鐘 斌,呼帥邦,于正洋,張 林,周龍龍,梁靖松
(西安科技大學 機械工程學院,西安 710054)
高鋁鋅合金是近幾十年來國內外應用日益廣泛的一種有色金屬新材料[1],由于其低熔點、低密度和具有優(yōu)異的機械性能等[2-3],因此被廣泛用于煤礦、石油和航空航天等領域[4-5]。隨著社會工業(yè)的發(fā)展,人們對高鋁鋅合金的摩擦學性能要求越來越高,因此為了進一步增強高鋁鋅合金減摩耐磨特性,研究開發(fā)新型高鋁鋅合金作為減摩耐磨材料具有重要的現(xiàn)實意義[6]。本文研究的高鋁鋅合金ZA27與目前廣泛使用的銅基耐磨合金相比,具有更高的強度和更低的密度[7],從而在零件的輕量化設計中起重要作用。此外,中國鋅儲量豐富,在全球鋅儲量中排名第二,鋅合金的價格也僅為傳統(tǒng)銅合金的1/3左右,使其經濟性更為突出[8]。
近年來,人們主要從合金化、熱處理及變質處理等幾個方面入手研究鋅鋁合金的摩擦性能[9-10],而隨著碳纖維、石墨烯、聚乙烯纖維等高性能材料的不斷涌現(xiàn),非金屬材料增強金屬基復合材料的研究受到了國內外研究者的廣泛關注[11-13]。碳纖維是一種新型的高強度、高彈性纖維材料,其中碳含量超過95%,具有密度小、質量輕、熱膨脹系數(shù)小、摩擦系數(shù)小、耐高溫性和自潤滑性能好等優(yōu)點[14-15]。碳纖維比金屬材料具有更高的比強度和比彈性模量,并且與陶瓷相比具有更高的韌性和抗沖擊性[16]。目前,碳纖維在高鋁鋅合金方面的應用很少,而制造碳纖維增強金屬基復合材料的主要技術難點是難以形成穩(wěn)定有效的界面結合,降低了復合材料的整體性能,從而限制了碳纖維增強金屬基復合材料的廣泛應用[17]。
目前成熟的高鋁鋅合金大多采用鑄造的方法制備,存在鑄件質量不穩(wěn)定,生產工序多,工藝過程控制較繁瑣等問題[18-19],同時影響因素復雜也會產生許多缺陷,例如:在鑄造時,由于ZA27合金組成相的密度差較大,會造成嚴重的比重偏析,還有縮孔、底縮、氣孔、裂紋等缺陷[20-21],并且鑄造過程對環(huán)境也有嚴重的污染性。與普通的鑄造法相比,冷壓燒結制備出的合金材料沒有明顯的裂紋、孔洞,使得纖維在基體中分布均勻,界面結合力大小適當[22-23],其工藝過程也更為簡便,對環(huán)境也沒有污染性。本文以高鋁鋅合金ZA27為研究對象,并以含量為3%(體積分數(shù))表面金屬化短切碳纖維為增強材料,通過冷壓燒結技術,制備了一種新型高鋁鋅合金復合材料。對金屬化碳纖維和復合材料的微觀形貌、物相結構特征、元素分布及摩擦性能進行了系統(tǒng)研究,為制備摩擦性能優(yōu)良的碳纖維增強高鋁鋅合金復合材料奠定了基礎。
本文研制的新型高鋁鋅合金復合材料及作為對比材料ZA27的化學成分見表1。試驗所用的金屬粉末均為化學純,其中鋅粉、鋁粉、鎂粉、銅粉均為300目,純度均大于99%,選用TC-35型12K碳纖維為研究對象,其基本性能參數(shù)如表2所示,短切碳纖維長度約為2~3 mm。
表1 試驗材料的化學成分(質量分數(shù),%)Table 1 Chemical composition of test materials(wt%)
表2 碳纖維基本性能參數(shù)Table 2 Basic performance parameters of carbon fiber
由于碳纖維和ZA27的界面結合性差,所以采用電鍍的方法在碳纖維表面鍍覆銅層,從而改善碳纖維與基體材料的界面結合性,形成穩(wěn)定有效的界面結合,并通過冷壓燒結的方法制備了碳纖維增強高鋁鋅合金復合材料,實驗過程如圖1所示。
圖1 復合材料制備過程Fig 1 Composite material preparation process
1.2.1 預處理工藝
在碳纖維表面金屬化前需進行表面預處理,首先進行除膠(熱脫脂+丙酮溶液浸泡):將坩堝洗干凈用去離子水沖洗后,放入干燥爐中干燥,取出后在坩堝中加入稱量好的碳纖維束,放入DRZ電阻爐中,升溫至400 ℃灼燒120 min,燒掉表面上的有機粘合劑(環(huán)氧樹脂),將其在丙酮溶液中浸泡60 min以溶解焦炭,并用去離子水洗滌、干燥后待用,其目的是為了去除商用碳纖維表面覆蓋的環(huán)氧樹脂。之后進行表面粗化:將除膠后的碳纖維束置于NaOH溶液中粗化,同時在智能磁力攪拌器上旋轉并加熱15 min后,將碳纖維束取出并用去離子水沖洗至中性,放入電熱恒溫干燥箱中烘干,這是為了增加纖維的表面粗糙度,增加極性基團,從而增加表面活性,改善與金屬基的親和性,為碳纖維表面金屬化做準備。
1.2.2 碳纖維表面金屬化
將上述預處理后的碳纖維束置于電鍍裝置中進行電鍍,電鍍液的組成和工藝參數(shù)見表3和表4。本實驗中電鍍銅的步驟如下:步驟1.稱量所需的硫酸銅、酒石酸鈉、檸檬酸鈉和硝酸鉀,并溶解在適量的去離子水中,攪拌至完全溶解,依次混合,并向混合后的鍍液中逐滴加入氨水,調節(jié)鍍液的pH至10,定容至500 mL;步驟2,用砂紙將高純銅板表面的氧化物除去,超聲波清洗30min,用去離子水沖洗;步驟3,將碳纖維束和高純度銅板分別固定到電源的陰極和陽極,并置于如圖2所示的電鍍裝置中,通過控制電流、電壓和電鍍時間進行電鍍,之后用去離子水洗滌并干燥。
表3 電鍍液成分Table 3 Electroplating solution composition
表4 電鍍工藝參數(shù)Table 4 Electroplating process parameters
圖2 電鍍裝置Fig 2 Electroplating device
1.2.3 混料和冷壓燒結
使用特殊剪切刀具將表面金屬化后的碳纖維束剪切成2~3mm的短切碳纖維,選擇丙三醇作為濕混劑,通過濕混的方法將短切碳纖維均勻的分散在基體粉末中。將混合料放入鋼模在500 MPa壓力下壓制成φ30 mm×10 mm的試樣,保壓20 min后脫模,得到胚體。將壓制好的胚料置于DRZ電阻爐中,以10 ℃/min的升溫速率升溫至290 ℃保溫30 min除去殘余的丙三醇,后繼續(xù)升溫至390 ℃保溫120 min,隨爐冷卻,得到碳纖維增強高鋁鋅合金復合材料,具體的冷壓燒結工藝曲線如圖3所示。
圖3 冷壓燒結法制備復合材料工藝曲線圖Fig 3 Process curve diagram for preparing composite materials by cold pressing sintering method
采用ZEISS Gemini 300型掃描電子顯微鏡對碳纖維鍍覆銅層前后的表面形貌及截面形貌進行觀察和分析,圖4(a)為電鍍前碳纖維的表面形貌,可以明顯看出碳纖維表面經NaOH溶液粗化后沒有膠狀物質,且存在明顯的縱向溝槽,表面粗糙度有所增加,同時碳纖維表面沒有開叉、斷裂等明顯損傷,并且縱向溝槽可以增大碳纖維與銅層之間的接觸面積和界面結合力。圖4(b)為鍍液溫度40 ℃,電鍍時間20 min,電流1 A,電壓4.3 V下所得碳纖維表面鍍銅層的微觀形貌圖,可以看出銅層將碳纖維完全包覆,表面鍍覆銅層顆粒致密整體均勻,無明顯脫落等缺陷;銅層的生長是一個比較復雜的過程,涉及到晶體的形核和核長大、銅顆粒的催化沉積等過程。在電鍍剛進行的情況下,碳纖維表面的溝槽底部容易使銅顆粒優(yōu)先沉積形成銅的晶核,隨著電鍍進程的進行,在原本不利于形核的碳纖維凸起處和溝槽側面也會出現(xiàn)銅的晶核,然后隨著時間的延長整個碳纖維表面將布滿銅的晶核并同時長大。隨著電鍍時間的延長,初始在碳纖維表面的溝槽底部和結構不完整的位置形成的晶核逐漸長大,小顆粒晶核繼續(xù)聚集成大顆粒,最后連成膜形成連續(xù)均勻的銅層[24]。
圖4 碳纖維鍍銅前后的表面形貌Fig 4 Surface morphology of carbon fiber before and after copper plating
圖5(a)是鍍銅碳纖維的橫截面圖,可以看出呈徑向生長分布的銅層均勻的環(huán)繞在碳纖維周圍,平均鍍層厚約為882.1nm。對鍍層(圖5(a)框中)進行EDS定量分析后獲得元素的重量百分比和原子百分比(見圖5(b)),由能譜圖及表中數(shù)據(jù)可以看出,鍍層包含銅、碳兩種元素,說明電鍍過程沒有引入新的雜質元素,其中銅元素對應的譜線峰最高,銅和碳原子含量分別為78.56%和21.44%,質量百分比分別為95.09%和4.91%。
圖5 鍍銅碳纖維的掃描電子顯微鏡圖Fig 5 Scanning electron microscope image of copper-plated carbon fiber
采用ZEISS Gemini 300型掃描電子顯微鏡對碳纖維增強鋅鋁復合材料材料進行EDS面掃描,獲得復合材料各元素分布圖。由圖6(b),(c),(d)可以看出,碳纖維增強高鋁鋅復合材料中鋁、鋅、鎂、3種元素分布相對均勻。圖6(e)和圖6(f)中可以看出,銅元素、碳元素呈條狀集中并整體彌散分布到基體中,且區(qū)分明顯,說明表面鍍銅短碳纖維在基體中分散均勻,基本沒有出現(xiàn)團聚現(xiàn)象。其中部分碳元素集中后呈點狀,可能由于碳纖維排布方式不同或者在壓制過程中的較大壓力使得鍍銅碳纖維發(fā)生斷裂。
圖6 復合材料表面形貌和元素分布圖Fig 6 Composite material surface morphology and element distribution map
圖7為碳纖維增強高鋁鋅合金復合材料掃描電子顯微鏡圖。從圖7(a)中可以看出,材料整體結合緊密,沒有明顯的空隙,圖7(c)中可以看出鍍銅短碳纖維與基體材料結合緊密,并且基體材料完整的包覆在鍍銅碳纖維表面,形成致密的微觀結構,沒有觀察到明顯的孔隙或碳纖維損壞。銅鍍層是高度可靠的并且具有優(yōu)異的抗氧化性,因此當在高溫下與基體材料復合時,可以有效的防止碳纖維發(fā)生質損,并且阻止碳纖維之間的直接接觸和團聚。對框選部位進行能譜分析如圖7(d),發(fā)現(xiàn)結合部位的元素大部分是鋅和鋁,且含有較多銅元素和少量碳元素和鎂元素,說明只有少量碳纖維向基體中擴散,并且鍍銅碳纖維與基體材料結合界面處有較多銅,說明銅鍍層可以有效抑制碳元素在燒結過程中的擴散,并改善了碳纖維與基體材料的界面結合性。
圖7 復合材料掃描電子顯微鏡圖Fig 7 Composite material scanning electron microscope image
表5表示通過冷壓燒結法制備的ZA27與碳纖維增強高鋁鋅合金復合材料的平均摩擦系數(shù),其平均摩擦系數(shù)變化趨勢如圖8所示。在室溫條件下,使用MFT-R4000直線往復式摩擦試驗機研究試樣的摩擦學特性,試驗參數(shù)在摩擦頻率為2 Hz、摩擦長度為5 mm、摩擦時間為20 min不變的情況下,施加載荷依次增大為2、5、8 N。結果顯示,碳纖維增強高鋁鋅合金復合材料的摩擦系數(shù)明顯低于ZA27,并且兩者的摩擦系數(shù)都隨著載荷的增加依次減小,這是由于在磨損過程中產生的循環(huán)載荷作用下,試樣表面發(fā)生塑性變形,碳纖維由于表層的去除而暴露于表面,在接觸力的作用下,碳纖維被部分研磨成細碳顆粒,碳顆粒是一種很好的固體潤滑劑,它會在樣品的磨損表面形成薄膜,由于該膜的存在,防止了復合材料在摩擦過程中與其對應物之間的金屬對金屬接觸[25],使得復合材料的摩擦系數(shù)減小。隨著施加載荷不斷增大,摩擦溫度也隨之增加,如果摩擦產生的熱量不能及時消散,溫升會改變摩擦接觸面的表面性質。碳纖維增強高鋁鋅合金復合材料表現(xiàn)出比ZA27更好的摩擦性能的另一個原因在于改善復合材料的導熱性,碳纖維是一種無機高分子纖維,碳含量超過90%,微觀結構類似于人造石墨,是亂層石墨結構,其導熱系數(shù)一般在0.025~0.09 W/(m·℃),由于其本身具備優(yōu)異的導熱系數(shù)使得碳纖維的導熱性高于合金基體,因此碳纖維的存在可以使摩擦產生的熱量及時消散,從而降低摩擦過程中的表面溫度,優(yōu)化了材料的摩擦性能。
表5 復合材料的平均摩擦系數(shù)Table 5 Coefficient of friction of composite materials
圖8 復合材料的平均摩擦系數(shù)變化圖Fig 8 Change graph of average friction coefficient of composite materials
(1)采用電鍍工藝在碳纖維表面鍍覆銅層,銅層將碳纖維完全包覆,表面鍍銅層整體均勻,無明顯脫落;并通過冷壓燒結的方法制備了碳纖維增強高鋁鋅合金復合材料;碳纖維表面金屬化有效防止在燒結過程中碳元素向基體材料中擴散,并改善了碳纖維與基體材料的界面結合性。
(2)碳纖維增強高鋁鋅合金復合材料的平均摩擦系數(shù)明顯低于ZA27的平均摩擦系數(shù),并且在其他參數(shù)不變的情況下,隨著施加載荷的增加摩擦系數(shù)不斷減小,說明金屬化碳纖維的加入防止了摩擦過程中復合材料與其對應物之間的金屬對金屬接觸,從而優(yōu)化了材料的磨擦性能。