CNTs／AZ91復合材料的摩擦磨損性能

吳俊斌，曾效舒，羅 雷，袁秋紅

（南昌大學機電工程學院，南昌 330031）

0 引 言

與傳統金屬材料相比，金屬基復合材料的比強度和比模量更高，且具有耐熱性能好、熱膨脹系數低、尺寸穩定性高等特點［1－2］，能夠滿足工業對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增強相而制得的復合材料，具有優異的力學性能以及導電、導熱、耐腐蝕、耐磨損、耐高溫和抗氧化等性能［3－4］。AZ91鎂合金廣泛應用于汽車和航天工業，具有密度小、比強度和比剛度高、耐腐蝕、吸震、防電磁干擾能力強、易加工等優異的性能，但其在較低載荷下就會發生嚴重的磨損，在干摩擦和潤滑條件下的抗咬合能力均很差［5］，這嚴重制約了它的應用。碳納米管（CNTs）的長徑比較大，具有優異的力學性能、熱穩定性能以及良好的潤滑性能［6］，成為改善金屬材料性能最理想的納米級增強相之一。姜金龍等［7－8］的研究表明，CNTs具有良好的自潤滑和增強作用，CNTs增強金屬基復合材料的摩擦因數和磨損率均隨CNTs體積分數的增大而減小。目前，對于CNTs／鎂合金復合材料的研究主要集中在材料設計及其力學性能等方面［9－10］，有關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合的方法制備了CNTs增強AZ91鎂合金復合材料（CNTs／AZ91復合材料），研究其在干滑動條件下的摩擦磨損性能，分析了CNTs含量對復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行了對比。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗原料為市售鎂粉（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有限公司（采用化學氣相沉積法制備），其純度在95%以上，管直徑為10～50nm，長度為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合粉體；隨后將復合粉體放入模具中以120MPa的壓力冷壓成型，再于600℃在氬氣保護爐中燒結2h；將燒結后的坯料預熱至400℃并保溫1h，然后采用HM035－200型熱擠壓機在350℃下擠壓得φ10mm的棒材，擠壓速度為0.3mm·s－1，擠壓比為16∶1。復合材料中CNTs的質量分數分別為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 試驗方法

采用MH－50型顯微硬度測試儀測基體合金及復合材料的維氏硬度，試驗載荷0.98N，加載時間15s；根據阿基米德原理測復合材料的密度，根據式（1）計算復合材料的理論密度［11］，然后將測量密度與理論密度相除即可得相對密度。

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

摩擦磨損試驗在MMD－1型多功能摩擦磨損試驗機上進行，采用銷盤接觸式摩擦，試驗在室溫、無潤滑條件下進行。銷試樣采用線切割加工而成，尺寸為φ4mm×12mm，其表面經打磨、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。試驗參數：法向載荷分別為2，10，50N，主軸轉速為120r·min－1，摩擦時間設定為10min。通過讀取試驗機給出的摩擦力矩求得摩擦因數，然后將它們的算術平均值作為復合材料的摩擦因數。

采用電子天平（精度為0.1mg）稱量銷試樣磨損前后的質量，并計算磨損量；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 試驗結果與討論

2.1 密度與硬度

由表1可知，AZ91鎂合金基體和復合材料的相對密度都超過了98%，所有試樣的顯微硬度均超過100HV，遠超過了鑄造AZ91鎂合金的顯微硬度。復合材料硬度的提高是因為熱擠壓變形使得大晶粒破碎，起到了細晶強化作用，加之CNTs的存在能夠阻礙位錯運動，限制基體的局部變形和滑移，從而使復合材料的硬度得以提高［12］。隨著CNTs的質量分數增加，復合材料的顯微硬度先增大后減小，并在CNTs質量分數為3%時達到最大，為127.14HV，比基體合金的提高了18.96%；隨著CNTs的質量分數進一步增加，CNTs易在基體中發生團聚，團聚的CNTs不但不能起到增強作用，反而會成為缺陷，導致復合材料的硬度下降［13］。

表1 AZ91鎂合金基體和復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

圖1 復合材料摩擦因數與CNTs質量分數的關系曲線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質量分數增加，復合材料的摩擦因數逐漸減??；當CNTs的質量分數超過3%后，摩擦因數下降的幅度降低。這是因為，在摩擦過程中，具有自潤滑作用的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，從而降低了復合材料的摩擦因數。此外，復合材料的磨損面在摩擦過程中可能會形成一層起潤滑作用的碳膜，這也有利于摩擦因數的降低［14］。所以，隨著CNTs質量分數增加，摩擦因數越來越小。但當CNTs的質量分數超過3%時，因部分CNTs發生團聚，導致潤滑效果下降，故而摩擦因數下降的幅度有所降低。

從圖1中還可看出，在CNTs質量分數相同的情況下，隨著載荷增大，復合材料的摩擦因數逐漸減小。這是因為隨著載荷增大，犁耕阻力增大，導致更多的CNTs被破碎和拔出，提高了碳膜的潤滑效率，故而摩擦因數減小。

2.2.2 磨損量

由圖2可知，在載荷相同的條件下，隨著CNTs質量分數增加，復合材料的磨損量呈減小的趨勢。當載荷為2N時，AZ91鎂合金基體（CNTs質量分數為0時）的磨損量為4.7mg，1%CNTs／AZ91和3%CNTs／AZ91復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CNTs的質量分數為5%時，復合材料磨損量的變化不大，相比于3%CNTs／AZ91只減小了0.1mg。當載荷為10N時，復合材料磨損量的變化趨勢與載荷為2N時的一致。當載荷為50N時，復合材料的磨損量低于AZ91鎂合金基體的，且遠高于2N和10N截荷下的；隨著CNTs質量分數增加，復合材料的磨損量逐漸降低，但當CNTs的質量分數超過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鎂合金基體和復合材料的磨損量均增大。這是因為高載荷下摩擦副對材料的犁削作用更明顯，更多的材料被犁耕下來。

圖2 復合材料磨損量和CNTs質量分數的關系曲線Fig.2 Wear mass loss vs mass fraction of CNTs for composites

CNTs作為增強相具有提高基體力學性能的作用［8］，隨著CNTs質量分數增加，復合材料的硬度增大。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，導致其磨損量很大。加入CNTs后，復合材料的硬度增大，能夠有效降低摩擦副對基體材料的犁削作用；同時由于CNTs的自潤滑作用，復合材料的摩擦因數也降低，這兩方面因素的共同作用使得復合材料的磨損量下降。此外，隨著CNTs質量分數增加，CNTs在復合材料中的面積比增加，這將進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明顯的溝槽，犁溝也比較淺，剝落現象亦不明顯，磨損表面的磨屑主要為顆粒狀，并存在少量片層狀；當載荷增大至50N時，磨損表面存在很大的片層狀磨屑剝落，犁溝較寬且深，表面出現了明顯的塑性變形，這是疲勞磨損的結果。復合材料的磨損表面也呈現出相似的變化趨勢（圖略），即：增大載荷會加劇材料表面的磨損程度。這是因為在高載荷下，磨損表面會發生較大的塑性變形，片層狀磨屑在摩擦副的擠壓作用下變為游離顆粒，這些顆粒在摩擦過程中繼續引發摩擦表面變形，加速磨損，此時開始出現磨粒磨損。

由圖4（a）可以看出，1%CNTs／AZ91復合材料在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。這可能是在對磨過程中，盤試樣和復合材料表面之間產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復合材料的磨損表面趨于光滑，犁溝相對較淺，并且比較窄，犁削程度減弱。這是因為，CNTs具有潤滑和提高材料力學性能的作用，隨著摩擦的進行，CNTs被拔出并附著在復合材料表面，使摩擦副與復合材料直接接觸的面積減少；加之復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，因此復合材料的摩擦表面變得相對光滑，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質量分數增加，復合材料內部的結合力增大，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，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合材料的直接接觸，在降低摩擦因數和磨損量的同時還可以有效改善磨損形貌。

從圖4（c）可以看出，當復合材料中CNTs的質量分數為5%時，CNTs對磨損形貌的改善作用已經不大。這可能是因為部分CNTs在材料中發生了團聚，影響了其性能的發揮。

由圖5（a）可見，3%CNTs／AZ91復合材料在50N載荷下磨損后，一部分CNTs被壓碎或磨損，在燒結時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展和表層磨屑的剝落，從而提高了復合材料的耐磨性能。CNTs的抗裂紋擴展能力也是其增強作用的一個重要體現。

3%CNTs／AZ91復合材料在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 論

（1）在干滑動條件下，隨著CNTs質量分數和載荷增加，復合材料的摩擦因數逐漸降低。

（2）在CNTs質量分數相同的條件下，隨著載荷增加，復合材料的磨損量增大；在相同的載荷條件下，隨著CNTs質量分數增加，復合材料的磨損量逐漸減小，這是因為具有良好自潤滑和增強作用的CNTs降低了復合材料磨損面的塑性變形程度。

（3）AZ91鎂合金的磨損機制為疲勞磨損和磨粒磨損；當CNTs的質量分數較低（1%）時，復合材料的磨損機制為輕微的粘著磨損和磨粒磨損，當CNTs的質量分數較高時（3%，5%），復合材料的磨損機制以磨粒磨損為主。

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