潘緒全,徐 冬,張 波,宋寶成

(江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 徐州 221000)

Al-Si-Cu系列鋁合金材料因其固有的高比強(qiáng)度、卓越的流動(dòng)性、熱膨脹系數(shù)和收縮率低等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和汽車傳動(dòng)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(huì)惡化合金的力學(xué)性能,進(jìn)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(yīng)用領(lǐng)域[4-5]。既然單純的鋁合金不能滿足現(xiàn)代工業(yè)需求,那么制備性能優(yōu)異的鋁基復(fù)合材料就成了時(shí)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(qiáng)度、高彈性模量、良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性以及自潤(rùn)滑效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的應(yīng)用于鋁基復(fù)合材料中[6-8]。Li 等[9]通過(guò)連續(xù)鑄造和軋制技術(shù)制備了Al-GNPs鋁基復(fù)合材料,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,0.2 wt.%GNPs-Al的抗拉強(qiáng)度比相同條件下制備的純Al基體的抗拉強(qiáng)度提高了36.8%,這主要是因GNPs的層狀結(jié)構(gòu)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(fù)合材料,研究了石墨烯含量對(duì)復(fù)合材料的組織及磨損性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:隨著石墨烯含量的增加,復(fù)合材料的硬度表現(xiàn)出先提高后降低的趨勢(shì),當(dāng)其含量為0.5%時(shí),材料的硬度和摩擦系數(shù)均達(dá)到最佳分別為84.8 HB和0.48,摩擦系數(shù)比基體材料降低了28%。Alok Bhadauria[11]通過(guò)放電等離子燒結(jié)的方法制備了Al-GNPs復(fù)合材料,研究表明,當(dāng)GNPs的添加量為0.5 wt.%時(shí),復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度與基體材料相比提高了98%,當(dāng)GNPs的添加量達(dá)到1.0 wt.%時(shí),GNPs出現(xiàn)了明顯團(tuán)聚的現(xiàn)象而弱化了增強(qiáng)效果,因而使得復(fù)合材料的強(qiáng)度有所降低。然而石墨烯納米增強(qiáng)相對(duì)鑄造Al-Si-Cu鋁合金的摩擦磨損性能的影響的詳細(xì)報(bào)道甚少。

本文通過(guò)冷壓的方式制備了Al-GNPs中間預(yù)制塊,然后將中間預(yù)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(fù)合材料,探究了GNPs含量對(duì)Al-Si-Cu合金的干滑動(dòng)摩擦磨損性能的影響,旨在為石墨烯在鋁基復(fù)合材料領(lǐng)域中的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用探索出可行的技術(shù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

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(xué)成分如表1所示。

表1 Al-Si-Cu 合金的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù), %)

實(shí)驗(yàn)選用的鋁粉為河南省遠(yuǎn)洋鋁業(yè)有限公司生產(chǎn)的高純鋁粉,純度≥99%,粒度為50～150 μm,其形貌如圖1(a)所示。實(shí)驗(yàn)采用的增強(qiáng)體是深圳市百通達(dá)科技有限公司生產(chǎn)的石墨烯納米片(Graphene Nanoplatelets,簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)方法

按照GNPs占Al粉和GNPs混合料的體積分?jǐn)?shù)6%的比例放入石墨球磨罐中,在行星球磨機(jī)上進(jìn)行混合均勻,球料比為10∶1,球磨時(shí)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(jī)下被壓鑄成Φ50 mm的圓柱形Al-GNPs中間預(yù)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(nèi)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(yù)制塊,加入Al-GNPs的同時(shí)施加高能超聲振動(dòng),其中超聲功率為2 kW,超聲頻率為20 kHz,超聲時(shí)間為15 min。超聲完后迅速澆鑄至已經(jīng)預(yù)熱的鋼型模具中,待樣品冷卻后取出鑄件,在整個(gè)熔煉實(shí)驗(yàn)過(guò)程中充入氬氣予以保護(hù)。將制備的基體材料和GNPs/Al-Si-Cu復(fù)合材料進(jìn)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(xué)顯微鏡(OM, DM4000M型)觀測(cè)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(fù)合材料的相成分。在顯微硬度計(jì)(HXD-1000TM型)上對(duì)材料的顯微硬度進(jìn)行測(cè)試,載荷為0.25 kg,保壓時(shí)間為10 s。

本實(shí)驗(yàn)利用BRUKERUMT-2型銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)鑄造0 vol.%, 6 vol.%,12 vol.%,20 vol.%GNPs/Al-Si-Cu鋁基復(fù)合材料進(jìn)行摩擦磨損測(cè)試,探究GNPs含量對(duì)Al-Si-Cu合金的干滑動(dòng)摩擦磨損性能的影響。在實(shí)驗(yàn)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(duì)試樣和磨盤進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(jī)上進(jìn)行試驗(yàn),摩擦力為30 N,滑動(dòng)轉(zhuǎn)速為0.35 m/s,摩擦測(cè)試時(shí)間為600 s。在實(shí)驗(yàn)前后均用電子天平稱量試樣的質(zhì)量(天平的精確度為0.1 mg),為計(jì)算試樣的磨損率提供依據(jù)。通過(guò)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(zhì)量損失值,g;

ρ——材料的密度,g/cm3;

L——摩擦總距離,m。

摩擦系數(shù)直接來(lái)源于摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(fù)合材料的金相組織、復(fù)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(wú)序的塊狀和長(zhǎng)條狀硅相組成。圖2(b)為GNPs/Al-Si-Cu復(fù)合材料,在添加了12 vol.%含量的GNPs之后復(fù)合材料的組織中出現(xiàn)了大量黑色的相顆粒富集在硅相周圍,復(fù)合材料中粗大的長(zhǎng)條狀共晶硅相得到了明顯的細(xì)化,塊狀和長(zhǎng)條狀變成短棒狀,短棒狀的硅相可以有效的避免應(yīng)力集中,可以提高材料的力學(xué)性能。根據(jù)SEM形貌及點(diǎn)A的能譜分析可知黑色的相即為GNPs,灰白色的點(diǎn)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(fù)合材料的微觀組織及復(fù)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(fù)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(fù)合材料的硬度呈現(xiàn)出先逐漸上升然后降低的趨勢(shì)。當(dāng)GNPs的含量為12 vol.%時(shí),復(fù)合材料的硬度達(dá)到了最高為120.6 HV,與基體合金相比提高了30.8%。但是當(dāng)GNPs含量為20 vol.%時(shí),復(fù)合材料的硬度為101.4 HV,出現(xiàn)明顯的降低的趨勢(shì),這應(yīng)該是歸結(jié)于GNPs在基體合金中的含量過(guò)多而導(dǎo)致團(tuán)聚的情況,團(tuán)聚的GNPs成為應(yīng)力集中和裂紋擴(kuò)展處,以至于復(fù)合材料的維氏硬度下降。

圖3 不同GNPs含量的Al-Si-Cu鋁基復(fù)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(fù)合材料的磨損率和平均摩擦系數(shù)。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(fù)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(fù)合材料的磨損率開(kāi)始減小,為29.13×10-3mm3/m,這也充分說(shuō)明了GNPs的添加對(duì)復(fù)合材料的耐磨性有提高。當(dāng)GNPs含量為12 vol.%時(shí),復(fù)合材料的磨損率達(dá)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(shí)材料的磨損率降低了37.07%,復(fù)合材料表現(xiàn)出較為優(yōu)異的磨損特性。因?yàn)樵谠嚇幽Σ帘砻嫘纬闪颂蓟Ｗo(hù)潤(rùn)滑膜,能夠減小試樣與摩擦副的接觸,進(jìn)而減小材料的磨損量[13]。但是當(dāng)GNPs的含量高達(dá)20 vol.%時(shí),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(guò)量的GNPs不僅會(huì)降低材料的硬度也會(huì)惡化材料的耐磨性能。圖4(b)為材料的平均摩擦系數(shù)曲線圖,從圖中可知復(fù)合材料的摩擦系數(shù)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(shù)從基體合金的0.425下降至12 vol.%GNPs/Al-Si-Cu復(fù)合材料的0.358,與基體合金的摩擦系數(shù)相比降低了較多。當(dāng)GNPs的含量達(dá)到20 vol.%時(shí),復(fù)合材料的摩擦系數(shù)出現(xiàn)了明顯的上升,數(shù)值為0.417。

圖4 不同含量GNPs/Al-Si-Cu復(fù)合材料的磨損率和平均摩擦系數(shù)

圖5為不同含量GNPs/Al-Si-Cu復(fù)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(xiàn)了大面積深而寬的凹坑,分層現(xiàn)象明顯,而且在磨面上觀察到輕微的裂紋,這是典型的嚴(yán)重的剝層磨損的形貌,基體材料表現(xiàn)出較差的耐磨性。圖5(b)為6 vol.%GNPs/Al-Si-Cu復(fù)合材料的磨損表面,大區(qū)域的分層情況不見(jiàn)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(fù)合材料的磨面有所改善。圖5(c)為12 vol.%GNPs/Al-Si-Cu復(fù)合材料的磨損形貌,沿著滑動(dòng)方向出現(xiàn)了成排的寬度、深淺不一的犁溝,犁溝的產(chǎn)生是由于殘留在摩擦副之間的細(xì)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(shí)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?yàn)閺?fù)合材料的強(qiáng)度和硬度的提高,另一方面是由于GNPs起到了自潤(rùn)滑效應(yīng),分散均勻的GNPs因?yàn)閯冸x而富集在摩擦副表面,又因?yàn)槟Σ亮Φ拇嬖?材料中的GNPs也被擠壓到表面而形成了一層石墨潤(rùn)滑層,這樣就極大的降低了合金的磨損率和摩擦系數(shù)[15]。此時(shí)復(fù)合材料以磨粒磨損為主要磨損機(jī)理。如圖5(d)所示,20 vol.%GNPs/Al-Si-Cu復(fù)合材料的磨面又出現(xiàn)了大區(qū)域的凹坑和分層,說(shuō)明此時(shí)復(fù)合材料的耐磨性能已經(jīng)偏離了最佳磨損性能的階段了。因?yàn)镚NPs的含量過(guò)多而導(dǎo)致其在基體中偏聚,降低了GNPs與鋁基體之間的界面結(jié)合特性,團(tuán)聚的GNPs成為應(yīng)力集中和裂紋擴(kuò)展處,進(jìn)而降低了材料的力學(xué)性能,從而使得復(fù)合材料的磨損特性的惡化[16]。

圖5 不同含量GNPs/Al-Si-Cu復(fù)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(fù)合材料的磨屑形貌圖。磨屑是摩擦磨損試驗(yàn)過(guò)程中的產(chǎn)物,可以通過(guò)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(zhǎng)條狀和板塊狀的磨屑為主,表現(xiàn)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(dǎo)致的基體材料性能較差。圖6(b)為12 vol.%GNPs/Al-Si-Cu復(fù)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(xì)小的磨屑主要是磨粒磨損剝落下來(lái)的,小尺寸板片狀的磨屑也說(shuō)明了此時(shí)材料在磨損的過(guò)程中也存在輕微的剝層磨損的跡象。GNPs的加入對(duì)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(fù)合材料的磨屑形貌圖

3 結(jié) 論

(1) 通過(guò)熔融鑄造的方法成功制備了不同含量GNPs/Al-Si-Cu鋁基復(fù)合材料。隨著GNPs的含量的增加,復(fù)合材料的維氏硬度先提高后降低。當(dāng)GNPs的含量為12 vol.%時(shí),復(fù)合材料的硬度(120.6 HV)達(dá)到最高,與Al-Si-Cu基體(92.2 HV)相比,提高了30.8%。并且GNPs對(duì)基體中的Si相有明顯的細(xì)化作用,由未添加GNPs時(shí)的長(zhǎng)條狀Si相變?yōu)槎贪魻睢?/p>

(2) GNPs/Al-Si-Cu鋁基復(fù)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(shù)均呈現(xiàn)出先降低再升高的趨勢(shì)。當(dāng)GNPs的含量達(dá)到12 vol.%時(shí),復(fù)合材料的磨損率和摩擦系數(shù)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(shí)材料表現(xiàn)出較優(yōu)異的耐磨性能。其中,Al-Si-Cu基體合金是以嚴(yán)重的剝層磨損為主要磨損機(jī)理,而12 vol.%GNPs/Al-Si-Cu復(fù)合材料是以磨粒磨損為主要磨損機(jī)理。