纳米金刚石铜基复合材料的摩擦磨损性能研究.pdf

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纳米金刚石/铜基复合材料的摩擦磨损性能研究1

刘辉，赵乃勤，师春生，乔志军
天津大学材料科学与工程学院，天津(300072)
E-mail：[e-mail]
摘要：纳米金刚石具有良好的润滑性及抗磨损性能。将纳米金刚石弥散分布到金属基体中
可以得到低摩擦耐磨性良好的金属基复合材料。本文采用粉末冶金的方法制备纳米金刚石弥
散分布的铜基复合材料，并对复合材料的微观组织及摩擦磨损性能进行了研究。在MM—200
型磨损试验机上对块状试样进行油磨实验，对磨材料为GCr15钢。结果表明：纳米金刚石
均匀的弥散分布在铜基体上；随着纳米金刚石含量的增加，铜基复合材料的摩擦磨损性能得
到了明显改善。此外，本文还对纳米金刚石/铜基复合材料在油磨过程中的磨损机理进行了
探讨。
关键词：纳米金刚石，铜基复合材料，摩擦磨损，粉末冶金

1.引言
摩擦磨损对于机器的性能及使用寿命具有极大的影响，如何降低机器的摩擦磨损一直
是材料工作者研究的重点。由爆炸法合成的纳米金刚石具有许多优异的性能，比如良好的
分散性、高硬度、良好的润滑性和耐磨性[1-4]。因此纳米金刚石被广泛应用于复合涂层、超
精密抛光及医学和化学领域[5-7]。其中具有较好应用前景的领域之一就是用于耐磨材料。将
纳米金刚石弥散分布到金属、陶瓷及高分子基体中，有望得到具有低摩擦良好耐磨性的高
性能复合材料[8]。K.Okada等人对所制得的纳米金刚石/铝基复合材料进行磨损实验发现其
摩擦系数达到0.02[9]。
本文采用粉末冶金的方法制备纳米金刚石弥散分布的铜基复合材料。在油磨条件下研
究不同纳米金刚石含量对于复合材料摩擦磨损性能的影响，并对油磨过程中复合材料的磨
损机理进行了探讨。
2.实验方法
实验所用的初始原料为平均晶粒尺寸为40µm的电解铜粉和粒径为5-10nm的纳米金
刚石粉。铜粉和纳米金刚石的形貌如图1所示。
采用机械球磨的方法将纳米金刚石粉和铜粉混合均匀。将混合粉放入100ml的球磨罐
中并放入直径为10mm的玛瑙球，球料比为9：10。纳米金刚石的质量百分含量从0到3%。
将球磨罐放入行星式球磨机中转速为1000rpm保持10h。在油压机用370MPa的压力将混

合粉末压制成型保压2min。用管式烧结炉对压坯进行烧结，在H2保护气氛下加热到1000
℃保温100min。然后在室温下对烧结后试样在700Mpa下进行复压，之后对所得试样进
行性能测试。
采用光学显微镜及透射电子显微镜（TEM）对纳米金刚石/铜基复合材料的微观组织进
行表征。在显微硬度仪器上对试样的硬度进行测试，载荷为100g保压10s。利用MM—200
型磨损试验机上对试样进行油磨试验，对磨材料为GCr15轴承钢，转速为0.52m/s，时间
为1h，所加载荷分别为500N和1000N。滴油速率为40-50滴每分钟。利用JSM-6700F
型扫描电子显微镜（SEM）对磨损表面进行观察。

1本课题得到天津市自然科学基金（项目编号：05YFJZJC01900）的资助。

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(a)(b)

图1铜粉（a）和纳米金刚石（b）的形貌
Fig.1.Morphologiesof(a)copperand(b)NDpowders.

3.结果与讨论

3.1纳米金刚石/铜基复合材料的微观组织，密度和硬度

(a)(b)

(c)(d)

图2纳米金刚石/铜基复合材料的光学组织图片：(a)纯铜
(b)0.5wt.%ND,(c)1wt.%NDand(d)3wt.%ND。
Fig.2.OpticalmicrographsofND/Cucomposites:(a)purecopper,
(b)0.5wt.%ND,(c)1wt.%NDand(d)3wt.%ND.

图2为具有不同纳米金刚石含量的铜基复合材料的显微组织图片。从图2（b）（c）
中可以观察到纳米金刚石均匀的分散到铜基体中。但当纳米金刚石含量达到3%时，与纯
铜（图2（a））相比，可以在基体中明显观察到金刚石的团聚现象。这是由于当纳米金刚
石含量超过1%时，球磨过程中很难将纳米金刚石的团聚体破碎，以至于球磨后大量的金
刚石团聚体聚集在铜颗粒的表面，如图3所示。因此，在粉体经过烧结成型后可以观察到

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金刚石团聚体分布在铜颗粒周围。
图4为金刚石含量0.5%的复合材料的TEM图片及其EDS分析。由图发现纳米金刚石
颗粒均匀的嵌入到铜基体中。
图5为不同纳米金刚石含量的复合材料的相对密度曲线。随着纳米金刚石含量的增加，
复合材料的密度逐渐降