机床用新型钴基金属复合材料的制备与性能研究

沈胜利，张 芬

（郑州职业技术学院，郑州 450121）

0 引言

金属基复合材料是现代工业中的一种新型材料，在金属、合金或者金属间化合物中添加含有增强成分的复合材料，用以提高材料的高强度、高刚度、高韧性、耐高温性能、抗疲劳性能等，在航空航天、汽车轮船、通讯器材、机器设备等领域得到了广泛的应用[1,2]。随着工业技术的进步，市场对金属基复合材料的要求越来越高，迫切需要我们进一步的开发出更具市场竞争力的金属基复合材料。钴基金属复合材料是金属基复合材料的一种，在机床领域有着极具前景的应用[3]。但是，目前关于钴基金属复合材料的研究主要是以含稀土的钴基合金为基体，不仅材料成本高，而且制备较为复杂，工艺控制难度较大，迫切需要开发出一种新型的钴基金属复合材料[4～6]。为此，本文以不含稀土的钴基合金为基体，添加即少量的石墨烯增强体，采用分步机械球磨法成功制备出了一种成本较为低、性能较佳的机床用新型钴基金属复合材料。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

以工业级钴粉、铬粉、钒粉、锶粉和铝粉（粉末粒径55～75μm）以及商用石墨烯为原料，采用Pulverisett-5型四罐行星式高能球磨机进行钴基金属复合材料的制备。钴基金属复合材料中石墨烯的添加量为1wt.%。复合材料的制备工艺流程，如图1所示。第一步机械球磨法制备出的钴基合金粉末，采用DM2300型能量弥散X射线荧光分析仪进行化学成分分析，分析结果如表1所示。

图1 合金制备工艺

1.2 试验方法

物相组成：采用D8 ADVANCE型X射线衍射仪对复合材料试样进行物相组成的分析。

显微组织：采用GX15型金相显微镜和EVO18型扫描电子显微镜对制备出的机床用CoWAlSrCrV新型钴基金属复合材料试样进行显微组织观察和分析。

耐磨损性能：采用THT型高温摩擦磨损测试仪进行测试，测试温度分别为25℃、300℃和800℃，测试时磨轮转速为250r/min、摩擦磨损时间为30min、相对滑动速为100mm/min、磨损载荷为100N，并采用GX15型金相显微镜对试样磨损表面进行观察。

抗高温氧化性能：采用WI SX2型高温箱式电阻炉，进行800℃×100h的抗高温氧化性能测试，并绘制试样的单位面积氧化增重-时间曲线。

2 试验结果及讨论

2.1 物相组成分析

本试验制备出的机床用CoWAlSrCrV新型钴基金属复合材料的XRD图谱，如图2所示。从图2可以看出，该复合材料由ɣ-Co相、Co3(Al,W)相和石墨烯组成。其中在24.2°出现一个较为强度降低、峰宽较大的石墨烯衍射峰。材料的XRD图谱中为发现含Sr、Cr或V的化合物相，这主要是因为复合材料中Sr、Cr和V的添加量较少。

图2 复合材料的XRD图谱

2.2 显微组织分析

图3是本试验制备出的机床用CoWAlSrCrV新型钴基金属复合材料的显微组织金相照片。从图3可以看出，该复合材料的晶粒较为细小，石墨烯增强体分布较为均匀，无明显的团聚现象，材料中无明显的孔洞、气孔、裂纹等缺陷。

图3 复合材料的显微组织

2.3 耐磨损性能分析

本试验制备出的机床用CoWAlSrCrV新型钴基金属复合材料与La2CoO4钴基稀土复合材料的耐磨损性能测试结果，如图4所示。从图4可以看出，不管是在25℃、300℃还是在800℃，与La2CoO4钴基稀土复合材料相比，本试验制备出的机床用不含稀土的CoWAlSrCrV新型钴基金属复合材料的耐磨损性能都得到了明显提高，25℃时的磨损体积从29×10-3mm3减少至16×10-3mm3，减少了44.8%；300℃时的磨损体积从83×10-3mm3减少至45×10-3mm3，减少了45.8%；800℃时的磨损体积从124×10-3mm3减少至68×10-3mm3，减少了45.2%。图5是CoWAlSrCrV新型钴基金属复合材料与La2CoO4钴基稀土复合材料在25℃磨损后的表面形貌。从图5我们可以看出，La2CoO4钴基稀土复合材料在磨损试验后，表面出现较多的脱落和较重的磨损痕迹，材料的磨损现象较为明显。与钴基稀土复合材料，本试验制备的新型钴基复合材料的磨损痕迹较轻，无明显的脱落，材料的磨损明显减弱，材料的耐磨损性能得到显著提高。这与复合材料的磨损体积测试结果一致。由此我们可以看出，不含稀土的CoWAlSrCrV新型钴基金属复合材料不仅避免了使用昂贵的稀土元素，而且材料的耐磨损性能得到了明显提高。本试验制备的信息钴基复合材料具有较大的工业应用价值。

图4 试样的耐磨损性能测试结果

图5 试样磨损试验后的表面形貌

2.4 抗高温氧化性能分析

本试验制备出的机床用CoWAlSrCrV新型钴基金属复合材料与La2CoO4钴基稀土复合材料的800℃×100h抗高温氧化性能测试结果，如图6所示。从图6可以看出，在800℃×100h高温氧化过程中，与La2CoO4钴基稀土复合材料相比，本试验制备出的机床用不含稀土的CoWAlSrCrV新型钴基金属复合材料的单位面积质量增重明显降低，当高温氧化100h后的单位面积质量增重从109mg/cm2减少至33mg/cm2，减少了69.7%。由此可以看出，本试验制备的不含稀土的新型钴基金属复合材料的抗高温氧化性能较La2CoO4钴基稀土复合材料得到了较大的提高。该新型钴基金属复合材料具有较好的市场应用前景。

图6 试样的抗高温氧化性能测试结果

3 结论

1）以少量的石墨烯作为增强体，采用分步球磨法，可以制备出组织较为均匀、耐磨损性能和抗高温氧化性能均较佳的机床用不含稀土的CoWAlSrCrV新型钴基金属复合材料。

2）与La2CoO4钴基稀土复合材料相比，本试验制备出的机床用不含稀土的CoWAlSrCrV新型钴基金属复合材料的25℃磨损体积减少44.8%、300℃磨损体积减少45.8%、800℃磨损体积减少45.2%，耐磨损性能得到明显提高。

3）在800℃×100h高温氧化过程中，与La2CoO4钴基稀土复合材料相比，本试验制备出的机床用不含稀土的CoWAlSrCrV新型钴基金属复合材料的单位面积质量增重明显降低，高温氧化100h后的单位面积质量增重减少69.7%。

[1]郭建亭.高温合金材料学应用基础理论(上册)[M].科学出版社,2008.

[2]Rafał Jendrzejewski,Carmen Navas,Ana Conde,et al.Properties of laser-cladded stellite coatings prepared on preheated chromium steel[J].Materials & Design,2008,29(1):187-192.

[3]QIAO Zhuhui, MA Xianfeng,ZHAO Wei.A novel (W-Al)-CCo composite cemented carbide prepared by mechanical alloying and hot-pressing sintering[J].International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2008,26(3):251-255.

[4]Akane Suzuki,Tresa M Pollock.High-temperature strength and deformation of ɣ/ɣ' two-phase Co-Al-W-base alloys[J].Acta Materialia,2008,56(6):1288-1297.

[5]刘明凯,任秋荣,李向召.水泥基压电复合材料的制备及其性能研究[J].制造业自动化,2011,(11):97-100.

[6]郑亮,谷臣清,于保正,等.低Cr高W铸造镍基高温合金的高温氧化行为及Ta的合金化作用[J].航空材料学报,2005,25(5):1-7.