纳米金刚石铜基复合材料的摩擦磨损性能研究.doc

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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:liuhuibright@yahoo
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。

图
1铜粉(a
和纳米金刚石(
b的形貌
Fig.1.Morphologiesof(acopperand(bNDpowders.
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

图2纳米金刚石/铜基复合材料的光学组织图片:(a纯铜(b0.5wt.%ND,(c1wt.%NDand(d3wt.%ND。
Fig.2.OpticalmicrographsofND/Cucomposites:(apurecopper,
(b0.5wt.%ND,(c1wt.%NDand(d3wt.%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

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低。当纳米金刚石质量分数超过2%时,复合材料的相对密度低于90%。
图6为不同纳米金刚石含量的复合材料的显微硬度曲线。随着纳米金刚石含量的增加,纳米金刚石的硬度明显提高。金刚石含量为3%时,复合材料的显微硬度达到130。

图3球磨后混合粉(3%ND的SEM图片
Fig.3.