CNTs／AZ91復(fù)合材料的摩擦磨損性能

吳俊斌，曾效舒，羅 雷，袁秋紅

（南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330031）

0 引 言

與傳統(tǒng)金屬材料相比，金屬基復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量更高，且具有耐熱性能好、熱膨脹系數(shù)低、尺寸穩(wěn)定性高等特點(diǎn)［1－2］，能夠滿足工業(yè)對(duì)材料日益苛刻的性能要求。通過在金屬基體中加入均勻分散的納米級(jí)增強(qiáng)相而制得的復(fù)合材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能以及導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕、耐磨損、耐高溫和抗氧化等性能［3－4］。AZ91鎂合金廣泛應(yīng)用于汽車和航天工業(yè)，具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、耐腐蝕、吸震、防電磁干擾能力強(qiáng)、易加工等優(yōu)異的性能，但其在較低載荷下就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的磨損，在干摩擦和潤(rùn)滑條件下的抗咬合能力均很差［5］，這嚴(yán)重制約了它的應(yīng)用。碳納米管（CNTs）的長(zhǎng)徑比較大，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性能以及良好的潤(rùn)滑性能［6］，成為改善金屬材料性能最理想的納米級(jí)增強(qiáng)相之一。姜金龍等［7－8］的研究表明，CNTs具有良好的自潤(rùn)滑和增強(qiáng)作用，CNTs增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損率均隨CNTs體積分?jǐn)?shù)的增大而減小。目前，對(duì)于CNTs／鎂合金復(fù)合材料的研究主要集中在材料設(shè)計(jì)及其力學(xué)性能等方面［9－10］，有關(guān)其摩擦磨損性能的研究較少。為此，作者采用粉末冶金與熱擠壓相結(jié)合的方法制備了CNTs增強(qiáng)AZ91鎂合金復(fù)合材料（CNTs／AZ91復(fù)合材料），研究其在干滑動(dòng)條件下的摩擦磨損性能，分析了CNTs含量對(duì)復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響，并與AZ91鎂合金的摩擦磨損性能進(jìn)行了對(duì)比。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)原料為市售鎂粉（純度99.5%）、鋁粉（純度99.0%）、鋅粉（純度90.0%）、錳粉（純度99.0%）以及CNTs。其中，CNTs購自南昌太陽納米技術(shù)有限公司（采用化學(xué)氣相沉積法制備），其純度在95%以上，管直徑為10～50nm，長(zhǎng)度為1～10μm。

將CNTs在丙酮溶液中超聲分散2h，然后在真空手套箱中稱量鎂粉、鋁粉、鋅粉和錳粉，并將它們加入到已超聲分散的CNTs丙酮溶液中；將上述所得混合溶液機(jī)械攪拌2h，然后用濾紙過濾去除丙酮，并立即將濕的混合粉轉(zhuǎn)移至真空干燥箱中，去除剩余的丙酮后可得到混合均勻的復(fù)合粉體；隨后將復(fù)合粉體放入模具中以120MPa的壓力冷壓成型，再于600℃在氬氣保護(hù)爐中燒結(jié)2h；將燒結(jié)后的坯料預(yù)熱至400℃并保溫1h，然后采用HM035－200型熱擠壓機(jī)在350℃下擠壓得φ10mm的棒材，擠壓速度為0.3mm·s－1，擠壓比為16∶1。復(fù)合材料中CNTs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.0%，3.0%和5.0%，將它們分 別 記 為 1%CNTs／AZ91、3%CNTs／AZ91、5%CNTs／AZ91。

不添加CNTs的AZ91鎂合金（基體合金）采用相同的方法制備。

1.2 試驗(yàn)方法

采用MH－50型顯微硬度測(cè)試儀測(cè)基體合金及復(fù)合材料的維氏硬度，試驗(yàn)載荷0.98N，加載時(shí)間15s；根據(jù)阿基米德原理測(cè)復(fù)合材料的密度，根據(jù)式（1）計(jì)算復(fù)合材料的理論密度［11］，然后將測(cè)量密度與理論密度相除即可得相對(duì)密度。

式中：ρth為復(fù)合材料的理論密度；ρAZ91為AZ91鎂合金的密度；ρCNTs為CNTs的密度，1.9g·cm－3；φCNTs為CNTs在復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù)。

摩擦磨損試驗(yàn)在MMD－1型多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用銷盤接觸式摩擦，試驗(yàn)在室溫、無潤(rùn)滑條件下進(jìn)行。銷試樣采用線切割加工而成，尺寸為φ4mm×12mm，其表面經(jīng)打磨、拋光后再用丙酮超聲清洗；盤試樣為45鋼，其硬度為45～50HRC，尺寸為36mm×8mm×10mm。試驗(yàn)參數(shù)：法向載荷分別為2，10，50N，主軸轉(zhuǎn)速為120r·min－1，摩擦?xí)r間設(shè)定為10min。通過讀取試驗(yàn)機(jī)給出的摩擦力矩求得摩擦因數(shù)，然后將它們的算術(shù)平均值作為復(fù)合材料的摩擦因數(shù)。

采用電子天平（精度為0.1mg）稱量銷試樣磨損前后的質(zhì)量，并計(jì)算磨損量；采用Quanta200F型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察磨損后的表面形貌，并采用RA100型拉曼光譜儀分析磨屑的成分。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 密度與硬度

由表1可知，AZ91鎂合金基體和復(fù)合材料的相對(duì)密度都超過了98%，所有試樣的顯微硬度均超過100HV，遠(yuǎn)超過了鑄造AZ91鎂合金的顯微硬度。復(fù)合材料硬度的提高是因?yàn)闊釘D壓變形使得大晶粒破碎，起到了細(xì)晶強(qiáng)化作用，加之CNTs的存在能夠阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，限制基體的局部變形和滑移，從而使復(fù)合材料的硬度得以提高［12］。隨著CNTs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，復(fù)合材料的顯微硬度先增大后減小，并在CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)達(dá)到最大，為127.14HV，比基體合金的提高了18.96%；隨著CNTs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加，CNTs易在基體中發(fā)生團(tuán)聚，團(tuán)聚的CNTs不但不能起到增強(qiáng)作用，反而會(huì)成為缺陷，導(dǎo)致復(fù)合材料的硬度下降［13］。

表1 AZ91鎂合金基體和復(fù)合材料的密度和硬度Tab.1 Density and hardness of AZ91magnesium alloy matrix and composites

2.2 摩擦磨損性能

2.2.1 摩擦因數(shù)

圖1 復(fù)合材料摩擦因數(shù)與CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線Fig.1 Friction coefficient vs mass fraction of CNTs for composites

由圖1可見，在載荷相同的條件下，隨著CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)逐漸減小；當(dāng)CNTs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過3%后，摩擦因數(shù)下降的幅度降低。這是因?yàn)椋谀Σ吝^程中，具有自潤(rùn)滑作用的CNTs從基體中被拔出，并與盤試樣直接接觸，減小了基體材料與盤試樣的接觸面積，從而降低了復(fù)合材料的摩擦因數(shù)。此外，復(fù)合材料的磨損面在摩擦過程中可能會(huì)形成一層起潤(rùn)滑作用的碳膜，這也有利于摩擦因數(shù)的降低［14］。所以，隨著CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，摩擦因數(shù)越來越小。但當(dāng)CNTs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過3%時(shí)，因部分CNTs發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致潤(rùn)滑效果下降，故而摩擦因數(shù)下降的幅度有所降低。

從圖1中還可看出，在CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的情況下，隨著載荷增大，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)逐漸減小。這是因?yàn)殡S著載荷增大，犁耕阻力增大，導(dǎo)致更多的CNTs被破碎和拔出，提高了碳膜的潤(rùn)滑效率，故而摩擦因數(shù)減小。

2.2.2 磨損量

由圖2可知，在載荷相同的條件下，隨著CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，復(fù)合材料的磨損量呈減小的趨勢(shì)。當(dāng)載荷為2N時(shí)，AZ91鎂合金基體（CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0時(shí)）的磨損量為4.7mg，1%CNTs／AZ91和3%CNTs／AZ91復(fù)合材料的磨損量分別為2.4mg和2mg，分別比鎂合金基體的下降了48.9%和57.4%；當(dāng)CNTs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，復(fù)合材料磨損量的變化不大，相比于3%CNTs／AZ91只減小了0.1mg。當(dāng)載荷為10N時(shí)，復(fù)合材料磨損量的變化趨勢(shì)與載荷為2N時(shí)的一致。當(dāng)載荷為50N時(shí)，復(fù)合材料的磨損量低于AZ91鎂合金基體的，且遠(yuǎn)高于2N和10N截荷下的；隨著CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，復(fù)合材料的磨損量逐漸降低，但當(dāng)CNTs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過3%后，磨損量下降的不明顯。

此外，由圖2還可以看出，隨著載荷增大，AZ91鎂合金基體和復(fù)合材料的磨損量均增大。這是因?yàn)楦咻d荷下摩擦副對(duì)材料的犁削作用更明顯，更多的材料被犁耕下來。

圖2 復(fù)合材料磨損量和CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線Fig.2 Wear mass loss vs mass fraction of CNTs for composites

CNTs作為增強(qiáng)相具有提高基體力學(xué)性能的作用［8］，隨著CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，復(fù)合材料的硬度增大。鎂合金基體的硬度比較低，在摩擦過程中，其磨損面的塑性變形程度很大，導(dǎo)致其磨損量很大。加入CNTs后，復(fù)合材料的硬度增大，能夠有效降低摩擦副對(duì)基體材料的犁削作用；同時(shí)由于CNTs的自潤(rùn)滑作用，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)也降低，這兩方面因素的共同作用使得復(fù)合材料的磨損量下降。此外，隨著CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，CNTs在復(fù)合材料中的面積比增加，這將進(jìn)一步降低摩擦副與基體材料的接觸面積，從而使磨損量降低。

2.3 磨損形貌

從圖3中可以看出，在低載荷（10N）下磨損后，AZ91鎂合金基體表面沒有出現(xiàn)明顯的溝槽，犁溝也比較淺，剝落現(xiàn)象亦不明顯，磨損表面的磨屑主要為顆粒狀，并存在少量片層狀；當(dāng)載荷增大至50N時(shí)，磨損表面存在很大的片層狀磨屑剝落，犁溝較寬且深，表面出現(xiàn)了明顯的塑性變形，這是疲勞磨損的結(jié)果。復(fù)合材料的磨損表面也呈現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)（圖略），即：增大載荷會(huì)加劇材料表面的磨損程度。這是因?yàn)樵诟咻d荷下，磨損表面會(huì)發(fā)生較大的塑性變形，片層狀磨屑在摩擦副的擠壓作用下變?yōu)橛坞x顆粒，這些顆粒在摩擦過程中繼續(xù)引發(fā)摩擦表面變形，加速磨損，此時(shí)開始出現(xiàn)磨粒磨損。

由圖4（a）可以看出，1%CNTs／AZ91復(fù)合材料在50N載荷下磨損后，沒有明顯的大塊脫落的磨屑，只是存在很多小顆粒。這可能是在對(duì)磨過程中，盤試樣和復(fù)合材料表面之間產(chǎn)生了輕微的粘著磨損，使得顆粒狀的磨屑附著于材料表面。此外，與AZ91鎂合金基體相比，1%CNTs／AZ91復(fù)合材料的磨損表面趨于光滑，犁溝相對(duì)較淺，并且比較窄，犁削程度減弱。這是因?yàn)椋珻NTs具有潤(rùn)滑和提高材料力學(xué)性能的作用，隨著摩擦的進(jìn)行，CNTs被拔出并附著在復(fù)合材料表面，使摩擦副與復(fù)合材料直接接觸的面積減少；加之復(fù)合材料的硬度較基體合金的更大，降低了盤試樣的壓入深度，因此復(fù)合材料的摩擦表面變得相對(duì)光滑，犁溝更淺。但是，由于加入的CNTs較少，磨損面上仍存在大量犁溝。

圖3 AZ91鎂合金基體在不同載荷下的磨損形貌Fig.3 Worn images of AZ91magnesium alloy matrix at different loads

圖4 不同復(fù)合材料在50N載荷下的磨損形貌Fig.4 Wore images of different composites at load of 50N

圖5 3%CNTs／AZ91復(fù)合材料在50N載荷下的磨損形貌及磨屑的拉曼光譜Fig.5 Worn image of 3%CNTs／AZ91composite at load of 50N（a）and Raman spectra of wear debris（b）

從圖4（b）可以看出，3%CNTs／AZ91復(fù)合材料的磨損面非常平整光滑，只有少量的片層狀磨屑以及較淺且平行的犁溝存在，以磨粒磨損為主。這說明隨著CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，復(fù)合材料內(nèi)部的結(jié)合力增大，硬度升高，阻礙了材料的塑性變形，使得材料的耐磨性能提高；同時(shí)，CNTs含量增多后在摩擦表面形成的碳膜可以有效減少盤試樣與復(fù)合材料的直接接觸，在降低摩擦因數(shù)和磨損量的同時(shí)還可以有效改善磨損形貌。

從圖4（c）可以看出，當(dāng)復(fù)合材料中CNTs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，CNTs對(duì)磨損形貌的改善作用已經(jīng)不大。這可能是因?yàn)椴糠諧NTs在材料中發(fā)生了團(tuán)聚，影響了其性能的發(fā)揮。

由圖5（a）可見，3%CNTs／AZ91復(fù)合材料在50N載荷下磨損后，一部分CNTs被壓碎或磨損，在燒結(jié)時(shí)被基體合金包覆起來的CNTs（如箭頭1和2）因包覆合金在磨損過程中被犁削掉而顯露出來，有的CNTs則是一端嵌在基體中，一端被拔出而露出外緣（如箭頭3和4）。在磨損過程中，這些裸露出的CNTs減少了復(fù)合材料和盤試樣之間的直接接觸。箭頭5所指微裂紋處的CNTs能有效阻止磨損過程中裂紋的擴(kuò)展和表層磨屑的剝落，從而提高了復(fù)合材料的耐磨性能。CNTs的抗裂紋擴(kuò)展能力也是其增強(qiáng)作用的一個(gè)重要體現(xiàn)。

3%CNTs／AZ91復(fù)合材料在50N載荷下磨損后，其磨屑的拉曼光譜中存在CNTs的D峰和G峰，如圖5（b）所示，這說明磨損后的磨屑中存在CNTs。

3 結(jié) 論

（1）在干滑動(dòng)條件下，隨著CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)和載荷增加，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)逐漸降低。

（2）在CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的條件下，隨著載荷增加，復(fù)合材料的磨損量增大；在相同的載荷條件下，隨著CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，復(fù)合材料的磨損量逐漸減小，這是因?yàn)榫哂辛己米詽?rùn)滑和增強(qiáng)作用的CNTs降低了復(fù)合材料磨損面的塑性變形程度。

（3）AZ91鎂合金的磨損機(jī)制為疲勞磨損和磨粒磨損；當(dāng)CNTs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低（1%）時(shí)，復(fù)合材料的磨損機(jī)制為輕微的粘著磨損和磨粒磨損，當(dāng)CNTs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)（3%，5%），復(fù)合材料的磨損機(jī)制以磨粒磨損為主。

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