CPU 風(fēng)扇軸承用復(fù)合材料的研制

胡形成，郭英奎，孟繁雨（哈爾濱理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

CPU 風(fēng)扇軸承用復(fù)合材料的研制

胡形成*，郭英奎，孟繁雨
（哈爾濱理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

采用Al2O3粉為基體，加入TRIP鋼粉做燒結(jié)助劑，通過熱壓燒結(jié)技術(shù)制備TRIP-Al2O3復(fù)合材料，研究TRIP鋼的馬氏體相變對(duì)TRIP-Al2O3復(fù)合材料力學(xué)性能和耐磨性的影響規(guī)律，結(jié)果表明，TRIP-Al2O3復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性隨TRIP鋼含量的增加呈先增加后降低趨勢(shì)，當(dāng)TRIP鋼含量達(dá)到15（wt）%時(shí)，抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性值最大，分別為559MPa和8.2MPa·m1/2；在彎曲載荷作用下TRIP鋼發(fā)生了馬氏體相變，隨TRIP鋼含量的增加馬氏體轉(zhuǎn)變量增大；對(duì)比磨損試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，TRIP-Al2O3復(fù)合材料與普通金屬軸承材料相對(duì)磨損率都隨時(shí)間的延長而增大，普通金屬軸承材料的相對(duì)磨損率磨損分為兩個(gè)階段，時(shí)間小于60h，相對(duì)磨損率小于1.55，磨損時(shí)間超過60h后，相對(duì)磨損率顯著增加且接近2.56；而TRIP-Al2O3復(fù)合材料的相對(duì)磨損率開始較大，隨著時(shí)間增加逐漸變小，達(dá)到穩(wěn)定磨損后相對(duì)磨損率呈逐漸增大趨勢(shì)，但總體相對(duì)磨損率比普通金屬軸承材料小很多。

TRIP-Al2O3復(fù)合材料馬氏體相變；力學(xué)性能；相對(duì)磨損率

計(jì)算機(jī)CPU風(fēng)扇的作用是帶走CPU正常工作時(shí)的熱量，其質(zhì)量取決于風(fēng)扇軸承質(zhì)量，目前，市場(chǎng)使用的傳統(tǒng)CPU風(fēng)扇軸承大致可分為滑動(dòng)軸承、滾珠滑動(dòng)軸承與雙滾珠軸承三大類[1，2]。這些軸承材料由于密度大、耐磨性差，不僅使用壽命低，而且噪音大，容易導(dǎo)致機(jī)器過熱而出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響計(jì)算機(jī)品質(zhì)甚至嚴(yán)重時(shí)還有可能把機(jī)芯燒壞[3-5]。

本文采用密度較低的Al2O3為基體，加入TRIP鋼做燒結(jié)助劑，通過熱壓燒結(jié)技術(shù)制備新型TRIP-Al2O3復(fù)合材料，研究TRIP鋼的馬氏體相變對(duì)TRIP-Al2O3復(fù)合材料力學(xué)性能和耐磨性的影響規(guī)律，替代現(xiàn)有的傳統(tǒng)金屬CPU風(fēng)扇軸承材料，期望獲得良好的耐磨性和使用壽命。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)材料

Al2O3粉末購自中國建筑材料研究院陶瓷所，平均粒晶為0.65um，其化學(xué)成分見表1。

表1　Al2O3粉體化學(xué)成分/（wt）%Tab.1　Composition of Al2O3powder

將Cr鐵、Mn鐵、Mo鐵、20鋼、工業(yè)純Ni按表2的化學(xué)成分，經(jīng)真空熔煉、N2氣霧化噴粉、過325目篩；將TRIP鋼和Al2O3按表3配料，濕混30h，烘干后在真空/可控氣氛熱壓燒結(jié)爐中以1250℃/1.3×10-3Torr/20MPa/30min工藝單向熱壓燒結(jié)，升降溫速率均控制在20℃·min-1；在WDW-2000型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上，采用三點(diǎn)彎曲方法測(cè)試復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性，試樣尺寸為3×4×36mm，十字頭移動(dòng)速度為0.5mm·s-1。

表2　TRIP鋼的化學(xué)成分/（wt）%Tab.2　Composition of TRIP steel

1.2研究方法

將TRIP-Al2O3復(fù)合材料按照市售標(biāo)準(zhǔn)CPU風(fēng)扇軸承（圖1）進(jìn)行加工，裝機(jī)運(yùn)行120h，分別測(cè)量兩軸承的質(zhì)量磨損率μ=（m0-m）/m0。式中m0：磨損前軸承的質(zhì)量；m：磨損后軸承的質(zhì)量。

圖1　CPU風(fēng)扇軸承示意圖Fig.1　Schematic diagram of CPU fan bearing

采用PhilipsCM-12透射電鏡觀察復(fù)合材料的顯微組織，加速電壓120kV；斷口觀察在Hitachi-570掃描電鏡上進(jìn)行。X射線衍射分析在日本理學(xué)電機(jī)D/max-rB型X射線衍射儀上進(jìn)行的，采用Cu靶，加速電壓40kV，管電流50A，掃描速度為10°·min-1。

2　結(jié)果與討論

2.1TRIP含量對(duì)復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性的影響

圖2為1500℃燒結(jié)的TRIP-Al2O3復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性隨TRIP鋼含量的變化曲線。

圖2　TRIP含量對(duì)復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性的影響Fig.2　Effect of TRIP content on bending strength and fracture toughness of the composite

從圖2可以看到，隨著TRIP鋼含量的增加，復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性呈先增加后降低趨勢(shì)，當(dāng)TRIP鋼含量達(dá)到15（wt）%時(shí)，抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性值最大，分別為559MPa和8.2MPa·m1/2，TRIP鋼含量超過15（wt）%后，抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性開始降低。

2.2TRIP-Al2O3復(fù)合材料的XRD圖譜

圖3為1500℃燒結(jié)的TRIP-Al2O3復(fù)合材料斷面的XRD圖譜。

（a）AT5（b）AT10（c）AT10（d）AT20圖3　TRIP-Al2O3復(fù)合材料的XRD圖譜Fig.3　XRD patterns of TRIP-Al2O3Composites

由圖3可見，復(fù)合材料中不僅有Al2O3和TRIP鋼的奧氏體衍射峰，在彎曲載荷作用下，出現(xiàn)了馬氏體的{110}α'峰、{200}α'峰和{211}α'峰，從而確定TRIP鋼在彎曲載荷作用下發(fā)生了馬氏體相變，隨TRIP鋼含量的增加，馬氏體衍射峰增高和轉(zhuǎn)變量增大。

2.3AT15試樣馬氏體的SEM、TEM像

分別用掃描電鏡和透射電鏡觀察TRIP-Al2O3復(fù)合材料復(fù)合材料斷面顯微組織，其結(jié)果見圖4、5。

圖4　AT15試樣馬氏體的SEM像Fig.4　SEM images of AT15 sample

圖5　AT15試樣馬氏體的TEM像Fig.5　TEM images of AT15 sample

發(fā)現(xiàn)TRIP鋼通過應(yīng)力或形變可誘發(fā)馬氏體相變，其中既有板條馬氏體（圖4）也有片狀馬氏體（圖5），這與XRD的測(cè)試結(jié)果吻合，而TRIP鋼中的馬氏體相變過程也是一個(gè)吸收能量的過程，這對(duì)提高TRIP-Al2O3復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性和耐磨性均有貢獻(xiàn)[6]。

2.4兩種材料相對(duì)磨損率隨時(shí)間的變化曲線

圖6給出了TRIP-Al2O3復(fù)合材料與普通金屬軸承材料相對(duì)磨損率隨時(shí)間的變化曲線。

圖6　兩種材料相對(duì)磨損率隨時(shí)間變化曲線Fig.6　Curve of relative wear rate of materials with time variation

從圖6可見，兩種材料的相對(duì)磨損率都隨時(shí)間的延長而增大，本試驗(yàn)條件下，普通金屬軸承材料的相對(duì)磨損率磨損分為兩個(gè)階段，時(shí)間小于60h，相對(duì)磨損率小于1.55，磨損時(shí)間超過60h后，相對(duì)磨損率顯著增加且接近2.56，這是由于金屬材料疲勞導(dǎo)致的[7]；而TRIP-Al2O3復(fù)合材料的相對(duì)磨損率與普通金屬軸承材料不同，時(shí)間小于30h時(shí)，相對(duì)磨損率開始較大，隨著時(shí)間增加逐漸變小，這可能是復(fù)合材料表面粗糙度較大，被磨下的物料較多的緣故，隨著時(shí)間的延長達(dá)到穩(wěn)定磨損后，相對(duì)磨損率呈逐漸增大趨勢(shì)，但總體相對(duì)磨損率比普通金屬軸承材料小很多，這是由于TRIP鋼中的馬氏體相變，提高TRIP-Al2O3復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性，因此提高了復(fù)合材料的相對(duì)耐磨性。

3　結(jié)論

（1）1500℃燒結(jié)的TRIP-Al2O3復(fù)合材料，抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性隨著TRIP鋼含量的增加呈先增加后降低趨勢(shì)，當(dāng)TRIP鋼含量達(dá)到15（wt）%時(shí)，抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性值最大，分別為559MPa和8.2MPa·m1/2；

（2）TRIP-Al2O3復(fù)合材料中TRIP鋼在彎曲載荷作用下發(fā)生了馬氏體相變，隨TRIP鋼含量的增加，馬氏體衍射峰增高和轉(zhuǎn)變量增大。

（3）TRIP-Al2O3復(fù)合材料與普通金屬軸承材料相對(duì)磨損率都隨時(shí)間的延長而增大，普通金屬軸承材料的相對(duì)磨損率磨損分為兩個(gè)階段，時(shí)間小于60h，相對(duì)磨損率小于1.55，磨損時(shí)間超過60h后，相對(duì)磨損率顯著增加且接近2.56；而TRIP-Al2O3復(fù)合材料的相對(duì)磨損率開始較大，隨著時(shí)間增加逐漸變小，達(dá)到穩(wěn)定磨損后相對(duì)磨損率呈逐漸增大趨勢(shì)，但總體相對(duì)磨損率比普通金屬軸承材料小很多。

［1］COLLYEAR J.有色金屬與滑動(dòng)軸承［J］.中國有色金屬學(xué)報(bào),1993,（4）:88-92.

［2］YAO Xiumin,HUANG Zhengren,CHEN Lidong.Alumina-nickel composites densified by spark plasma sintering.Material Letters 2005,59:2314-2318

［3］LIUZY,NH.Micro-powderinjectionmolding［J］.Journal of MaterialsProcessingTechnology,2002,127（2）:165-158.

［4］OLIVEIRA R V B,SOLDI V.Ceramic injectionmoulding:influence of specimen dimensions and temperature on solvent debinding kinetics［J］.Journal of Materials Processing Technology,2005,160（2）:213-220.

［5］張景柳.CPU風(fēng)扇散熱器散熱效果分析［D］.南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2006,15.

［6］郭英奎.ZrO2（2Y）/TRIP鋼復(fù)合材料的顯微組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能［D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文,2003：65-68.

［7］樸鐘宇,徐濱士,王海斗,等.滾動(dòng)接觸條件下鐵基涂層的疲勞磨損壽命實(shí)驗(yàn)研究［J］.材料工程,2010，（6）:50-58.

Study on composite for fan spindle bearing of CPU

HU Xing-cheng，GUO Ying-kui，MENG Fan-yu
（College of Materials Science and Engineering，Harbin University of Technology，Harbin 150080，China）

The effect laws of martensitic transformatio of TRIP steal on mechanical property and abrasion performance of TRIP-Al2O3composite which was prepared by hot pressed sintering with Al2O3as matrix and TRIP steal powder as sintering aid were studied.The results showed that bending strength and fracture toughness of composite went increased then decreased with the content of TRIP increased.TRIP steal had martensitic transformation under flexural load，and the content of TRIP steal increased with martensitic transformation increased.Contrast wear test showed that the wear rate increased of both of composite and common material with time.But the wear rate of composite was less than common material.

martensitic transformation of TRIP-Al2O3composite；mechanical property；relative wear rate

TB333

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20160871

2016-04-18

胡形成（1991-），男，哈爾濱理工大學(xué)材料學(xué)院無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)本科生。

郭英奎（1963-），男，教授，研究方向：結(jié)構(gòu)陶瓷材料的制備與韌化。