納米金剛石銅基復(fù)合材料的摩擦磨損性能研究_圖文

1、 納米金剛石/銅基復(fù)合材料的摩擦磨損性能研究1劉輝,趙乃勤,師春生,喬志軍天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,天津 (300072E-mail:liuhuibright摘要:納米金剛石具有良好的潤滑性及抗磨損性能。將納米金剛石彌散分布到金屬基體中可以得到低摩擦耐磨性良好的金屬基復(fù)合材料。本文采用粉末冶金的方法制備納米金剛石彌散分布的銅基復(fù)合材料,并對復(fù)合材料的微觀組織及摩擦磨損性能進(jìn)行了研究。在MM200型磨損試驗機(jī)上對塊狀試樣進(jìn)行油磨實驗,對磨材料為GCr15鋼。結(jié)果表明:納米金剛石均勻的彌散分布在銅基體上;隨著納米金剛石含量的增加,銅基復(fù)合材料的摩擦磨損性能得到了明顯改善。此外,本文還對納米金剛石

2、/銅基復(fù)合材料在油磨過程中的磨損機(jī)理進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞:納米金剛石,銅基復(fù)合材料,摩擦磨損,粉末冶金1.引言摩擦磨損對于機(jī)器的性能及使用壽命具有極大的影響,如何降低機(jī)器的摩擦磨損一直是材料工作者研究的重點(diǎn)。由爆炸法合成的納米金剛石具有許多優(yōu)異的性能,比如良好的分散性、高硬度、良好的潤滑性和耐磨性1-4。因此納米金剛石被廣泛應(yīng)用于復(fù)合涂層、超精密拋光及醫(yī)學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域5-7。其中具有較好應(yīng)用前景的領(lǐng)域之一就是用于耐磨材料。將納米金剛石彌散分布到金屬、陶瓷及高分子基體中,有望得到具有低摩擦良好耐磨性的高性能復(fù)合材料8。K.Okada等人對所制得的納米金剛石/鋁基復(fù)合材料進(jìn)行磨損實驗發(fā)現(xiàn)其摩擦系數(shù)達(dá)到

3、0.029。本文采用粉末冶金的方法制備納米金剛石彌散分布的銅基復(fù)合材料。在油磨條件下研究不同納米金剛石含量對于復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響,并對油磨過程中復(fù)合材料的磨損機(jī)理進(jìn)行了探討。2.實驗方法實驗所用的初始原料為平均晶粒尺寸為40 µm的電解銅粉和粒徑為5-10 nm的納米金剛石粉。銅粉和納米金剛石的形貌如圖1所示。采用機(jī)械球磨的方法將納米金剛石粉和銅粉混合均勻。將混合粉放入100 ml的球磨罐中并放入直徑為10 mm的瑪瑙球,球料比為9:10。納米金剛石的質(zhì)量百分含量從0到3%。將球磨罐放入行星式球磨機(jī)中轉(zhuǎn)速為1000 rpm保持10 h。在油壓機(jī)用370 MPa的壓力將混合粉末

4、壓制成型保壓2 min。用管式燒結(jié)爐對壓坯進(jìn)行燒結(jié),在H2保護(hù)氣氛下加熱到1000保溫100 min。然后在室溫下對燒結(jié)后試樣在700 Mpa下進(jìn)行復(fù)壓,之后對所得試樣進(jìn)行性能測試。采用光學(xué)顯微鏡及透射電子顯微鏡(TEM對納米金剛石/銅基復(fù)合材料的微觀組織進(jìn)行表征。在顯微硬度儀器上對試樣的硬度進(jìn)行測試,載荷為100 g保壓10 s。利用MM200型磨損試驗機(jī)上對試樣進(jìn)行油磨試驗,對磨材料為GCr15軸承鋼,轉(zhuǎn)速為0.52m/s,時間為1 h,所加載荷分別為500 N和1000 N。滴油速率為40-50 滴每分鐘。利用JSM-6700F 型掃描電子顯微鏡(SEM對磨損表面進(jìn)行觀察。1本課題得到天

5、津市自然科學(xué)基金(項目編號:05YFJZJC01900的資助。 圖1 銅粉(a和納米金剛石(b 的形貌Fig.1. Morphologies of (a copper and (b ND powders.3.結(jié)果與討論3.1納米金剛石/銅基復(fù)合材料的微觀組織,密度和硬度 圖2 納米金剛石/銅基復(fù)合材料的光學(xué)組織圖片:(a純銅 (b 0.5 wt.% ND, (c 1 wt. % ND and (d 3 wt.% ND 。Fig.2. Optical micrographs of ND/Cu composites: (a pure copper,(b 0.5 wt.% ND, (c 1 wt.

6、% ND and (d 3 wt.% ND.圖2為具有不同納米金剛石含量的銅基復(fù)合材料的顯微組織圖片。從圖2(b (c 中可以觀察到納米金剛石均勻的分散到銅基體中。但當(dāng)納米金剛石含量達(dá)到3%時,與純銅(圖2(a 相比,可以在基體中明顯觀察到金剛石的團(tuán)聚現(xiàn)象。這是由于當(dāng)納米金剛石含量超過1%時,球磨過程中很難將納米金剛石的團(tuán)聚體破碎,以至于球磨后大量的金剛石團(tuán)聚體聚集在銅顆粒的表面,如圖3所示。因此,在粉體經(jīng)過燒結(jié)成型后可以觀察到 金剛石團(tuán)聚體分布在銅顆粒周圍。圖4為金剛石含量0.5%的復(fù)合材料的TEM 圖片及其EDS 分析。由圖發(fā)現(xiàn)納米金剛石顆粒均勻的嵌入到銅基體中。圖5為不同納米金剛石含量的

7、復(fù)合材料的相對密度曲線。隨著納米金剛石含量的增加,復(fù)合材料的密度逐漸降低。當(dāng)納米金剛石質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過2%時,復(fù)合材料的相對密度低于90%。圖6為不同納米金剛石含量的復(fù)合材料的顯微硬度曲線。隨著納米金剛石含量的增加,納米金剛石的硬度明顯提高。金剛石含量為3%時,復(fù)合材料的顯微硬度達(dá)到130。 圖3 球磨后混合粉(3%ND 的SEM 圖片F(xiàn)ig.3. SEM micrograph of mixed powder (3 wt.% ND after ball-milling at 1000rpm for 10h. 圖4 0.5wt.% ND/Cu 復(fù)合材料的TEM 圖片及其EDS 分析Fig.4. TE

8、M micrograph of the 0.5wt.% ND/Cu composite and EDS analysis of the ND particleND 圖5 不同納米金剛石含量的銅基復(fù)合材料的相對密度曲線 Fig.5. Relative density of Cu composite with various ND content. 圖6不同納米金剛石含量的銅基復(fù)合材料的硬度曲線 Fig.6. Microhardness of Cu composite with various ND content.0.00.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0809010011012013

9、0V i c k e r s h a r d n e s sND content /wt.% 3.2納米金剛石/銅基復(fù)合材料的摩擦磨損性能研究 圖7 不同納米金剛石含量對銅基復(fù)合材料摩擦系數(shù)的影響Fig.7. Effect of weight fraction of ND on the friction coefficient of Cu composite. 圖8不同納米金剛石含量對銅基復(fù)合材料磨損體積的影響Fig.8. Effect of weight fraction of ND on the volume loss of Cu composite.圖7顯示了在油磨試驗中不同納米金剛石含

10、量對于復(fù)合材料摩擦系數(shù)的影響。隨著納米金剛石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,復(fù)合材料的摩擦系數(shù)顯著降低。對于載荷為500 N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的復(fù)合材料的摩擦系數(shù)僅為0.01,只相當(dāng)于純銅(摩擦系數(shù)為0.045的20%。此外,當(dāng)載荷從500 N 增加到1000 N 時,復(fù)合材料的摩擦系數(shù)明顯提高。由圖8可以發(fā)現(xiàn)隨著納米金剛石含量的增加,復(fù)合材料的磨損量明顯降低。這表明在有潤滑的條件下,納米金剛石的加入能夠明顯提高銅基復(fù)合材料的抗磨損性能。圖9為分別在500 N 和1000 N 載荷下純銅及復(fù)合材料的磨損表面的SEM 圖片。在純0.00.51.01.52.02.53.00.010.020.030.040.050.

11、060.070.080.09F r i c t i o n c o e f f i c i e n tND content /wt.%0.00.51.01.52.02.53.00.10.20.30.40.50.60.7V o l u m e L o s s (m m 3ND content /wt.% 銅的表面可以明顯的觀察到較深的磨痕犁溝，如圖 9（a）（b）所示。隨著納米金剛石含 量的增加，復(fù)合材料磨損表面的磨痕逐漸變淺，如圖 9（c）（d）所示。由圖 9（e）（f） 可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)納米金剛石含量達(dá)到 3%時，磨損表面的犁痕基本消失并且變得相對平滑。 以上結(jié)果表明，與純銅相比，含有納米金剛石

12、顆粒的銅基復(fù)合材料顯示出良好的耐摩 擦磨損性能。其主要原因在于，在滑動磨損過程中，由于納米金剛石的高硬度使其在滑動 接觸面上具有良好的承載能力。隨著納米金剛石含量的增加，金剛石的承載能力增強(qiáng)。在 巨大的正壓力下，納米金剛石的團(tuán)聚體被破碎并且納米粒子被擠入銅基體的空隙中。結(jié)果 在復(fù)合材料的表面形成了一層納米尺寸厚度的薄膜。這種硬膜的形成能夠有效的降低基體 的摩擦磨損。而且隨著納米金剛石含量的增加，使得這層超硬膜具有較好的連續(xù)性和均勻 性。此外，由于潤滑油的存在降低了摩擦面之間劇烈的沖擊及接觸面的溫度，從而很好的 保護(hù)了這層超硬膜。換而言之，在油潤滑的條件下有利于納米金剛石耐磨性的發(fā)揮。因此， 在

13、油磨條件下，隨著金剛石含量的增加，銅基復(fù)合材料的摩擦磨損性能得到明顯提高。 4. 結(jié)論 1.采用粉末冶金法制備了不同金剛石含量的銅基復(fù)合材料。納米金剛石均勻的彌散分 布在銅基體中； 2.隨著納米金剛石含量的增加，復(fù)合材料的顯微硬度明顯提高； 3.油磨試驗表明隨著納米金剛石含量的增加，銅基復(fù)合材料的摩擦磨損性能得到明顯 改善。在油潤滑的條件下有利于納米金剛石耐磨性的發(fā)揮。 -6- (a (b (c (d (e (f 圖 9 復(fù)合材料的磨損表面：(a 純銅-500N, (b 純銅-1000N, (c 1% ND-500N, (d 1% ND-1000N, (e 3% ND-500N and (f

14、3% ND-1000N。 Fig.9. Wear surface of Cu composite: (a pure copper at 500N, (b pure copper at 1000N, (c 1% ND at 500N, (d 1% ND at 1000N, (e 3% ND at 500N and (f 3% ND at 1000N. -7- 參考文獻(xiàn) 1 H. Makita. Ultrahigh particle density seeding with nanocrystal diamond particles J. New diamond, 1996, 12: 8-13.

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19、unsheng, Qiao Zhijun School of Materials Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin (300072 Abstract Nanodiamond (ND exhibits excellent lubrication and good wear resistance properties. In the present study, ND dispersed copper composites were fabricated by powder metallurgy method. The microstructures an