Zn-Cr2AlC復合材料的制備與摩擦磨損性能

李志， 趙文月， 繆奶華

(北京航空航天大學 材料科學與工程學院， 北京 100083)

鋅合金具有優良的機械性能、摩擦學性能、優異的鑄造性及環境友好等優點[1-6]，可以代替鑄造鋁合金、軸承青銅、鑄鐵、塑料甚至鋼材等，用于制造在中等使用溫度條件下操作的摩擦元件。而鋅合金存在熔點較低、耐熱性較差和抗蠕變強度低等問題[7-8]，使其應用范圍受限。因此研究人員采用不同的增強材料(顆粒、晶須或短纖維)，以期獲得更強的機械性能和摩擦學性能。傳統的增強相陶瓷顆粒與基體之間的界面結合性較差、熱膨脹系數差異較大，使得其性能仍然不太理想。最近，兼具金屬與陶瓷優異特性的三元層狀化合物MAX(Mn+1AXn的縮寫，其中M代表過渡族金屬元素，A代表第三和第四主族元素，X代表C和/或N，n=1，2，3)相[9-11]增強相的使用，可有效提高金屬基復合材料的性能。Gupta等[12]用熱壓法制備了Ti3SiC2增強Zn基復合材料，結果表明，在基體中添加一定量的Ti3SiC2顆粒可提升材料的摩擦磨損性能，但對力學性能幾乎沒有增益效果；Li等[13]利用無壓燒結結合熱壓燒結的方法制備了Ti3AlC2/ZA27復合材料，實驗得到材料的拉伸強度和彎曲強度分別為335 MPa和570 MPa，力學性能明顯改善，這得益于增強相顆粒與基體之間的良好界面結合以及晶粒的細化。Cr2AlC[14-15]與MAX相[9]體系其他常用作增強相的化合物都具有相近的彈性模量和硬度值，但Cr2AlC的熱膨脹系數更大，與Zn更匹配，因此Cr2AlC可能更適合作為Zn基復合材料的增強相。

本實驗首先采用無壓燒結法合成了高純的Cr2AlC粉末，然后采用熱壓燒結法合成了Zn-Cr2AlC復合材料，并表征了復合材料的基本物理性能，進一步研究了Cr2AlC顆粒的含量對Zn-Cr2AlC復合材料的摩擦磨損性能的影響。

1 實 驗

采用無壓燒結法合成高純Cr2AlC粉末，過篩后得到的粉末顆粒尺寸不超過38 μm。用X射線衍射儀(XRD)進行物相檢測并進行定量分析，得到的Cr2AlC粉末純度大于98%。購買得到的Zn粉顆粒尺寸小于38 μm，純度大于99.9%。

在Zn粉中加入不同比例的Cr2AlC粉末，增強相質量分數在5%～30%之間變化(分別記為Zn-5%Cr2AlC、Zn-10%Cr2AlC、Zn-20%Cr2AlC、Zn-30%Cr2AlC)，用球磨機充分混合12 h后得到混合均勻的Zn-Cr2AlC復合粉末。將粉末分別裝進石墨模具中，在氬氣氣氛保護下，以10℃/min的升溫速率升至400℃，施加50 MPa壓力，保溫3 h，卸載壓力，停止加熱，隨爐冷卻至室溫。為了對比材料性能的變化，在相同實驗條件下制備了純Zn樣品。

制備的純Zn和復合材料塊狀樣品，用阿基米德排水法測量其密度，用型號為D/MAX-2500的XRD分析材料的物相，用LEICA DM400光學顯微鏡觀察材料的金相組織，用FM800顯微維氏硬度計測量硬度。用UMT-2摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損實驗。選用45#鋼鋼球為對磨體，摩擦方式為球-塊式往復運動摩擦。在室溫下進行干摩擦試驗，滑塊運動頻率5 Hz，振幅4 mm，載荷1 N，滑動時間20 min。相同條件下的樣品重復3次實驗。磨損率計算式為

(1)

式中：WR為材料的磨損率；mi為樣品的初始質量；mf為樣品磨損后的質量；ρ為樣品的實際密度；N為實驗加載載荷；d為實驗過程中的滑動距離。研究Cr2AlC含量對復合材料摩擦磨損性能的影響，用JSM7500掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨損后的材料表面形貌。

2 結果與分析

2.1 物相與金相

圖1為純Zn和復合材料樣品的XRD圖譜，可以發現，除了基體Zn和增強相Cr2AlC的衍射峰之外，沒有檢測到任何其他物質的衍射峰，表明復合材料在制備過程中未發生氧化，并且基體Zn與增強相Cr2AlC之間沒有相互反應。

純Zn和復合材料的金相組織照片如圖2所示。從圖2(a)可以看出純Zn樣品中分布有一些小氣孔。當Cr2AlC質量分數為5%和10%時(見圖2(b)和2(c))，基體與增強相界面接合良好，兩相分布也較為均勻，增強相Cr2AlC顆粒大小約為30 μm，仍有少量氣孔。而當Cr2AlC質量分數為20%時，如圖2(d)所示，Cr2AlC顆粒大量團聚，分布不均勻，同時在基體與增強顆粒界面處有孔洞存在。Cr2AlC含量繼續增長到30%，如圖2(e)所示，Cr2AlC顆粒團聚嚴重，兩相界面處存在大量的孔洞，使材料呈現為多孔的蓬松結構。

圖1 純Zn及復合材料的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of pure Zn and composites

圖2 純Zn及復合材料的金相組織Fig.2 Microstructures of pure Zn and composites

2.2 維氏硬度與相對密度

圖3為Zn-Cr2AlC復合材料的維氏硬度和相對密度隨Cr2AlC的質量分數變化的曲線。由圖3可見，當Cr2AlC的質量分數從5%增長到20%時，材料維氏硬度逐漸提高，最高可達到純Zn硬度的1.52倍；Cr2AlC質量分數為30%時，維氏硬度反而顯著降低。原因在于增強顆粒Cr2AlC的硬度大大高于基體Zn，由于增強效應，適量的Cr2AlC顆粒可使復合材料的維氏硬度明顯提高，而過量的Cr2AlC顆粒傾向于團聚，使兩相分布不均勻，影響了兩相間的結合，孔隙增多，故而材料的硬度值不升反降。此外，材料的相對密度隨增強相質量分數的增加而減小。一方面，Zn的熔點為419℃，在400℃下為固相燒結，此時材料的致密化方式主要為固態擴散[16]；另一方面，增強相質量分數越高，越容易團聚，會阻礙基體晶粒的晶界流動性，使材料致密化困難，導致復合材料的氣孔逐漸增多，相對密度逐漸下降。

圖3 純Zn及復合材料的硬度和相對密度Fig.3 Vickers-hardness and relative density of pure Zn and composites

2.3 摩擦磨損性能

圖4(a)～(e)給出了純Zn及復合材料的摩擦系數隨滑動時間的變化曲線。由圖4(a)可見，純Zn的摩擦系數約為0.75，在整個滑動摩擦過程中摩擦系數都比較穩定。由圖4(b)可見，復合材料Zn-5%Cr2AlC在摩擦運開始的前5～10 min內，其摩擦系數隨時間的變化幅度較大，為磨合階段；10 min后，過渡到穩定階段，材料的摩擦系數隨時間變化的曲線變得平滑，基本穩定在0.85左右。圖4(c)和4(d)顯示了與圖4(b)一樣的摩擦系數變化趨勢，最終Zn-10%Cr2AlC和Zn-20%Cr2AlC復合材料的摩擦系數分別穩定在0.70和0.65左右。由圖4(e)可見，當復合材料中Cr2AlC的質量分數達到30%時，其摩擦系數異常穩定，波動性極小，為0.15±0.02，比純Zn低80%。圖4(f)為各復合材料在穩定狀態下的摩擦系數。由圖4(f)可見，當Cr2AlC質量分數為5%～30%時，隨著Cr2AlC的質量分數的上升，復合材料的摩擦系數呈下降趨勢。Zn基體中添加Cr2AlC顆粒對復合材料的摩擦磨損性能是有利的。特別是對于Zn-30%Cr2AlC復合材料，其摩擦系數降到了0.15。這是由于Cr2AlC的高含量導致復合材料難以致密化，材料表面氣孔較多，而復合材料與磨球之間的接觸形式是點接觸，樣品的多孔結構使材料的摩擦系數急劇下降。因此，增強相Cr2AlC顆粒的引入，降低了復合材料的摩擦系數，增強了材料的耐磨性。

復合材料的磨損率隨Cr2AlC質量分數變化關系如圖5所示。純Zn的磨損率為9.61×10-4mm3·N-1·m-1，隨著Cr2AlC質量分數的增加，復合材料的磨損率逐漸降低，Zn-30%Cr2AlC

圖4 摩擦系數隨滑動時間的變化Fig.4 Friction coefficient versus sliding time

的磨損率最小，為1.87×10-4mm3·N-1·m-1，比純Zn降低了80.54%。本實驗所測試的復合材料試樣磨損率的范圍為(2～9)×10-4mm3·N-1·m-1。該結果與Gupta等[12]研究的Ti3SiC2顆粒增強Zn基復合材料得到的結果類似。

圖6(a)～(e)為復合材料的磨損表面形貌照片。由圖6(a)可見，純Zn樣品磨損表面有粉末碎屑和剝離凹坑。由圖6(b)可見，復合材料Zn-5%Cr2AlC中，Cr2AlC含量較低，磨損表面存在松散的磨料碎片和大片脫層，可認為磨損類型是磨料磨損和剝層磨損。由圖6(c)可見，Zn-10%Cr2AlC復合材料磨損表面存在淺的犁溝和薄的脫層而沒有剝離凹坑。由圖6(d)可見，Zn-20%Cr2AlC復合材料磨損表面相對平滑，分布著淺而直的犁溝，磨損程度比其他樣品輕。這種磨損表面形貌的演變現象，是引入了具有自潤滑性質的Cr2AlC顆粒導致的。由圖6(e)可見，Zn-30%Cr2AlC復合材料，由于多孔特征，在磨損過程中脫落的磨料填充于孔隙中，使得樣品的磨損表面非常光滑，這種磨損形貌在Al-Ti3SiC2復合材料相對于Al2O3的干摩擦實驗中也可觀察到[17]。結合Gupta和Barsoum[18]研究基于MAX相復合材料的摩擦學結論，分析本實驗中樣品磨損表面的特性，可以得出復合材料樣品的磨損機制是磨粒磨損和剝層磨損。

圖5 純Zn及復合材料的磨損率Fig.5 Wear rates of pure Zn and composites

圖6 純Zn及復合材料的磨損表面形貌Fig.6 Worn surface morphology of pure Zn and composites

3 結 論

本文采用無壓燒結合成了高純Cr2AlC粉末，采用熱壓燒結法制備了Zn-Cr2AlC復合材料，研究了Cr2AlC顆粒的加入量對復合材料的金相組織、維氏硬度及摩擦磨損性能等的影響，可得出以下結論：

1) Cr2AlC質量分數在5%～20%范圍內，復合材料的硬度隨Cr2AlC質量分數增加而提高，當Cr2AlC質量分數過高(30%)時，復合材料難以致密化，硬度值不升反降。

2) 在Zn基體中添加Cr2AlC顆粒，摩擦系數由純Zn的0.75降低到Zn-20%Cr2AlC復合材料的0.65；磨損率由純Zn的9.61×10-4mm3·N-1·m-1降低到Zn-30%Cr2AlC復合材料的1.87×10-4mm3·N-1·m-1，復合材料的摩擦磨損性能明顯提升。

3) 復合材料在干摩擦實驗條件下的磨損機制以磨粒磨損為主，并有輕微的剝層磨損。

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