徐金鵬１,張修慶１,徐金富２,浦海州１,顧良男１,薛玲華１

(１．華東理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院,上海 ２００２３７;２．寧波工程學(xué)院材料學(xué)院,寧波 ３１５０１６)

摘 要:以純銅粉、鋯粉、AlN 粉為原料,采用放電等離子燒結(jié)方法制備了 AlN/ZrＧCu復(fù)合材料,研究了 AlN 含量(１％~２０％,質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)對該復(fù)合材料微觀形貌、力學(xué)性能和摩擦磨損性能的影響,分析了其磨損機(jī)理.結(jié)果表明:細(xì)小的 AlN 顆粒在銅合金基體中呈彌散分布;當(dāng) AlN含量為１％~１５％時,復(fù)合材料較致密,當(dāng) AlN 含量增加到２０％時,其組織疏松;隨著 AlN 含量的增加,復(fù)合材料的顯微硬度和抗壓強(qiáng)度都呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢,摩擦因數(shù)和磨損量均先小后增大,磨損機(jī)理由黏著磨損向磨粒磨損、剝落磨損依次轉(zhuǎn)變.

關(guān)鍵詞:銅基復(fù)合材料;AlN;放電等離子燒結(jié);摩擦磨損

中圖分類號:TB３３１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０３Ｇ００３９Ｇ０４

０ 引 言

銅不僅導(dǎo)熱導(dǎo)電性好,而且具有很好的塑性,是一種優(yōu)質(zhì)的金屬材料,但是在力學(xué)性能要求較高的應(yīng)用場合下,由于其硬度、強(qiáng)度,以及耐磨性能偏低,應(yīng)用受到限制.為了提高銅的綜合性能,可以對其進(jìn)行強(qiáng)化處理.目前銅的增強(qiáng)方法有很多,如固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、形變強(qiáng)化、時效析出強(qiáng)化以及第二相強(qiáng)化等.向銅基體中加入能與銅基體混合均勻的第二相,不僅能夠細(xì)化銅基體晶粒,而且細(xì)小的第二相還可以起到彌散強(qiáng)化的作用.由于第二相增強(qiáng)顆粒具有相對便宜、熱穩(wěn)定性高、耐磨性好等特點(diǎn),將其以合適的方式添加到銅基體中,得到的銅基復(fù)合材料具有較高的強(qiáng)度、硬度和良好的耐磨性能,被廣

泛應(yīng)用到機(jī)械設(shè)備中的摩擦部件中[１－３],因此第二相顆粒增強(qiáng)方法也成為銅(合金)增強(qiáng)的重要方法之

一[４－５].

顆粒增強(qiáng)相的種類有很多,其中,AlN 具有熔點(diǎn)高、硬度大、熱膨脹系數(shù)小的特點(diǎn),是一種理想的增強(qiáng)材料.劉德寶等將銅和 AlN 粉混合冷壓后燒結(jié)制備出 AlN 增強(qiáng)銅基復(fù)合材料,與純銅相比其耐磨性明顯增強(qiáng)[６].杜建華等通過粉末冶金的方法制

備出納米 AlN 增強(qiáng)銅基復(fù)合材料,復(fù)合材料的耐磨性和耐熱性比基體有了顯著提高[７].Chmielewski等通過機(jī)械球磨制備出 AlN/Cu復(fù)合粉,然后通過合理控制燒結(jié)工藝制備出 AlN/Cu復(fù)合材料,該復(fù)合材 料 具 有 良 好 的 熱 學(xué) 性 能[８].Gu 等 制 備 了AlN/Cu和 Al２O３/Cu 復(fù) 合 材 料,探 討 了 AlN 和Al２O３ 納米顆粒對復(fù)合材料性能的影響,結(jié)果表明,與 Al２O３ 顆粒相比,AlN 納米顆粒的增強(qiáng)效果更加明顯;他們還通過引入適量鋯元素來提高 AlN 和銅的潤濕 性,制 備 出 性 能 較 好 的 AlN/CuZr復(fù) 合 材料[９].將 AlN 和銅粉混合,冷壓成坯,然后再真空燒結(jié),制備得到的 AlN/Cu復(fù)合材料的硬度和耐磨性都得到了顯著提高,但其組織疏松、密度較小,綜合性能一般;而利用真空熱壓燒結(jié)方法制備的 AlN增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的組織較為致密、摩擦性能優(yōu)良,但是制備周期較長.由于常規(guī)制備方法或多或少存在著燒結(jié)壓力不穩(wěn)定、燒結(jié)周期長等問題,且制備的銅基復(fù)合材料的性能也一般,因此,AlN 增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的應(yīng)用受到制約.

為了給 AlN 增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備提供參考,作者以銅粉、鋯粉、AlN 粉為原料,采用放電等離子燒結(jié)方法制備了 AlN/ZrＧCu復(fù)合材料,研究了AlN 含量對該復(fù)合材料顯微組織和性能的影響.

１ 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料主要有粒徑不大于７４μm、純度分別為９９．７％,９９．５％的銅粉和鋯粉,粒徑１μm、純度為９９．９％的 AlN 粉,以及聚乙烯醇防黏劑.按鋯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 １％,AlN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 １％,５％,１０％,１５％,２０％進(jìn)行配料,再外加少量聚乙烯醇后,倒入球磨罐在 QMＧ２SP２型行星式球磨機(jī)中球磨３０h,轉(zhuǎn)速３２０r??min－１,球料質(zhì)量比為２０∶１.球磨完成后,在 SPSＧ１０３０型放電等離子燒結(jié)爐中進(jìn)行放電等離子燒結(jié),溫度為８００℃,壓力為５０MPa,保溫時間為１０min,得到 AlN/ZrＧCu復(fù)合材料.

在 AlN/ZrＧCu 復(fù) 合 材 料 上 制 備 出 尺 寸 為?１０mm×１２．５mm 的試樣,經(jīng)拋光處理,清水和酒精清洗吹干后,用稀酸和三氯化鐵(１００mL H２O＋２０mLHCl＋５gFeCl３)的混合溶液對拋光表面腐蝕１０s,用清水和酒精清洗干凈并吹干后,采用 ZEISSEVO MA１５型掃描電鏡(SEM)觀察其微觀形貌.

根據(jù) GB/T４３４０．１－２００９,采用 HXDＧ１０００TM 型顯微硬度計測試拋光處理后試樣的表面硬度,采用金剛石棱錐壓頭,壓頭夾角為１３６°,載荷為０．９８０７N,保壓１５s,測５個位置取平均值.

根據(jù) GB/T７３１４－２００５,在 SANSＧCMT５２０５型萬能力學(xué) 試 驗(yàn) 機(jī) 上 進(jìn) 行 壓 縮 試 驗(yàn),試 樣 尺 寸 為?１０mm×１２．５mm,下壓速度為２ mm??min－１,得到抗壓強(qiáng)度.采用 MRHＧ３G 高速環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī) 進(jìn) 行 摩 擦 磨 損 試 驗(yàn),試 樣 尺 寸 為 ９ mm×１２．３２mm×４mm,試驗(yàn)力為２０N,時間１８００s,轉(zhuǎn)速為１２００r??min－１,測 得 摩 擦 因 數(shù);用 精 度 為０．０１mg的電子天平,稱量試樣摩擦磨損前后的質(zhì)量,兩者之差即為磨損量;利用 ZEISSEVO MA１５型掃描電 鏡 (SEM)觀 察 試 樣 摩 擦 磨 損 后 的 表 面形貌.

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論

２．１ 微觀形貌

從圖１可以看出,AlN 顆粒呈橢球狀均勻分布在銅合金基體中;當(dāng) AlN 含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)為１％~１５％時,AlN/ZrＧCu復(fù)合材料中的孔隙少,組織均勻致密,當(dāng) AlN 含量增加至２０％時,復(fù)合材料中存在大量的孔隙.這是因?yàn)闊Y(jié)過程屬于固相燒結(jié),當(dāng) AlN 含量超過一定的范圍時,大量彌散分布的 AlN 顆粒會阻礙銅原子的擴(kuò)散,導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)部的孔隙不能夠被銅充分填充,所以復(fù)合材料存在大量孔隙,結(jié)構(gòu)疏松.

２．２ 顯微硬度和抗壓強(qiáng)度

從圖２ 中 可 以 看 出,隨 著 AlN 含 量 的 增 加,AlN/ZrＧCu復(fù)合材料的顯微硬度和抗壓強(qiáng)度都呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢.由于鋯含量很少,AlN/ZrＧCu復(fù)合材料主要靠AlN 顆粒來增強(qiáng).AlN 顆粒較細(xì)小,且均勻分布在基體中,通 過 阻 礙 位 錯 運(yùn) 動 使 復(fù) 合 材 料 強(qiáng) 化.當(dāng)AlN 含量由１％增至１５％時,其強(qiáng)化作用不斷增強(qiáng),因此復(fù) 合 材 料 的 顯 微 硬 度 和 強(qiáng) 度 不 斷 增 大. 當(dāng)AlN 含量超過１５％時,AlN 顆粒在銅合金基體上過量分布,不僅阻礙銅原子對孔隙的填充,而且會影響

相鄰粒子在燒結(jié)過程中的結(jié)合[１０];同時,較高含量的 AlN 會發(fā)生團(tuán)聚,也會導(dǎo)致其強(qiáng)化作用的減弱.因此當(dāng) AlN 含量為２０％時,復(fù)合材料的硬度和抗壓強(qiáng)度又有所下降.

２．３ 摩擦磨損性能

從圖３中可以看出,AlN/ZrＧCu復(fù)合材料的摩擦 因數(shù)和磨損量均隨AlN含量的增加先減小后增大.當(dāng) AlN 含 量 為 ５％ 時,摩 擦 因 數(shù) 最 小,約 為０．３８.在較低含量范圍內(nèi)(１％~５％),隨著 AlN 含量的提高,復(fù)合材料的強(qiáng)度得到提高,黏著性降低;同時,由于 AlN 含量相對較少,AlN 不容易從軟基體中被拔出,即使從基體上脫落后,也可以分布于摩擦副之間,分擔(dān)部分載荷,起到微軸承作用[１１].因此,在 AlN 含量較低時的摩擦因數(shù)較小.較高 AlN含量會影響復(fù)合材料中銅和 AlN 顆粒的結(jié)合強(qiáng)度,在摩擦磨損過程中導(dǎo)致大量 AlN 從基體上脫落,產(chǎn)生新的界面,因 此 摩 擦 因 數(shù) 不 斷 增 大[１２].當(dāng) AlN含量為１５％時,AlN/ZrＧCu復(fù)合材料的摩擦因數(shù)較大,約為０．６３,此時的磨損量最小,約為１．４２mg,其摩擦磨損綜合性能較好.由圖４可以看出,當(dāng) AlN 含量為１％時,在摩擦磨損過程中,復(fù)合材料容易與對磨環(huán)表面發(fā)生黏著,因此 AlN/ZrＧCu復(fù)合材料表面出現(xiàn)不規(guī)則的大尺寸剝落坑,剝落材料呈現(xiàn)片狀.此時的磨損機(jī)理為黏著磨損[１３－１４],復(fù)合材料磨損很嚴(yán)重.當(dāng) AlN 含量為５％時,復(fù)合材料磨損面上不規(guī)則的剝落坑減少,剝落的片狀材料減少,磨損面出現(xiàn)比較規(guī)則的犁溝.這是因?yàn)殡S AlN 的增多,復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度增大,同時,AlN 顆粒在摩擦磨損過程中減少了對磨環(huán)與基體的直接接觸,并且脫落的 AlN 顆粒導(dǎo)致的磨粒磨損抑制了該復(fù)合材料的黏著磨損.但是由于 AlN 含量相對較少,黏著磨損依然是復(fù)合材料的主要磨損機(jī)理.當(dāng) AlN 含量為１０％時,復(fù)合材料磨損面上不規(guī)則的剝落坑和片狀剝落材料明顯減少,犁溝呈較為規(guī)則的分布,磨損表面較為平整,黏著磨損 已經(jīng)得到很好的抑制,此時磨損機(jī)理以磨粒磨損為主.當(dāng) AlN 含量為１５％時,磨損面上不規(guī)則的剝落坑和片狀剝落材料進(jìn)一步減少,磨損面已經(jīng)沒有明顯的黏著磨損現(xiàn)象,而且磨粒磨損犁溝細(xì)微均勻,磨損表面平整,此時磨損機(jī)理為磨粒磨損.當(dāng) AlN含量為２０％時,磨損面開始不平整,剝落現(xiàn)象又開始明顯.由于２０％AlN 含量復(fù)合材料的組織疏松,脆性較大,在進(jìn)行摩擦磨損時出現(xiàn)明顯的剝落現(xiàn)象,此時磨損機(jī)理以剝落磨損為主[１５].

３ 結(jié) 論

(１)AlN/ZrＧCu復(fù)合材料中的 AlN 顆粒細(xì)小,呈彌散分布;當(dāng) AlN 含量在１％到１５％范圍內(nèi),該復(fù)合材料較致密,當(dāng) AlN 含量為２０％時,其孔隙增加,組織疏松.

(２)隨著 AlN 含量的增加,AlN/ZrＧCu復(fù)合材料的顯微硬度和抗壓強(qiáng)度均呈先增大后減小的變化趨勢,當(dāng) AlN 含量為１５％時,復(fù)合材料的強(qiáng)度最高、硬度最大.

(３)隨著 AlN 含量的增加,AlN/ZrＧCu復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損量均呈先減小后增大的變化趨勢,磨損機(jī)理由黏著磨損向磨粒磨損、剝落磨損依次轉(zhuǎn)變;當(dāng) AlN 含量為１５％時,復(fù)合材料的摩擦磨損性能最佳,摩擦因數(shù) 提 高 到 ０．６３,磨 損 量 最 小,為１．４２mg,此時的磨損機(jī)理主要以磨粒磨損為主,磨損表面平整.物和金屬結(jié)合得很緊密,沒有明顯的分層現(xiàn)象;腐蝕 產(chǎn)物中的主要元素為氧、鐵、鉻和鋁,并出現(xiàn)了明顯 的鉻、鋁富集,這就說明在腐蝕產(chǎn)物中的鉻和鋁富集 形成了致密的腐蝕產(chǎn)物,它提高了試驗(yàn)鋼的耐腐蝕 性能.此外,腐 蝕 產(chǎn) 物 中 有 可 能 形 成 了 非 晶 態(tài) 的 Cr(OH)３ [９,１９]、Al(OH)３ 或 Al２O３ [２０],提高了試驗(yàn)鋼 的極化電阻,致密的腐蝕產(chǎn)物阻礙了 Cl－ 等活性離子 滲入到金屬基體,從而提高了材料的耐腐蝕性能. ３ 結(jié) 論 (１)在J５５鋼中加入鉻、鋁元素后,鋼的硬度略 有提高. (２)對J５５鋼進(jìn)行鉻、鋁合金化后,其在３．５％ NaCl溶液中的開路電位(Eocp)或自腐蝕電位(Ecorr) 明顯向正方向移動,鋼的腐蝕活性降低,即電化學(xué)腐 蝕的熱力學(xué)穩(wěn)定性明顯增大. (３)對J５５鋼進(jìn)行鉻、鋁合金化后,其在３．５％ NaCl溶液中的自腐蝕電流密度降低,極化電阻增 大,相應(yīng)的腐蝕速率減小,鋼的耐腐蝕性能提高. (４)在３．５％NaCl溶液中浸泡后,鉻、鋁合金化 的J５５鋼表面的腐蝕產(chǎn)物具有一定的保護(hù)性.