CuZrAlNb非晶复合材料的摩擦磨损性能

梁维中， 李宗泽， 孟君晟， 陈永生， 胡海亭

(黑龙江科技大学 材料科学与工程学院，哈尔滨150022)

0 引 言

近年来，由于块状非晶合金具有高强度及高硬度等优异力学性能［1－4］，使其成为研究热点之一。摩擦磨损性能作为其重要指标一直受到人们广泛关注，其中不乏W 基［5］、Fe 基［6－7］、Zr 基［8］、Cu 基［9－11］和Ti基［12］的摩擦磨损研究。研究发现，非晶复合材料晶化体积分数对耐磨性有一定影响。Fe 基非晶复合材料晶化体积分数小于10%，比非晶材料有更高的耐磨性，其原因是增加了有塑性的晶体相。当晶化体积分数大于20%出现黏着磨损时，耐磨性变差［6］。研究证实，冷却速度改变对非晶合金磨损性能有很大影响。冷却速度快可使样品具有高的摩擦系数和磨损率，且磨损表面更粗糙，这是因为形成更多的自由体积促进剪切带的形成，提高塑性、减小耐磨性［13］。由于CuZrAl 三元体系块体非晶具有较大的玻璃形成能力、低的成本和优异的力学性能，使其更可能应用到实际生产中。因此，文中研究固定冷却速度下CuZrAlNb 非晶复合材料的摩擦磨损性能。

1 实验材料与方法

成分(原子数分数，%)为Cu48－xZr48Al4Nbx(x=3，3.4)的合金钮扣锭在Ti 吸气及Ar 气保护中，采用电弧炉熔炼制备。金属的质量分数为99.9%。合金锭重熔四次以确保化学成分均匀。直径为3 mm和长45 mm 块体非晶及其复合材料棒在纯Ar气中通过滴铸铜模的方式制成。合金结构表征采用日本理光D/MAX － RB 型X 射线衍射仪(XRD)，Cu－K辐射，特征波长λ =0.154 05 nm。显微组织分析使用MX2600 型扫描电镜(SEM)。

采用HIT－II 型摩擦磨损试验机进行实验。将试样固定在试验机上，安装试样的上部结构处于相对静止不动，下部安装的摩擦对偶在平面内做高速圆周运动。摩擦对偶选用直径64 mm、厚5 mm 的圆块，材料为GCr15 (回火硬度12 GPa)。摩擦样品直径3 mm、高度10 mm，摩擦速度为0.687 m/s、时间为1 h，摩擦方式为干摩擦。

每次实验前，摩擦对偶及试样在丙酮溶液中超声波清洗，去除表面污渍。磨损质量损失采用万分之一精密电子天平测量，以磨损前后的质量损失来表征材料的耐磨性，精确值为0.1 mg。摩擦系数数据直接从计算机上读取。使用MX2600 型扫描电镜(SEM)观察磨损形貌。

2 结果与分析

2.1 显微组织及相组成分析

图1 给出了Cu48－xZr48Al4Nbx合金显微组织形貌。图1a 为Cu44.6Zr48Al4Nb3.4的SEM 形貌，非晶基体上分布少量直径50 μm 以下的球形晶体相;图1b为Cu45Zr48Al4Nb3的SEM 形貌，球状晶化相均匀分布在非晶基体上，直径在30～150 μm，相比图1a，其晶化相数量较多。

图1 Cu48－xZr48Al4Nbx 合金显微组织形貌Fig．1 Microstructures of Cu48－xZr48Al4Nbx alloy

图2 为Cu48－xZr48Al4Nbx合金的XRD 图谱。

图2 Cu48－xZr48Al4Nbx 合金XRD 图谱Fig．2 XRD patterns of Cu48－xZr48Al4Nbx alloy

从图2 可知，Cu45Zr48Al4Nb3晶体相为立方体CuZr 相，但图谱还体现了非晶的漫散射峰特征，所以，Cu45Zr48Al4Nb3为CuZr 晶体相均匀分布的非晶复合材料。Cu44.6Zr48Al4Nb3.4没有晶体峰存在，只有非晶的漫散峰，其近似非晶合金。

2.2 磨损形貌分析

图3 为Cu48－xZr48Al4Nbx合金摩擦磨损后形貌。由图3a 可见，低倍下Cu45Zr48Al4Nb3磨损区存在许多长条状剥落坑。放大剥落坑，发现坑内存在许多白色颗粒(图3b 白色箭头)，其主要磨损机制为黏着磨损并伴随着磨粒磨损。大量剪切变形促使形成更多的自由体积，从而使复合材料发生软化，并在剥落坑附近产生软化变形［14－15］，体现塑性变形特征(图3b 黑色箭头)。图3c 为Cu44.6Zr48Al4Nb3.4磨损形貌，低倍下仍然存在剥落坑。但局部放大，可见明显裂纹、不规则片层剥落坑和从材料表面剥落物在往复运动中被碾碎而形成的片状磨屑黏着在基体表面［15］，体现明显的黏着磨损特征(图3d)。摩擦系数的高低与摩擦过程中磨粒和硬质粗糙对摩擦副造成的犁削和粗糙表面的变形等因素有关［16］。存在许多白色磨粒，并有明显的粗糙表面变形(图3b)，这些都可能导致非晶复合材料的摩擦系数变大。

图3 Cu48－xZr48Al4Nbx 合金摩擦磨损后形貌Fig．3 SEM micrographs of worn surfaces of Cu48－xZr48Al4Nbx alloy

2.3 摩擦磨损性能分析

图4 所示为Cu48－xZr48Al4Nbx合金摩擦系数随时间变化关系和两种合金耐磨系数对比。由图4a可见，随着摩擦时间增加，摩擦系数μ 有较大变化，称此阶段为低摩擦系数区(I 区)，Cu45Zr48Al4Nb3为0～35 min，Cu44.6Zr48Al4Nb3.4为0～30 min，摩擦系数随摩擦时间增加而增大;摩擦时间继续增加，摩擦系数增加速度趋于平缓，在一定范围内波动较小，称此阶段为高摩擦系数区(II 区)，Cu45Zr48Al4Nb3为35～60 min，Cu44.6Zr48Al4Nb3.4为30～60 min。Cu45Zr48Al4Nb3和Cu44.6Zr48Al4Nb3.4的平均摩擦系数分别为0.29 和0.25。高摩擦系数区摩擦系数略有偏差，原因可能是长时间摩擦使温度升高，非晶合金与复合材料发生软化，轻微黏附在摩擦对偶和实验材料上，促使摩擦系数增大，同时由于材料表面存在剥落现象，形成新的接触面，导致摩擦系数减小。

在测得块体非晶合金摩擦系数的同时，测得了材料的质量磨损量Δm。Nb 原子数分数为3%时，磨损量为1.0 mg，Nb 原子数分数为3.4%时，磨损量为1.8 mg。随着Nb 含量增加，质量磨损量呈增加趋势。耐磨系数W 可用式(1)算得:

式中，W——耐磨系数，cm－3;

ΔV——体积变化量，cm3;

ρ——密度，g/cm3;

Δm——质量变化量，mg。

图4 Cu48－xZr48Al4Nbx 合金摩擦系数与耐磨系数Fig．4 Friction coefficient and wear-resistantcoefficient of Cu48－xZr48Al4Nbx alloy

Cu45Zr48Al4Nb3和Cu44.6Zr48Al4Nb3.4的密度分别为0.329 和0.334 g/cm3，由式(1)可知，耐磨系数越大、磨损质量越小，材料的耐磨性能越好。如图4b 所示，非晶复合材料Cu45Zr48Al4Nb3耐磨系数明显大于Cu44.6Zr48Al4Nb3.4，即Cu45Zr48Al4Nb3的耐磨性能要好于Cu44.6Zr48Al4Nb3.4。

3 结 论

(1)Cu45Zr48Al4Nb3为CuZr 晶体相均匀分布的非晶复合材料;Cu44.6Zr48Al4Nb3.4为非晶合金。

(2)耐磨性能与材料的组织形态有关。非晶复合材料Cu45Zr48Al4Nb3的耐磨性能优于非晶态Cu44.6Zr48Al4Nb3.4合金，Cu45Zr48Al4Nb3摩擦系数为0.29，Cu44.6Zr48Al4Nb3.4摩擦系数为0.25。

(3)Cu45Zr48Al4Nb3为黏着磨损并伴随磨粒磨损，产生塑性变形，Cu44.6Zr48Al4Nb3.4只有黏着磨损特征。

［1］QIAO J C，PELLETIER J M，ESNOUF C，et al．Impact of the structural state on the mechanical properties in a Zr-Co-Al bulk metallic glass［J］．Journal of Alloys and Compounds，2014，607:139 －149．

［2］MA D Q，LI J．Effect of compositional tailoring on the glass-forming ability and mechanical properties of TiZr-based bulk metallic glass matrix composites［J］．Materials Science and Engineering:A，2014，612:310 －315．

［3］PAN YE，ZENG YUQIAO，JING LIJUN，et al．Composition design and mechanical properties of ternary Cu-Zr-Ti bulk metallic glasses［J］．Materials ＆ Design，2014，55:773 －777．

［4］FU J，ZHU Y H．Effect of laser shock peening on mechanical properties of Zr-based bulk metallic glass［J］．Applied Surface Science，2014，313:692 －697．

［5］MADGE S V．Novel W-based metallic glass with high hardness and wear resistance［J］．Intermetallics，2014，47:6 －10．

［6］KWON D H，PARK E S，HUH M Y，et al．Wear behavior of Febased bulk metallic glass composites［J］．Journal of Alloys and Compounds，2011，509:S105 －S108．

［7］MADDALA D R，HEBERT R J．Sliding wear behavior of Fe50－xCr15Mo14C15B6Erx(x=0，1，2 at%)bulk metallic glass［J］．Wear，2012，294/295:246 －256．

［8］TAO PINGJUN，YANG YUANZHENG，CHEN XIN，et al．Enhanced wear resistance in Zr-based bulk metallic glasses by hydrogen［J］．International Journal of Hydrogen Energy，2013，38(21):9052 －9056．

［9］MADDALA D R，MUBAROK A，HEBERT R J．Sliding wear behavior of Cu50Hf41.5Al8.5bulk metallic glass［J］．Wear，2010，269:572 －580．

［10］TAM C Y，SHEK C H．Abrasive wear of Cu60Zr30Ti10bulk metallic glass［J］．Materials Science and Engineering:A，2004，384(1/2):138 －142．

［11］LIN Y C．Tribological behavior of (Cu42Zr42Al8Ag8)99.5Si0.5bulk metallic glass［J］．Wear，2012，280:5 －14．

［12］RAHAMAN M L，ZHANG L C，RUAN H H．Effects of environmental temperature and sliding speed on the tribological behaviour of a Ti-based metallic glass［J］．Intermetallics，2014，52:36 －48．

［13］HUANG Y J，FAN H B，WANG D J，et al．The effect of cooling rate on the wear performance of a ZrCuAlAg bulk metallic glass［J］．Materials ＆ Design，2014，58:284 －289．

［14］BHOWMICK R，RAGHAVAN R，CHATTOPADHYAY K，et al．Plastic flow softening in a bulk metallic glass［J］．Acta Materialia，2006，54(16):4221 －4228．

［15］吴 宏．Zr 基块体非晶合金室温塑性变形与摩擦磨损行为研究［D］．长沙:中南大学，2011:1 －128．

［16］张 君，徐春园，张思成．金属材料摩擦磨损行为的影响因素［J］．甘肃科技，2008，24(4):49 －50．