CNTs／AZ91复合材料的摩擦磨损性能

吴俊斌，曾效舒，罗 雷，袁秋红

（南昌大学机电工程学院，南昌 330031）

0 引 言

与传统金属材料相比，金属基复合材料的比强度和比模量更高，且具有耐热性能好、热膨胀系数低、尺寸稳定性高等特点［1－2］，能够满足工业对材料日益苛刻的性能要求。通过在金属基体中加入均匀分散的纳米级增强相而制得的复合材料，具有优异的力学性能以及导电、导热、耐腐蚀、耐磨损、耐高温和抗氧化等性能［3－4］。AZ91镁合金广泛应用于汽车和航天工业，具有密度小、比强度和比刚度高、耐腐蚀、吸震、防电磁干扰能力强、易加工等优异的性能，但其在较低载荷下就会发生严重的磨损，在干摩擦和润滑条件下的抗咬合能力均很差［5］，这严重制约了它的应用。碳纳米管（CNTs）的长径比较大，具有优异的力学性能、热稳定性能以及良好的润滑性能［6］，成为改善金属材料性能最理想的纳米级增强相之一。姜金龙等［7－8］的研究表明，CNTs具有良好的自润滑和增强作用，CNTs增强金属基复合材料的摩擦因数和磨损率均随CNTs体积分数的增大而减小。目前，对于CNTs／镁合金复合材料的研究主要集中在材料设计及其力学性能等方面［9－10］，有关其摩擦磨损性能的研究较少。为此，作者采用粉末冶金与热挤压相结合的方法制备了CNTs增强AZ91镁合金复合材料（CNTs／AZ91复合材料），研究其在干滑动条件下的摩擦磨损性能，分析了CNTs含量对复合材料摩擦磨损性能的影响，并与AZ91镁合金的摩擦磨损性能进行了对比。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验原料为市售镁粉（纯度99.5%）、铝粉（纯度99.0%）、锌粉（纯度90.0%）、锰粉（纯度99.0%）以及CNTs。其中，CNTs购自南昌太阳纳米技术有限公司（采用化学气相沉积法制备），其纯度在95%以上，管直径为10～50nm，长度为1～10μm。

将CNTs在丙酮溶液中超声分散2h，然后在真空手套箱中称量镁粉、铝粉、锌粉和锰粉，并将它们加入到已超声分散的CNTs丙酮溶液中；将上述所得混合溶液机械搅拌2h，然后用滤纸过滤去除丙酮，并立即将湿的混合粉转移至真空干燥箱中，去除剩余的丙酮后可得到混合均匀的复合粉体；随后将复合粉体放入模具中以120MPa的压力冷压成型，再于600℃在氩气保护炉中烧结2h；将烧结后的坯料预热至400℃并保温1h，然后采用HM035－200型热挤压机在350℃下挤压得φ10mm的棒材，挤压速度为0.3mm·s－1，挤压比为16∶1。复合材料中CNTs的质量分数分别为1.0%，3.0%和5.0%，将它们分 别 记 为 1%CNTs／AZ91、3%CNTs／AZ91、5%CNTs／AZ91。

不添加CNTs的AZ91镁合金（基体合金）采用相同的方法制备。

1.2 试验方法

采用MH－50型显微硬度测试仪测基体合金及复合材料的维氏硬度，试验载荷0.98N，加载时间15s；根据阿基米德原理测复合材料的密度，根据式（1）计算复合材料的理论密度［11］，然后将测量密度与理论密度相除即可得相对密度。

式中：ρth为复合材料的理论密度；ρAZ91为AZ91镁合金的密度；ρCNTs为CNTs的密度，1.9g·cm－3；φCNTs为CNTs在复合材料中的体积分数。

摩擦磨损试验在MMD－1型多功能摩擦磨损试验机上进行，采用销盘接触式摩擦，试验在室温、无润滑条件下进行。销试样采用线切割加工而成，尺寸为φ4mm×12mm，其表面经打磨、抛光后再用丙酮超声清洗；盘试样为45钢，其硬度为45～50HRC，尺寸为36mm×8mm×10mm。试验参数：法向载荷分别为2，10，50N，主轴转速为120r·min－1，摩擦时间设定为10min。通过读取试验机给出的摩擦力矩求得摩擦因数，然后将它们的算术平均值作为复合材料的摩擦因数。

采用电子天平（精度为0.1mg）称量销试样磨损前后的质量，并计算磨损量；采用Quanta200F型扫描电子显微镜（SEM）观察磨损后的表面形貌，并采用RA100型拉曼光谱仪分析磨屑的成分。

2 试验结果与讨论

2.1 密度与硬度

由表1可知，AZ91镁合金基体和复合材料的相对密度都超过了98%，所有试样的显微硬度均超过100HV，远超过了铸造AZ91镁合金的显微硬度。复合材料硬度的提高是因为热挤压变形使得大晶粒破碎，起到了细晶强化作用，加之CNTs的存在能够阻碍位错运动，限制基体的局部变形和滑移，从而使复合材料的硬度得以提高［12］。随着CNTs的质量分数增加，复合材料的显微硬度先增大后减小，并在CNTs质量分数为3%时达到最大，为127.14HV，比基体合金的提高了18.96%；随着CNTs的质量分数进一步增加，CNTs易在基体中发生团聚，团聚的CNTs不但不能起到增强作用，反而会成为缺陷，导致复合材料的硬度下降［13］。

表1 AZ91镁合金基体和复合材料的密度和硬度Tab.1 Density and hardness of AZ91magnesium alloy matrix and composites

2.2 摩擦磨损性能

2.2.1 摩擦因数

图1 复合材料摩擦因数与CNTs质量分数的关系曲线Fig.1 Friction coefficient vs mass fraction of CNTs for composites

由图1可见，在载荷相同的条件下，随着CNTs质量分数增加，复合材料的摩擦因数逐渐减小；当CNTs的质量分数超过3%后，摩擦因数下降的幅度降低。这是因为，在摩擦过程中，具有自润滑作用的CNTs从基体中被拔出，并与盘试样直接接触，减小了基体材料与盘试样的接触面积，从而降低了复合材料的摩擦因数。此外，复合材料的磨损面在摩擦过程中可能会形成一层起润滑作用的碳膜，这也有利于摩擦因数的降低［14］。所以，随着CNTs质量分数增加，摩擦因数越来越小。但当CNTs的质量分数超过3%时，因部分CNTs发生团聚，导致润滑效果下降，故而摩擦因数下降的幅度有所降低。

从图1中还可看出，在CNTs质量分数相同的情况下，随着载荷增大，复合材料的摩擦因数逐渐减小。这是因为随着载荷增大，犁耕阻力增大，导致更多的CNTs被破碎和拔出，提高了碳膜的润滑效率，故而摩擦因数减小。

2.2.2 磨损量

由图2可知，在载荷相同的条件下，随着CNTs质量分数增加，复合材料的磨损量呈减小的趋势。当载荷为2N时，AZ91镁合金基体（CNTs质量分数为0时）的磨损量为4.7mg，1%CNTs／AZ91和3%CNTs／AZ91复合材料的磨损量分别为2.4mg和2mg，分别比镁合金基体的下降了48.9%和57.4%；当CNTs的质量分数为5%时，复合材料磨损量的变化不大，相比于3%CNTs／AZ91只减小了0.1mg。当载荷为10N时，复合材料磨损量的变化趋势与载荷为2N时的一致。当载荷为50N时，复合材料的磨损量低于AZ91镁合金基体的，且远高于2N和10N截荷下的；随着CNTs质量分数增加，复合材料的磨损量逐渐降低，但当CNTs的质量分数超过3%后，磨损量下降的不明显。

此外，由图2还可以看出，随着载荷增大，AZ91镁合金基体和复合材料的磨损量均增大。这是因为高载荷下摩擦副对材料的犁削作用更明显，更多的材料被犁耕下来。

图2 复合材料磨损量和CNTs质量分数的关系曲线Fig.2 Wear mass loss vs mass fraction of CNTs for composites

CNTs作为增强相具有提高基体力学性能的作用［8］，随着CNTs质量分数增加，复合材料的硬度增大。镁合金基体的硬度比较低，在摩擦过程中，其磨损面的塑性变形程度很大，导致其磨损量很大。加入CNTs后，复合材料的硬度增大，能够有效降低摩擦副对基体材料的犁削作用；同时由于CNTs的自润滑作用，复合材料的摩擦因数也降低，这两方面因素的共同作用使得复合材料的磨损量下降。此外，随着CNTs质量分数增加，CNTs在复合材料中的面积比增加，这将进一步降低摩擦副与基体材料的接触面积，从而使磨损量降低。

2.3 磨损形貌

从图3中可以看出，在低载荷（10N）下磨损后，AZ91镁合金基体表面没有出现明显的沟槽，犁沟也比较浅，剥落现象亦不明显，磨损表面的磨屑主要为颗粒状，并存在少量片层状；当载荷增大至50N时，磨损表面存在很大的片层状磨屑剥落，犁沟较宽且深，表面出现了明显的塑性变形，这是疲劳磨损的结果。复合材料的磨损表面也呈现出相似的变化趋势（图略），即：增大载荷会加剧材料表面的磨损程度。这是因为在高载荷下，磨损表面会发生较大的塑性变形，片层状磨屑在摩擦副的挤压作用下变为游离颗粒，这些颗粒在摩擦过程中继续引发摩擦表面变形，加速磨损，此时开始出现磨粒磨损。

由图4（a）可以看出，1%CNTs／AZ91复合材料在50N载荷下磨损后，没有明显的大块脱落的磨屑，只是存在很多小颗粒。这可能是在对磨过程中，盘试样和复合材料表面之间产生了轻微的粘着磨损，使得颗粒状的磨屑附着于材料表面。此外，与AZ91镁合金基体相比，1%CNTs／AZ91复合材料的磨损表面趋于光滑，犁沟相对较浅，并且比较窄，犁削程度减弱。这是因为，CNTs具有润滑和提高材料力学性能的作用，随着摩擦的进行，CNTs被拔出并附着在复合材料表面，使摩擦副与复合材料直接接触的面积减少；加之复合材料的硬度较基体合金的更大，降低了盘试样的压入深度，因此复合材料的摩擦表面变得相对光滑，犁沟更浅。但是，由于加入的CNTs较少，磨损面上仍存在大量犁沟。

图3 AZ91镁合金基体在不同载荷下的磨损形貌Fig.3 Worn images of AZ91magnesium alloy matrix at different loads

图4 不同复合材料在50N载荷下的磨损形貌Fig.4 Wore images of different composites at load of 50N

图5 3%CNTs／AZ91复合材料在50N载荷下的磨损形貌及磨屑的拉曼光谱Fig.5 Worn image of 3%CNTs／AZ91composite at load of 50N（a）and Raman spectra of wear debris（b）

从图4（b）可以看出，3%CNTs／AZ91复合材料的磨损面非常平整光滑，只有少量的片层状磨屑以及较浅且平行的犁沟存在，以磨粒磨损为主。这说明随着CNTs质量分数增加，复合材料内部的结合力增大，硬度升高，阻碍了材料的塑性变形，使得材料的耐磨性能提高；同时，CNTs含量增多后在摩擦表面形成的碳膜可以有效减少盘试样与复合材料的直接接触，在降低摩擦因数和磨损量的同时还可以有效改善磨损形貌。

从图4（c）可以看出，当复合材料中CNTs的质量分数为5%时，CNTs对磨损形貌的改善作用已经不大。这可能是因为部分CNTs在材料中发生了团聚，影响了其性能的发挥。

由图5（a）可见，3%CNTs／AZ91复合材料在50N载荷下磨损后，一部分CNTs被压碎或磨损，在烧结时被基体合金包覆起来的CNTs（如箭头1和2）因包覆合金在磨损过程中被犁削掉而显露出来，有的CNTs则是一端嵌在基体中，一端被拔出而露出外缘（如箭头3和4）。在磨损过程中，这些裸露出的CNTs减少了复合材料和盘试样之间的直接接触。箭头5所指微裂纹处的CNTs能有效阻止磨损过程中裂纹的扩展和表层磨屑的剥落，从而提高了复合材料的耐磨性能。CNTs的抗裂纹扩展能力也是其增强作用的一个重要体现。

3%CNTs／AZ91复合材料在50N载荷下磨损后，其磨屑的拉曼光谱中存在CNTs的D峰和G峰，如图5（b）所示，这说明磨损后的磨屑中存在CNTs。

3 结 论

（1）在干滑动条件下，随着CNTs质量分数和载荷增加，复合材料的摩擦因数逐渐降低。

（2）在CNTs质量分数相同的条件下，随着载荷增加，复合材料的磨损量增大；在相同的载荷条件下，随着CNTs质量分数增加，复合材料的磨损量逐渐减小，这是因为具有良好自润滑和增强作用的CNTs降低了复合材料磨损面的塑性变形程度。

（3）AZ91镁合金的磨损机制为疲劳磨损和磨粒磨损；当CNTs的质量分数较低（1%）时，复合材料的磨损机制为轻微的粘着磨损和磨粒磨损，当CNTs的质量分数较高时（3%，5%），复合材料的磨损机制以磨粒磨损为主。

［1］于化顺.金属基复合材料及其制备技术［M］.北京：化学工业出版社，2006.

［2］CHAWLA N，CHAWLA K K.Metal matrix composites［M］.New York ：Springer，2006：1.

［3］杨益，杨盛良.碳纳米管增强金属基复合材料的研究现状及展望［J］.材料导报，2007，21（5）：182－184.

［4］陈文亮，黄春平，柯黎明.碳纳米管增强铜基复合材料的研究进展［J］.机械工程材料，2012，36（6）：5－8.

［5］CHEN H，ALPAS A T.Sliding wear map for the magnesium alloy Mg－9Al－0.9Zn （AZ91）［J］.Wear，2000，246（1／2）：106－116.

［6］姜靖雯，彭峰.碳纳米管应用研究现状与进展［J］.材料科学与工程学报，2002，21（3）：464－468.

［7］许玮，胡锐，高媛，等.碳纳米管增强铜基复合材料的载流摩擦磨损性能研究［J］.摩擦学学报，2010，30（3）：303－307.

［8］姜金龙，戴剑锋，袁晓明，等.纳米碳管／铝基复合材料的制备及摩擦磨损性能研究［J］.摩擦学学报，2007，27（3）：219－223.

［9］李维学，徐莺歌，郝远，等.碳纳米管增强AZ91D镁基复合材料的力学性能研究［J］.甘肃科学学报，2010，22（2）：34－37.

［10］LIU S Y，GAO F P，ZHANG Q Y，et al.Fabrication of carbon nanotubes reinforced AZ91Dcomposites by ultrasonic processing［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2010，20（7）：1222－1227.

［11］MINA M B，AMAL M E，ABDALLA W.Friction and wear behavior of Al－CNT composites ［J］.Wear，2013，307：164－173.

［12］ZHANG Z，CHEN D L. Consideration of Orowan strengthening effect in particulate reinforced metal matrix nanocomposites：a model for predicting their yield strength［J］.Scripta Materialia，2006，54（7）：1321－1326.

［13］LI H P，KANG J L，HE C N，et al.Mechanical properties and interfacial analysis of aluminum matrix composites reinforced by carbon nanotubes with diverse structures［J］.Materials Science and Engineering：A，2013，577：120－124.

［14］KIM I Y，LEE J H，LEE G S，et al.Friction and wear characteristics of the carbon nanotube－aluminum composites with different manufacturing conditions ［J］.Wear，2009，267（1／4）：593－598.