GNPs含量對Al-Si-Cu合金的摩擦磨損性能的影響

潘緒全,徐 冬,張 波,宋寶成

(江蘇安全技術職業學院 機械工程學院,江蘇 徐州 221000)

Al-Si-Cu系列鋁合金材料因其固有的高比強度、卓越的流動性、熱膨脹系數和收縮率低等優點,已經被廣泛的應用到了汽車發動機缸體和汽車傳動零部件上[1-3]。然而在鑄造Al-Si-Cu鋁合金組織中一些粗大的組織會惡化合金的力學性能,進而使得合金的耐磨性不佳,這也就在很大程度上限制了鋁合金的應用領域[4-5]。既然單純的鋁合金不能滿足現代工業需求,那么制備性能優異的鋁基復合材料就成了時代的主題了。大量的研究表明石墨烯作為一種二維納米碳材料,因其具有高強度、高彈性模量、良好的導電和導熱性以及自潤滑效應等優點而被廣泛的應用于鋁基復合材料中[6-8]。Li 等[9]通過連續鑄造和軋制技術制備了Al-GNPs鋁基復合材料,實驗結果表明,0.2 wt.%GNPs-Al的抗拉強度比相同條件下制備的純Al基體的抗拉強度提高了36.8%,這主要是因GNPs的層狀結構和載荷傳遞引起的效果。班盛林[10]等人利用粉末冶金的辦法制備了石墨烯/Al-18Si-3Cu-Mg復合材料,研究了石墨烯含量對復合材料的組織及磨損性能的影響。實驗結果表明:隨著石墨烯含量的增加,復合材料的硬度表現出先提高后降低的趨勢,當其含量為0.5%時,材料的硬度和摩擦系數均達到最佳分別為84.8 HB和0.48,摩擦系數比基體材料降低了28%。Alok Bhadauria[11]通過放電等離子燒結的方法制備了Al-GNPs復合材料,研究表明,當GNPs的添加量為0.5 wt.%時,復合材料的屈服強度與基體材料相比提高了98%,當GNPs的添加量達到1.0 wt.%時,GNPs出現了明顯團聚的現象而弱化了增強效果,因而使得復合材料的強度有所降低。然而石墨烯納米增強相對鑄造Al-Si-Cu鋁合金的摩擦磨損性能的影響的詳細報道甚少。

本文通過冷壓的方式制備了Al-GNPs中間預制塊,然后將中間預制塊添加入熔體Al-Si-Cu合金中,成功制備了含量不同的GNPs/Al-Si-Cu鋁基復合材料,探究了GNPs含量對Al-Si-Cu合金的干滑動摩擦磨損性能的影響,旨在為石墨烯在鋁基復合材料領域中的開發和應用探索出可行的技術。

1 實 驗

1.1 材 料

基體材料選用Al-Si-Cu系列鋁合金,由上海宣晟金屬制品有限公司提供,其化學成分如表1所示。

表1 Al-Si-Cu 合金的化學成分 (質量分數, %)

實驗選用的鋁粉為河南省遠洋鋁業有限公司生產的高純鋁粉,純度≥99%,粒度為50～150 μm,其形貌如圖1(a)所示。實驗采用的增強體是深圳市百通達科技有限公司生產的石墨烯納米片(Graphene Nanoplatelets,簡稱GNPs)。該公司制備的石墨烯納米片厚度在5～15 nm,納米片大小在3～12 μm之間。其掃描電鏡形貌如圖1(b)所示,石墨烯納米片呈褶皺片狀、平面蜂窩膜狀。

圖1 鋁粉與石墨烯納米片的掃描電子顯微鏡形貌

1.2 實驗方法

按照GNPs占Al粉和GNPs混合料的體積分數6%的比例放入石墨球磨罐中,在行星球磨機上進行混合均勻,球料比為10∶1,球磨時間是3 h,球磨速率是300 r/min。球磨之后的混合粉末在冷壓機下被壓鑄成Φ50 mm的圓柱形Al-GNPs中間預制塊。將稱量的Al-Si-Cu合金放入剛玉坩堝中,把坩堝放入電阻爐內加熱至750 ℃,隨后保溫15 min,再往坩堝中分批加入備用的Al-GNPs中間預制塊,加入Al-GNPs的同時施加高能超聲振動,其中超聲功率為2 kW,超聲頻率為20 kHz,超聲時間為15 min。超聲完后迅速澆鑄至已經預熱的鋼型模具中,待樣品冷卻后取出鑄件,在整個熔煉實驗過程中充入氬氣予以保護。將制備的基體材料和GNPs/Al-Si-Cu復合材料進行研磨和拋光,0.5%HF腐蝕、蒸餾水和酒精沖洗后烘干。采用光學顯微鏡(OM, DM4000M型)觀測試樣顯微組織形貌,并且利用D8ADVANCE型X射線衍射分析儀分析復合材料的相成分。在顯微硬度計(HXD-1000TM型)上對材料的顯微硬度進行測試,載荷為0.25 kg,保壓時間為10 s。

本實驗利用BRUKERUMT-2型銷盤式摩擦磨損試驗機對鑄造0 vol.%, 6 vol.%,12 vol.%,20 vol.%GNPs/Al-Si-Cu鋁基復合材料進行摩擦磨損測試,探究GNPs含量對Al-Si-Cu合金的干滑動摩擦磨損性能的影響。在實驗之前,把試樣切削成表面尺寸是Ф5 mm×15 mm的試樣,再用SiC砂紙對試樣和磨盤進行打磨拋光,其中摩副是硬度為55 HRC的GCr15軸承鋼盤,摩擦頻率為4 Hz,在實驗前后均把試樣放入裝有丙酮溶液的超聲波清洗儀中超聲處理10 min,然后在BRUKERUMT-2型摩擦磨損機上進行試驗,摩擦力為30 N,滑動轉速為0.35 m/s,摩擦測試時間為600 s。在實驗前后均用電子天平稱量試樣的質量(天平的精確度為0.1 mg),為計算試樣的磨損率提供依據。通過公式(1)可得試樣的磨損率[12]:

W=Δm/ρL

(1)

式中:W——磨損率,mm3/m;

Δm——質量損失值,g;

ρ——材料的密度,g/cm3;

L——摩擦總距離,m。

摩擦系數直接來源于摩擦磨損試驗機上。

2 實驗結果與討論

2.1 微觀組織分析

如圖2所示為Al-Si-Cu合金和12 vol.%GNPs/Al-Si-Cu復合材料的金相組織、復合材料的SEM形貌及能譜圖。從圖2(a)中可以清楚的看到Al-Si-Cu鋁合金中主要由α-Al基體、雜亂無序的塊狀和長條狀硅相組成。圖2(b)為GNPs/Al-Si-Cu復合材料,在添加了12 vol.%含量的GNPs之后復合材料的組織中出現了大量黑色的相顆粒富集在硅相周圍,復合材料中粗大的長條狀共晶硅相得到了明顯的細化,塊狀和長條狀變成短棒狀,短棒狀的硅相可以有效的避免應力集中,可以提高材料的力學性能。根據SEM形貌及點A的能譜分析可知黑色的相即為GNPs,灰白色的點B是基體材料中的硅相。

圖2 Al-Si-Cu合金和12 vol.%GNPs/Al-Si-Cu復合材料的微觀組織及復合材料的SEM形貌和EDS能譜分析

2.2 維氏硬度分析

如圖3所示為不同GNPs含量的Al-Si-Cu鋁基復合材料的維氏硬度,Al-Si-Cu基體合金的硬度為92.2 HV,隨著GNPs的添加,復合材料的硬度呈現出先逐漸上升然后降低的趨勢。當GNPs的含量為12 vol.%時,復合材料的硬度達到了最高為120.6 HV,與基體合金相比提高了30.8%。但是當GNPs含量為20 vol.%時,復合材料的硬度為101.4 HV,出現明顯的降低的趨勢,這應該是歸結于GNPs在基體合金中的含量過多而導致團聚的情況,團聚的GNPs成為應力集中和裂紋擴展處,以至于復合材料的維氏硬度下降。

圖3 不同GNPs含量的Al-Si-Cu鋁基復合材料的顯微硬度

2.3 摩擦磨損性能分析

如圖4所示為不同含量GNPs/Al-Si-Cu復合材料的磨損率和平均摩擦系數。如圖4(a)所示,材料的磨損率的柱狀圖中可以觀察到隨著GNPs含量的逐漸增加,GNPs/Al-Si-Cu復合材料的磨損率逐漸減小到最小值然后再升高。Al-Si-Cu合金的磨損率為33.8×10-3mm3/m,磨損程度較重。添加6 vol.%含量的GNPs之后,復合材料的磨損率開始減小,為29.13×10-3mm3/m,這也充分說明了GNPs的添加對復合材料的耐磨性有提高。當GNPs含量為12 vol.%時,復合材料的磨損率達到最低,僅為21.27×10-3mm3/m,相比于基體合金的磨損率而言,此時材料的磨損率降低了37.07%,復合材料表現出較為優異的磨損特性。因為在試樣摩擦表面形成了碳基保護潤滑膜,能夠減小試樣與摩擦副的接觸,進而減小材料的磨損量[13]。但是當GNPs的含量高達20 vol.%時,材料的磨損率急劇上升,甚至高于基體合金的磨損率,由此可知過量的GNPs不僅會降低材料的硬度也會惡化材料的耐磨性能。圖4(b)為材料的平均摩擦系數曲線圖,從圖中可知復合材料的摩擦系數都是要低于基體合金的。隨著GNPs含量的增多,材料的摩擦系數從基體合金的0.425下降至12 vol.%GNPs/Al-Si-Cu復合材料的0.358,與基體合金的摩擦系數相比降低了較多。當GNPs的含量達到20 vol.%時,復合材料的摩擦系數出現了明顯的上升,數值為0.417。

圖4 不同含量GNPs/Al-Si-Cu復合材料的磨損率和平均摩擦系數

圖5為不同含量GNPs/Al-Si-Cu復合材料的磨損表面形貌。可從圖5(a)的Al-Si-Cu合金的磨損表面看到磨面上出現了大面積深而寬的凹坑,分層現象明顯,而且在磨面上觀察到輕微的裂紋,這是典型的嚴重的剝層磨損的形貌,基體材料表現出較差的耐磨性。圖5(b)為6 vol.%GNPs/Al-Si-Cu復合材料的磨損表面,大區域的分層情況不見了,但是還是有明顯的較淺的凹坑,與基體材料相比,加入了GNPs之后的復合材料的磨面有所改善。圖5(c)為12 vol.%GNPs/Al-Si-Cu復合材料的磨損形貌,沿著滑動方向出現了成排的寬度、深淺不一的犁溝,犁溝的產生是由于殘留在摩擦副之間的細顆粒刮削作用下所形成的[14],在磨面上除了犁溝之外還有少量剝落之后留下的小凹坑,此時材料的磨損情況較輕,GNPs的添加極大的改善了材料的磨損特性,一方面是因為復合材料的強度和硬度的提高,另一方面是由于GNPs起到了自潤滑效應,分散均勻的GNPs因為剝離而富集在摩擦副表面,又因為摩擦力的存在,材料中的GNPs也被擠壓到表面而形成了一層石墨潤滑層,這樣就極大的降低了合金的磨損率和摩擦系數[15]。此時復合材料以磨粒磨損為主要磨損機理。如圖5(d)所示,20 vol.%GNPs/Al-Si-Cu復合材料的磨面又出現了大區域的凹坑和分層,說明此時復合材料的耐磨性能已經偏離了最佳磨損性能的階段了。因為GNPs的含量過多而導致其在基體中偏聚,降低了GNPs與鋁基體之間的界面結合特性,團聚的GNPs成為應力集中和裂紋擴展處,進而降低了材料的力學性能,從而使得復合材料的磨損特性的惡化[16]。

圖5 不同含量GNPs/Al-Si-Cu復合材料的磨損表面SEM圖

如圖6所示為Al-Si-Cu合金和12 vol.%GNPs/Al-Si-Cu復合材料的磨屑形貌圖。磨屑是摩擦磨損試驗過程中的產物,可以通過觀察磨屑的尺寸及形貌分析材料的磨損特性。圖6(a)為Al-Si-Cu基體的磨屑,磨屑尺寸較大,約在100 μm左右,主要是以長條狀和板塊狀的磨屑為主,表現出較差的耐磨性能,這主要是歸因于粗大的α-Al晶粒及Si相所導致的基體材料性能較差。圖6(b)為12 vol.%GNPs/Al-Si-Cu復合材料的磨屑,相比于基體材料的磨屑,尺寸明顯減小了許多,細小的磨屑主要是磨粒磨損剝落下來的,小尺寸板片狀的磨屑也說明了此時材料在磨損的過程中也存在輕微的剝層磨損的跡象。GNPs的加入對Al-Si-Cu合金的磨損性能有明顯的改善。

圖6 Al-Si-Cu合金和12 vol.%GNPs/Al-Si-Cu復合材料的磨屑形貌圖

3 結 論

(1) 通過熔融鑄造的方法成功制備了不同含量GNPs/Al-Si-Cu鋁基復合材料。隨著GNPs的含量的增加,復合材料的維氏硬度先提高后降低。當GNPs的含量為12 vol.%時,復合材料的硬度(120.6 HV)達到最高,與Al-Si-Cu基體(92.2 HV)相比,提高了30.8%。并且GNPs對基體中的Si相有明顯的細化作用,由未添加GNPs時的長條狀Si相變為短棒狀。

(2) GNPs/Al-Si-Cu鋁基復合材料中GNPs的含量分別為0 vol.%, 6 vol.%, 12 vol.%和20 vol.%,材料的磨損率和摩擦系數均呈現出先降低再升高的趨勢。當GNPs的含量達到12 vol.%時,復合材料的磨損率和摩擦系數均為最佳,分別為21.27×10-3mm3/m和0.358,與Al-Si-Cu基體合金相比分別降低了37.07%和15.76%,此時材料表現出較優異的耐磨性能。其中,Al-Si-Cu基體合金是以嚴重的剝層磨損為主要磨損機理,而12 vol.%GNPs/Al-Si-Cu復合材料是以磨粒磨損為主要磨損機理。