石墨烯含量對(duì)Al-15Si-4Cu-Mg組織及摩擦磨損性能的影響

張 凱,水 麗

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,沈陽(yáng)110159)

鋁基復(fù)合材料由于其具有優(yōu)異的耐磨性和耐腐蝕性、比重小、低膨脹、良導(dǎo)熱等優(yōu)點(diǎn),成為一種新型的耐磨材料[1],是汽車變速箱、摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、帶輪和泵等要求耐磨部件的理想用材,在航空航天、精密儀器和船舶制造等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。近年來(lái),石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料進(jìn)入人們的視野,由于石墨烯本身是新型高性能納米材料,其強(qiáng)度大,柔韌性好,導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、光學(xué)性能優(yōu)異,對(duì)鋁基復(fù)合材料性能的提升具有重要意義。此外,研究發(fā)現(xiàn)在鋁基復(fù)合材料中加入Si、Cu等元素可制成多元復(fù)合材料[2]。

本文通過(guò)向Al-15Si-4Cu-Mg基復(fù)合材料中添加石墨烯,研究石墨烯含量對(duì)Al-15Si-4Cu-Mg基復(fù)合材料微觀組織及摩擦磨損特征的影響,為新型耐磨材料研發(fā)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)所采用的復(fù)合材料成分見(jiàn)表1。

表1 Al-15Si-4Cu-Mg基復(fù)合材料的化學(xué)成份

為研究石墨烯對(duì)Al-15Si-4Cu-Mg基復(fù)合材料摩擦磨損的性能影響,分別制備石墨烯含量為0.3%、0.5%、0.7%三組試樣。

試驗(yàn)采用球磨混料方式,將超細(xì)鋁硅粉(粒度為800目,純度為99.9%)和適量Cu、Mg粉(粒度為300～400目,純度為99.5%)與石墨烯按比例裝入混料罐中,加入球料比為8∶1的氧化鋯陶瓷球,固定在TURBULA T2F三維混料機(jī)中,進(jìn)行間歇球磨分散72h,球磨機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)為40rpm。球磨結(jié)束靜置一段時(shí)間,再將混合的粉末從混合機(jī)中取出,倒入事先準(zhǔn)備好的模具中,將模具放入真空鉬絲熱壓爐(ZR-6-8Y)中進(jìn)行燒結(jié),燒結(jié)溫度為580℃,燒結(jié)時(shí)間為1.38h;保溫1h后將真空熱壓鉬絲燒結(jié)爐斷電,待爐溫低于200℃后,關(guān)閉冷卻水循環(huán)。將制得的石墨烯復(fù)合材料放入箱型電阻爐中進(jìn)行熱處理0.5h,溫度為500℃。熱處理過(guò)后進(jìn)行快速淬火冷卻,淬火后進(jìn)行4h溫度為200℃的熱處理,并自然冷卻至室溫。

將試樣用線切割加工成尺寸為50mm×20mm×4mm片狀。部分試樣制成金相試樣,在AFT-DC130光學(xué)顯微鏡上觀察金相組織;用布氏顯微硬度計(jì)測(cè)量復(fù)合材料的顯微硬度。部分試樣用600#、800#、1500#、2000#砂紙打磨,表面粗糙度Ra約為0.4μm;丙酮超聲清洗后,在往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn),試驗(yàn)力為20N,時(shí)間為10min,測(cè)試不同石墨烯含量對(duì)Al-15Si-4Cu-Mg復(fù)合材料微觀組織及摩擦磨損性能的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 石墨烯Al-15Si-4Cu-Mg基復(fù)合材料微觀組織結(jié)構(gòu)及硬度分析。

圖1為添加不同含量石墨烯Al-15Si-4Cu-Mg基復(fù)合材料微觀組織形貌。

圖1 Al-15Si-4Cu-Mg基復(fù)合材料微觀組織形貌

由圖1a可以看出,添加0.3%石墨烯復(fù)合材料中,黑色硅顆粒分布在鋁基體中,顆粒間間隙較小,不夠分散,組織較粗大,尺寸大小不一,形狀各異且不規(guī)則;硅顆粒平均尺寸為8～10μm。從圖1b中可以看出,硅顆粒在基體中尺寸有所減小且彌散分布,形狀較為規(guī)則。從圖1c中可以看出,隨著石墨烯含量增加,硅顆粒得到進(jìn)一步細(xì)化且數(shù)量顯著增加,對(duì)比圖1a,其形貌由粗大的不規(guī)則形狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的顆粒狀,其在鋁基體中的分布也更加均勻,部分硅顆粒尖角處發(fā)生明顯的鈍化現(xiàn)象,硅顆粒平均尺寸已減小到5μm[3-5]。

表2為三組復(fù)合材料的硬度測(cè)試結(jié)果。

表2 Al-15Si-4Cu-Mg基復(fù)合材料的硬度

由表2可知,石墨烯添加量為0.3%的復(fù)合材料硬度測(cè)試結(jié)果平均值為131.2HBW;石墨烯添加量為0.5%的復(fù)合材料硬度測(cè)試結(jié)果平均值為155.8HBW;石墨烯添加量為0.7%的復(fù)合材料硬度測(cè)試結(jié)果最大,平均值為157.6HBW?？梢钥闯?隨著石墨烯含量的增加,能夠有效增強(qiáng)復(fù)合材料的硬度,高強(qiáng)度的石墨烯能較好地承擔(dān)外來(lái)載荷。納米級(jí)的石墨烯具有高度褶皺結(jié)構(gòu)[6],能夠阻礙位錯(cuò)移動(dòng),不利于基體的變形。此外,將Al-15Si中加入少量Cu和Mg元素后,Cu與Al反應(yīng)生成的Al2Cu,Mg與Si反應(yīng)生成的Mg2Si,均彌散分布在基體中,顯著地提高了復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性,同時(shí)也可以細(xì)化粗大的硅顆粒,提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和硬度。

2.2 磨損特性

圖2為添加不同含量石墨烯后,復(fù)合材料的磨損特性隨時(shí)間變化的曲線。

由圖2a可見(jiàn),添加0.3%石墨烯復(fù)合材料摩擦系數(shù)的最大波峰,達(dá)到0.9,最小波谷為0.18,摩擦系數(shù)的波動(dòng)幅值為0.72。添加0.5%石墨烯復(fù)合材料摩擦系數(shù)的最大波峰為0.7,最小波谷為0.08,摩擦系數(shù)的波動(dòng)幅值為0.62,如圖2b所示。添加0.7%石墨烯復(fù)合材料摩擦系數(shù)的最大波峰為0.65,最小波谷為0.17,摩擦系數(shù)的波動(dòng)幅值為0.48,如圖2c所示。觀察三組試樣摩擦曲線圖可知,圖2c復(fù)合材料在整個(gè)磨損過(guò)程中更平穩(wěn),摩擦系數(shù)波動(dòng)最小,因此圖2c復(fù)合材料耐磨性最好[7-9]。

圖2 Al-15Si-4Cu-Mg基復(fù)合材料的摩擦磨損曲線

2.3 磨損表面分析

圖3為三組復(fù)合材料在所加載荷為20N、磨損10min后的表面形貌。

圖3a為添加0.3%石墨烯復(fù)合材料磨損后的SEM圖片,由于石墨烯含量較低,當(dāng)磨損面相互接觸時(shí),造成復(fù)合材料中的硅相瞬間脫落發(fā)生破碎,并粘附著大量磨屑在磨損面上,剝落坑較大,磨損機(jī)制為粘著磨損和磨粒磨損。圖3b為添加0.5%石墨烯復(fù)合材料試樣,磨損面出現(xiàn)的犁溝較窄,剝落現(xiàn)象和磨屑明顯少于圖3a,磨損機(jī)制為輕微的磨粒磨損和粘著磨損。圖3c為添加0.7%石墨烯的復(fù)合材料,相對(duì)于前兩組試樣,表面沒(méi)有出現(xiàn)較大范圍的粘著剝落區(qū)域,主要表現(xiàn)為一些犁溝槽的出現(xiàn),其磨損機(jī)制主要為輕微的粘著磨損。

圖3 Al-15Si-4Cu-Mg基復(fù)合材料的磨損面電鏡掃描圖

結(jié)合圖1可知,添加0.3%石墨烯的復(fù)合材料磨損后出現(xiàn)較深且寬的犁溝,這是由于其初晶硅的形貌和尺寸較粗大,分布不均勻,凹陷周圍受到擠壓而隆起使得硅相受到的應(yīng)力過(guò)大,當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定極限值時(shí),致使硅相破裂和脫落;脫落的初晶硅在慣性力作用下,在軟基體上沿摩擦方向相對(duì)運(yùn)動(dòng),造成二次切削,形成深淺不同的犁溝;而脫落的硬質(zhì)顆粒被碾碎形成磨屑。添加0.5%和0.7%石墨烯的復(fù)合材料磨損后組織相貌得到改善,石墨烯在摩擦過(guò)程中起到自潤(rùn)滑的作用,減少初晶硅的剝落,從而降低犁溝及磨屑的形成。因此,隨著石墨烯含量的提高,復(fù)合材料磨損程度得到顯著改善[10-12]。

3 結(jié)論

(1)石墨烯的添加對(duì)Al-15Si-4Cu-Mg基復(fù)合材料的微觀組織和形貌影響顯著,隨著石墨烯含量增加,復(fù)合材料微觀組織中硅顆粒分布更加均勻且彌散,硅顆粒棱角鈍化,平均輪廓有所減小。

(2)隨著石墨烯含量增加,Al-15Si-4Cu-Mg復(fù)合材料的摩擦系數(shù)波動(dòng)幅值從0.72減小到0.48,磨損過(guò)程更加平穩(wěn),磨損表面犁溝變窄、變淺,剝落坑減少,復(fù)合材料的耐磨性有所提高,硬度得到明顯改善。