Zn-Cr<sub>2</sub>AlC复合材料的制备与摩擦磨损性能<sup>*</sup>
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Zn-Cr2AlC复合材料的制备与摩擦磨损性能
李志, 赵文月, 缪奶华     
北京航空航天大学材料科学与工程学院, 北京 100083
摘要: 为改善金属Zn的摩擦磨损性能,采用热压法制备Cr2AlC陶瓷颗粒增强Zn基复合材料,并研究了Cr2AlC质量分数对复合材料的金相组织、维氏硬度、相对密度及摩擦磨损性能的影响。结果表明,复合材料的硬度随着Cr2AlC质量分数的适量增加而明显升高。当Cr2AlC的质量分数达到20%时,复合材料的硬度是纯Zn的1.52倍。摩擦磨损实验表明,Cr2AlC颗粒的引入,可显著改善复合材料的摩擦磨损性能,摩擦系数由纯Zn的0.75降到Zn-20%Cr2AlC的0.65,Zn-30%Cr2AlC的磨损率相比纯Zn下降了80.54%。分析磨损表面形貌,得出其磨损类型为磨粒磨损和剥层磨损。
关键词: Cr2AlC     Zn基复合材料     维氏硬度     组织形貌     摩擦磨损性能    
Preparation and tribological properties of Zn-Cr2AlC composites
LI Zhi, ZHAO Wenyue, MIAO Naihua     
School of Materials Science and Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China
Received: 2017-05-11; Accepted: 2017-07-21; Published online: 2017-09-14 09:47
Foundation item: National Natural Science Foundation of China (51571008)
Corresponding author. MIAO Naihua, E-mail: nhmiao@buaa.edu.cn
Abstract: In order to improve the friction and wear properties of Zn, Cr2AlC ceramic particle reinforced Zn matrix composites were prepared by hot pressing method. The effects of Cr2AlC content on the metallographic structure, Vickers-hardness, relative density and tribological properties of the Zn-based composites were investigated. The results show that the hardness of the composites is improved obviously with the proper increase of Cr2AlC content. When the mass fraction of Cr2AlC reaches 20%, the hardness of the composite is 1.52 times higher than that of pure Zn. The introduced Cr2AlC particles can significantly improve the tribological properties of the composites. The friction coefficient decreases from 0.75 in pure Zn to 0.65 in Zn-20%Cr2AlC, and the wear rate of Zn-30%Cr2AlC is reduced by 80.54% compared to pure Zn. Analysis on the worn surface morphology indicates that the wear mechanism is abrasive wear and delamination wear.
Key words: Cr2AlC     Zn matrix composites     Vickers-hardness     microstructure and morphology     tribological properties    

锌合金具有优良的机械性能、摩擦学性能、优异的铸造性及环境友好等优点[1-6],可以代替铸造铝合金、轴承青铜、铸铁、塑料甚至钢材等,用于制造在中等使用温度条件下操作的摩擦元件。而锌合金存在熔点较低、耐热性较差和抗蠕变强度低等问题[7-8],使其应用范围受限。因此研究人员采用不同的增强材料(颗粒、晶须或短纤维),以期获得更强的机械性能和摩擦学性能。传统的增强相陶瓷颗粒与基体之间的界面结合性较差、热膨胀系数差异较大,使得其性能仍然不太理想。最近,兼具金属与陶瓷优异特性的三元层状化合物MAX(Mn+1AXn的缩写,其中M代表过渡族金属元素,A代表第三和第四主族元素,X代表C和/或N,n=1,2,3)相[9-11]增强相的使用,可有效提高金属基复合材料的性能。Gupta等[12]用热压法制备了Ti3SiC2增强Zn基复合材料,结果表明,在基体中添加一定量的Ti3SiC2颗粒可提升材料的摩擦磨损性能,但对力学性能几乎没有增益效果;Li等[13]利用无压烧结结合热压烧结的方法制备了Ti3AlC2/ZA27复合材料,实验得到材料的拉伸强度和弯曲强度分别为335 MPa和570 MPa,力学性能明显改善,这得益于增强相颗粒与基体之间的良好界面结合以及晶粒的细化。Cr2AlC[14-15]与MAX相[9]体系其他常用作增强相的化合物都具有相近的弹性模量和硬度值,但Cr2AlC的热膨胀系数更大,与Zn更匹配,因此Cr2AlC可能更适合作为Zn基复合材料的增强相。

本实验首先采用无压烧结法合成了高纯的Cr2AlC粉末,然后采用热压烧结法合成了Zn-Cr2AlC复合材料,并表征了复合材料的基本物理性能,进一步研究了Cr2AlC颗粒的含量对Zn-Cr2AlC复合材料的摩擦磨损性能的影响。

1 实验

采用无压烧结法合成高纯Cr2AlC粉末,过筛后得到的粉末颗粒尺寸不超过38 μm。用X射线衍射仪(XRD)进行物相检测并进行定量分析,得到的Cr2AlC粉末纯度大于98%。购买得到的Zn粉颗粒尺寸小于38 μm,纯度大于99.9%。

在Zn粉中加入不同比例的Cr2AlC粉末,增强相质量分数在5%~30%之间变化(分别记为Zn-5%Cr2AlC、Zn-10%Cr2AlC、Zn-20%Cr2AlC、Zn-30%Cr2AlC),用球磨机充分混合12 h后得到混合均匀的Zn-Cr2AlC复合粉末。将粉末分别装进石墨模具中,在氩气气氛保护下,以10℃/min的升温速率升至400℃,施加50 MPa压力,保温3 h,卸载压力,停止加热,随炉冷却至室温。为了对比材料性能的变化,在相同实验条件下制备了纯Zn样品。

制备的纯Zn和复合材料块状样品,用阿基米德排水法测量其密度,用型号为D/MAX-2500的XRD分析材料的物相,用LEICA DM400光学显微镜观察材料的金相组织,用FM800显微维氏硬度计测量硬度。用UMT-2摩擦磨损试验机进行摩擦磨损实验。选用45#钢钢球为对磨体,摩擦方式为球-块式往复运动摩擦。在室温下进行干摩擦试验,滑块运动频率5 Hz,振幅4 mm,载荷1 N,滑动时间20 min。相同条件下的样品重复3次实验。磨损率计算式为

(1)

式中:WR为材料的磨损率;mi为样品的初始质量;mf为样品磨损后的质量;ρ为样品的实际密度;N为实验加载载荷;d为实验过程中的滑动距离。研究Cr2AlC含量对复合材料摩擦磨损性能的影响,用JSM7500扫描电子显微镜(SEM)观察磨损后的材料表面形貌。

2 结果与分析 2.1 物相与金相

图 1为纯Zn和复合材料样品的XRD图谱,可以发现,除了基体Zn和增强相Cr2AlC的衍射峰之外,没有检测到任何其他物质的衍射峰,表明复合材料在制备过程中未发生氧化,并且基体Zn与增强相Cr2AlC之间没有相互反应。

图 1 纯Zn及复合材料的XRD图谱 Fig. 1 XRD patterns of pure Zn and composites

纯Zn和复合材料的金相组织照片如图 2所示。从图 2(a)可以看出纯Zn样品中分布有一些小气孔。当Cr2AlC质量分数为5%和10%时(见图 2(b)2(c)),基体与增强相界面接合良好,两相分布也较为均匀,增强相Cr2AlC颗粒大小约为30 μm,仍有少量气孔。而当Cr2AlC质量分数为20%时,如图 2(d)所示,Cr2AlC颗粒大量团聚,分布不均匀,同时在基体与增强颗粒界面处有孔洞存在。Cr2AlC含量继续增长到30%,如图 2(e)所示,Cr2AlC颗粒团聚严重,两相界面处存在大量的孔洞,使材料呈现为多孔的蓬松结构。

图 2 纯Zn及复合材料的金相组织 Fig. 2 Microstructures of pure Zn and composites
2.2 维氏硬度与相对密度

图 3为Zn-Cr2AlC复合材料的维氏硬度和相对密度随Cr2AlC的质量分数变化的曲线。由图 3可见,当Cr2AlC的质量分数从5%增长到20%时,材料维氏硬度逐渐提高,最高可达到纯Zn硬度的1.52倍;Cr2AlC质量分数为30%时,维氏硬度反而显著降低。原因在于增强颗粒Cr2AlC的硬度大大高于基体Zn,由于增强效应,适量的Cr2AlC颗粒可使复合材料的维氏硬度明显提高,而过量的Cr2AlC颗粒倾向于团聚,使两相分布不均匀,影响了两相间的结合,孔隙增多,故而材料的硬度值不升反降。此外,材料的相对密度随增强相质量分数的增加而减小。一方面,Zn的熔点为419℃,在400℃下为固相烧结,此时材料的致密化方式主要为固态扩散[16];另一方面,增强相质量分数越高,越容易团聚,会阻碍基体晶粒的晶界流动性,使材料致密化困难,导致复合材料的气孔逐渐增多,相对密度逐渐下降。

图 3 纯Zn及复合材料的硬度和相对密度 Fig. 3 Vickers-hardness and relative density of pure Zn and composites
2.3 摩擦磨损性能

图 4(a)~(e)给出了纯Zn及复合材料的摩擦系数随滑动时间的变化曲线。由图 4(a)可见,纯Zn的摩擦系数约为0.75,在整个滑动摩擦过程中摩擦系数都比较稳定。由图 4(b)可见,复合材料Zn-5%Cr2AlC在摩擦运开始的前5~10 min内,其摩擦系数随时间的变化幅度较大,为磨合阶段;10 min后,过渡到稳定阶段,材料的摩擦系数随时间变化的曲线变得平滑,基本稳定在0.85左右。图 4(c)4(d)显示了与图 4(b)一样的摩擦系数变化趋势,最终Zn-10%Cr2AlC和Zn-20%Cr2AlC复合材料的摩擦系数分别稳定在0.70和0.65左右。由图 4(e)可见,当复合材料中Cr2AlC的质量分数达到30%时,其摩擦系数异常稳定,波动性极小,为0.15±0.02,比纯Zn低80%。图 4(f)为各复合材料在稳定状态下的摩擦系数。由图 4(f)可见,当Cr2AlC质量分数为5%~30%时,随着Cr2AlC的质量分数的上升,复合材料的摩擦系数呈下降趋势。Zn基体中添加Cr2AlC颗粒对复合材料的摩擦磨损性能是有利的。特别是对于Zn-30%Cr2AlC复合材料,其摩擦系数降到了0.15。这是由于Cr2AlC的高含量导致复合材料难以致密化,材料表面气孔较多,而复合材料与磨球之间的接触形式是点接触,样品的多孔结构使材料的摩擦系数急剧下降。因此,增强相Cr2AlC颗粒的引入,降低了复合材料的摩擦系数,增强了材料的耐磨性。

图 4 摩擦系数随滑动时间的变化 Fig. 4 Friction coefficient versus sliding time

复合材料的磨损率随Cr2AlC质量分数变化关系如图 5所示。纯Zn的磨损率为9.61×10-4 mm3·N-1·m-1,随着Cr2AlC质量分数的增加,复合材料的磨损率逐渐降低,Zn-30%Cr2AlC的磨损率最小,为1.87×10-4mm3·N-1·m-1,比纯Zn降低了80.54%。本实验所测试的复合材料试样磨损率的范围为(2~9)×10-4 mm3·N-1·m-1。该结果与Gupta等[12]研究的Ti3SiC2颗粒增强Zn基复合材料得到的结果类似。

图 5 纯Zn及复合材料的磨损率 Fig. 5 Wear rates of pure Zn and composites

图 6(a)~(e)为复合材料的磨损表面形貌照片。由图 6(a)可见,纯Zn样品磨损表面有粉末碎屑和剥离凹坑。由图 6(b)可见,复合材料Zn-5%Cr2AlC中,Cr2AlC含量较低,磨损表面存在松散的磨料碎片和大片脱层,可认为磨损类型是磨料磨损和剥层磨损。由图 6(c)可见,Zn-10%Cr2AlC复合材料磨损表面存在浅的犁沟和薄的脱层而没有剥离凹坑。由图 6(d)可见,Zn-20%Cr2AlC复合材料磨损表面相对平滑,分布着浅而直的犁沟,磨损程度比其他样品轻。这种磨损表面形貌的演变现象,是引入了具有自润滑性质的Cr2AlC颗粒导致的。由图 6(e)可见,Zn-30%Cr2AlC复合材料,由于多孔特征,在磨损过程中脱落的磨料填充于孔隙中,使得样品的磨损表面非常光滑,这种磨损形貌在Al-Ti3SiC2复合材料相对于Al2O3的干摩擦实验中也可观察到[17]。结合Gupta和Barsoum[18]研究基于MAX相复合材料的摩擦学结论,分析本实验中样品磨损表面的特性,可以得出复合材料样品的磨损机制是磨粒磨损和剥层磨损。

图 6 纯Zn及复合材料的磨损表面形貌 Fig. 6 Worn surface morphology of pure Zn and composites
3 结论

本文采用无压烧结合成了高纯Cr2AlC粉末,采用热压烧结法制备了Zn-Cr2AlC复合材料,研究了Cr2AlC颗粒的加入量对复合材料的金相组织、维氏硬度及摩擦磨损性能等的影响,可得出以下结论:

1) Cr2AlC质量分数在5%~20%范围内,复合材料的硬度随Cr2AlC质量分数增加而提高,当Cr2AlC质量分数过高(30%)时,复合材料难以致密化,硬度值不升反降。

2) 在Zn基体中添加Cr2AlC颗粒,摩擦系数由纯Zn的0.75降低到Zn-20%Cr2AlC复合材料的0.65;磨损率由纯Zn的9.61×10-4 mm3·N-1·m-1降低到Zn-30%Cr2AlC复合材料的1.87×10-4 mm3·N-1·m-1,复合材料的摩擦磨损性能明显提升。

3) 复合材料在干摩擦实验条件下的磨损机制以磨粒磨损为主,并有轻微的剥层磨损。

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http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0298
北京航空航天大学主办。
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李志, 赵文月, 缪奶华
LI Zhi, ZHAO Wenyue, MIAO Naihua
Zn-Cr2AlC复合材料的制备与摩擦磨损性能
Preparation and tribological properties of Zn-Cr2AlC composites
北京航空航天大学学报, 2018, 44(4): 874-878
Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronsutics, 2018, 44(4): 874-878
http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0298

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收稿日期: 2017-05-11
录用日期: 2017-07-21
网络出版时间: 2017-09-14 09:47

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