看出：对于3种不同厚度的铜箔，其摩擦系数相差不大，平均摩擦系数分别为0.211、0.212、0.205，最大相对差值不足3%。考虑到实验过程中3种铜箔的表面粗糙度等与摩擦有关的因素存在微小差别以及实验过程中的误差，可以近似认为铜箔厚度的差异未对摩擦系数产生影响。因此，在研究微成型摩擦时，可以不考虑铜箔尺寸效应对摩擦系数的影响。

图5 不同厚度的铜箔摩擦系数曲线Fig.5 Friction coefficient curve of copper foil with different thickness

3 结论

（1）在无润滑、水润滑、基础油和CFO润滑条件下，摩擦接触压力为0.15 MPa、转速为100 r／min时，铜箔平均摩擦系数分别为0.572、0.457、0.274、0.205，其中，润滑油CFO对铜箔具有显著的润滑效果。

（2）铜箔摩擦系数随接触压力的增加而降低，磨损率随接触压力的增大而增大，磨损率在接触压力为0.3 MPa附近存在明显的上升折点。

（3）对于3种不同厚度的铜箔，其平均摩擦系数分别为0.211、0.212、0.205，最大相对差值不足3%，铜箔的尺寸效应未对摩擦系数产生影响。

［1］ Chang Yong Lee，Won Chul Moon，Seung－Boo Jung.Surface finishes of rolled copper foil for flexible printed circuit board［J］.Materials Science and Engineering：A，2008（483－484）：723－726.

［2］ Mingming Xu，Howard D Dewald.Impedance studies of copper foil and graphite－coated copper foil electrodes in lithium－ion battery electrolyte［J］.Electrochimica Acta，2005，50（27）：5 473－5 478.

［3］ 梁治国.高精压延电子铜箔产业现状与国产化对策浅析［J］.新材料产业，2011（7）：22－25.

［4］ 孙建林.轧制工艺润滑原理、技术与应用［M］.北京：冶金工业出版社，2010：9－10.

［5］ Jianlin Sun，Tianguo Xiao，Yonglin Kang.A study of lubrication in strip cold rolling process［J］.Journal of University of Science and Technology，2004，11（8）：236－272.

［6］Okazakl Tetsuya，Takaya Matsufuml，Otanl Chlkashl.Friction characteristics of the oil containing iodine compounds on copper and copper alloys［J］.Journal of Japan Research Institute for Advanced Copper－Base Materials and Technologies，2005，44：108－112.

［7］ 马育体，张青蔚.铜及铜合金轧制油的研制［J］.润滑油，2001，16（2）：36－38.