分享：AlN含量对 AlN/ZrＧCu复合材料性能的影响

徐金鹏１,张修庆１,徐金富２,浦海州１,顾良男１,薛玲华１

(１．华东理工大学机械与动力工程学院,上海 ２００２３７;２．宁波工程学院材料学院,宁波 ３１５０１６)

摘 要:以纯铜粉、锆粉、AlN 粉为原料,采用放电等离子烧结方法制备了 AlN/ZrＧCu复合材料,研究了 AlN 含量(１％~２０％,质量分数,下同)对该复合材料微观形貌、力学性能和摩擦磨损性能的影响,分析了其磨损机理.结果表明:细小的 AlN 颗粒在铜合金基体中呈弥散分布;当 AlN含量为１％~１５％时,复合材料较致密,当 AlN 含量增加到２０％时,其组织疏松;随着 AlN 含量的增加,复合材料的显微硬度和抗压强度都呈现出先增大后减小的变化趋势,摩擦因数和磨损量均先小后增大,磨损机理由黏着磨损向磨粒磨损、剥落磨损依次转变.

关键词:铜基复合材料;AlN;放电等离子烧结;摩擦磨损

中图分类号:TB３３１ 文献标志码:A 文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０３Ｇ００３９Ｇ０４

０ 引 言

铜不仅导热导电性好,而且具有很好的塑性,是一种优质的金属材料,但是在力学性能要求较高的应用场合下,由于其硬度、强度,以及耐磨性能偏低,应用受到限制.为了提高铜的综合性能,可以对其进行强化处理.目前铜的增强方法有很多,如固溶强化、细晶强化、形变强化、时效析出强化以及第二相强化等.向铜基体中加入能与铜基体混合均匀的第二相,不仅能够细化铜基体晶粒,而且细小的第二相还可以起到弥散强化的作用.由于第二相增强颗粒具有相对便宜、热稳定性高、耐磨性好等特点,将其以合适的方式添加到铜基体中,得到的铜基复合材料具有较高的强度、硬度和良好的耐磨性能,被广

泛应用到机械设备中的摩擦部件中[１－３],因此第二相颗粒增强方法也成为铜(合金)增强的重要方法之

一[４－５].

颗粒增强相的种类有很多,其中,AlN 具有熔点高、硬度大、热膨胀系数小的特点,是一种理想的增强材料.刘德宝等将铜和 AlN 粉混合冷压后烧结制备出 AlN 增强铜基复合材料,与纯铜相比其耐磨性明显增强[６].杜建华等通过粉末冶金的方法制

备出纳米 AlN 增强铜基复合材料,复合材料的耐磨性和耐热性比基体有了显著提高[７].Chmielewski等通过机械球磨制备出 AlN/Cu复合粉,然后通过合理控制烧结工艺制备出 AlN/Cu复合材料,该复合材 料 具 有 良 好 的 热 学 性 能[８].Gu 等 制 备 了AlN/Cu和 Al２O３/Cu 复 合 材 料,探 讨 了 AlN 和Al２O３ 纳米颗粒对复合材料性能的影响,结果表明,与 Al２O３ 颗粒相比,AlN 纳米颗粒的增强效果更加明显;他们还通过引入适量锆元素来提高 AlN 和铜的润湿 性,制 备 出 性 能 较 好 的 AlN/CuZr复 合 材料[９].将 AlN 和铜粉混合,冷压成坯,然后再真空烧结,制备得到的 AlN/Cu复合材料的硬度和耐磨性都得到了显著提高,但其组织疏松、密度较小,综合性能一般;而利用真空热压烧结方法制备的 AlN增强铜基复合材料的组织较为致密、摩擦性能优良,但是制备周期较长.由于常规制备方法或多或少存在着烧结压力不稳定、烧结周期长等问题,且制备的铜基复合材料的性能也一般,因此,AlN 增强铜基复合材料的应用受到制约.

为了给 AlN 增强铜基复合材料的制备提供参考,作者以铜粉、锆粉、AlN 粉为原料,采用放电等离子烧结方法制备了 AlN/ZrＧCu复合材料,研究了AlN 含量对该复合材料显微组织和性能的影响.

１ 试样制备与试验方法

试验材料主要有粒径不大于７４μm、纯度分别为９９．７％,９９．５％的铜粉和锆粉,粒径１μm、纯度为９９．９％的 AlN 粉,以及聚乙烯醇防黏剂.按锆质量分数为 １％,AlN 质量分数分别为 １％,５％,１０％,１５％,２０％进行配料,再外加少量聚乙烯醇后,倒入球磨罐在 QMＧ２SP２型行星式球磨机中球磨３０h,转速３２０r??min－１,球料质量比为２０∶１.球磨完成后,在 SPSＧ１０３０型放电等离子烧结炉中进行放电等离子烧结,温度为８００℃,压力为５０MPa,保温时间为１０min,得到 AlN/ZrＧCu复合材料.

在 AlN/ZrＧCu 复 合 材 料 上 制 备 出 尺 寸 为?１０mm×１２．５mm 的试样,经抛光处理,清水和酒精清洗吹干后,用稀酸和三氯化铁(１００mL H２O＋２０mLHCl＋５gFeCl３)的混合溶液对抛光表面腐蚀１０s,用清水和酒精清洗干净并吹干后,采用 ZEISSEVO MA１５型扫描电镜(SEM)观察其微观形貌.

根据 GB/T４３４０．１－２００９,采用 HXDＧ１０００TM 型显微硬度计测试抛光处理后试样的表面硬度,采用金刚石棱锥压头,压头夹角为１３６°,载荷为０．９８０７N,保压１５s,测５个位置取平均值.

根据 GB/T７３１４－２００５,在 SANSＧCMT５２０５型万能力学 试 验 机 上 进 行 压 缩 试 验,试 样 尺 寸 为?１０mm×１２．５mm,下压速度为２ mm??min－１,得到抗压强度.采用 MRHＧ３G 高速环块摩擦磨损试验机 进 行 摩 擦 磨 损 试 验,试 样 尺 寸 为 ９ mm×１２．３２mm×４mm,试验力为２０N,时间１８００s,转速为１２００r??min－１,测 得 摩 擦 因 数;用 精 度 为０．０１mg的电子天平,称量试样摩擦磨损前后的质量,两者之差即为磨损量;利用 ZEISSEVO MA１５型扫描电 镜 (SEM)观 察 试 样 摩 擦 磨 损 后 的 表 面形貌.

２ 试验结果与讨论

２．１ 微观形貌

从图１可以看出,AlN 颗粒呈椭球状均匀分布在铜合金基体中;当 AlN 含量(质量分数,下同)为１％~１５％时,AlN/ZrＧCu复合材料中的孔隙少,组织均匀致密,当 AlN 含量增加至２０％时,复合材料中存在大量的孔隙.这是因为烧结过程属于固相烧结,当 AlN 含量超过一定的范围时,大量弥散分布的 AlN 颗粒会阻碍铜原子的扩散,导致复合材料内部的孔隙不能够被铜充分填充,所以复合材料存在大量孔隙,结构疏松.

２．２ 显微硬度和抗压强度

从图２ 中 可 以 看 出,随 着 AlN 含 量 的 增 加,AlN/ZrＧCu复合材料的显微硬度和抗压强度都呈现出先增大后减小的变化趋势.由于锆含量很少,AlN/ZrＧCu复合材料主要靠AlN 颗粒来增强.AlN 颗粒较细小,且均匀分布在基体中,通 过 阻 碍 位 错 运 动 使 复 合 材 料 强 化.当AlN 含量由１％增至１５％时,其强化作用不断增强,因此复 合 材 料 的 显 微 硬 度 和 强 度 不 断 增 大. 当AlN 含量超过１５％时,AlN 颗粒在铜合金基体上过量分布,不仅阻碍铜原子对孔隙的填充,而且会影响

相邻粒子在烧结过程中的结合[１０];同时,较高含量的 AlN 会发生团聚,也会导致其强化作用的减弱.因此当 AlN 含量为２０％时,复合材料的硬度和抗压强度又有所下降.

２．３ 摩擦磨损性能

从图３中可以看出,AlN/ZrＧCu复合材料的摩擦 因数和磨损量均随AlN含量的增加先减小后增大.当 AlN 含 量 为 ５％ 时,摩 擦 因 数 最 小,约 为０．３８.在较低含量范围内(１％~５％),随着 AlN 含量的提高,复合材料的强度得到提高,黏着性降低;同时,由于 AlN 含量相对较少,AlN 不容易从软基体中被拔出,即使从基体上脱落后,也可以分布于摩擦副之间,分担部分载荷,起到微轴承作用[１１].因此,在 AlN 含量较低时的摩擦因数较小.较高 AlN含量会影响复合材料中铜和 AlN 颗粒的结合强度,在摩擦磨损过程中导致大量 AlN 从基体上脱落,产生新的界面,因 此 摩 擦 因 数 不 断 增 大[１２].当 AlN含量为１５％时,AlN/ZrＧCu复合材料的摩擦因数较大,约为０．６３,此时的磨损量最小,约为１．４２mg,其摩擦磨损综合性能较好.由图４可以看出,当 AlN 含量为１％时,在摩擦磨损过程中,复合材料容易与对磨环表面发生黏着,因此 AlN/ZrＧCu复合材料表面出现不规则的大尺寸剥落坑,剥落材料呈现片状.此时的磨损机理为黏着磨损[１３－１４],复合材料磨损很严重.当 AlN 含量为５％时,复合材料磨损面上不规则的剥落坑减少,剥落的片状材料减少,磨损面出现比较规则的犁沟.这是因为随 AlN 的增多,复合材料的抗压强度增大,同时,AlN 颗粒在摩擦磨损过程中减少了对磨环与基体的直接接触,并且脱落的 AlN 颗粒导致的磨粒磨损抑制了该复合材料的黏着磨损.但是由于 AlN 含量相对较少,黏着磨损依然是复合材料的主要磨损机理.当 AlN 含量为１０％时,复合材料磨损面上不规则的剥落坑和片状剥落材料明显减少,犁沟呈较为规则的分布,磨损表面较为平整,黏着磨损 已经得到很好的抑制,此时磨损机理以磨粒磨损为主.当 AlN 含量为１５％时,磨损面上不规则的剥落坑和片状剥落材料进一步减少,磨损面已经没有明显的黏着磨损现象,而且磨粒磨损犁沟细微均匀,磨损表面平整,此时磨损机理为磨粒磨损.当 AlN含量为２０％时,磨损面开始不平整,剥落现象又开始明显.由于２０％AlN 含量复合材料的组织疏松,脆性较大,在进行摩擦磨损时出现明显的剥落现象,此时磨损机理以剥落磨损为主[１５].

３ 结 论

(１)AlN/ZrＧCu复合材料中的 AlN 颗粒细小,呈弥散分布;当 AlN 含量在１％到１５％范围内,该复合材料较致密,当 AlN 含量为２０％时,其孔隙增加,组织疏松.

(２)随着 AlN 含量的增加,AlN/ZrＧCu复合材料的显微硬度和抗压强度均呈先增大后减小的变化趋势,当 AlN 含量为１５％时,复合材料的强度最高、硬度最大.

(３)随着 AlN 含量的增加,AlN/ZrＧCu复合材料的摩擦因数和磨损量均呈先减小后增大的变化趋势,磨损机理由黏着磨损向磨粒磨损、剥落磨损依次转变;当 AlN 含量为１５％时,复合材料的摩擦磨损性能最佳,摩擦因数 提 高 到 ０．６３,磨 损 量 最 小,为１．４２mg,此时的磨损机理主要以磨粒磨损为主,磨损表面平整.物和金属结合得很紧密,没有明显的分层现象;腐蚀 产物中的主要元素为氧、铁、铬和铝,并出现了明显 的铬、铝富集,这就说明在腐蚀产物中的铬和铝富集 形成了致密的腐蚀产物,它提高了试验钢的耐腐蚀 性能.此外,腐 蚀 产 物 中 有 可 能 形 成 了 非 晶 态 的 Cr(OH)３ [９,１９]、Al(OH)３ 或 Al２O３ [２０],提高了试验钢 的极化电阻,致密的腐蚀产物阻碍了 Cl－ 等活性离子 渗入到金属基体,从而提高了材料的耐腐蚀性能. ３ 结 论 (１)在J５５钢中加入铬、铝元素后,钢的硬度略 有提高. (２)对J５５钢进行铬、铝合金化后,其在３．５％ NaCl溶液中的开路电位(Eocp)或自腐蚀电位(Ecorr) 明显向正方向移动,钢的腐蚀活性降低,即电化学腐 蚀的热力学稳定性明显增大. (３)对J５５钢进行铬、铝合金化后,其在３．５％ NaCl溶液中的自腐蚀电流密度降低,极化电阻增 大,相应的腐蚀速率减小,钢的耐腐蚀性能提高. (４)在３．５％NaCl溶液中浸泡后,铬、铝合金化 的J５５钢表面的腐蚀产物具有一定的保护性.