Zn-Cr2AlC复合材料的制备与摩擦磨损性能

李志， 赵文月， 缪奶华

(北京航空航天大学 材料科学与工程学院， 北京 100083)

锌合金具有优良的机械性能、摩擦学性能、优异的铸造性及环境友好等优点[1-6]，可以代替铸造铝合金、轴承青铜、铸铁、塑料甚至钢材等，用于制造在中等使用温度条件下操作的摩擦元件。而锌合金存在熔点较低、耐热性较差和抗蠕变强度低等问题[7-8]，使其应用范围受限。因此研究人员采用不同的增强材料(颗粒、晶须或短纤维)，以期获得更强的机械性能和摩擦学性能。传统的增强相陶瓷颗粒与基体之间的界面结合性较差、热膨胀系数差异较大，使得其性能仍然不太理想。最近，兼具金属与陶瓷优异特性的三元层状化合物MAX(Mn+1AXn的缩写，其中M代表过渡族金属元素，A代表第三和第四主族元素，X代表C和/或N，n=1，2，3)相[9-11]增强相的使用，可有效提高金属基复合材料的性能。Gupta等[12]用热压法制备了Ti3SiC2增强Zn基复合材料，结果表明，在基体中添加一定量的Ti3SiC2颗粒可提升材料的摩擦磨损性能，但对力学性能几乎没有增益效果；Li等[13]利用无压烧结结合热压烧结的方法制备了Ti3AlC2/ZA27复合材料，实验得到材料的拉伸强度和弯曲强度分别为335 MPa和570 MPa，力学性能明显改善，这得益于增强相颗粒与基体之间的良好界面结合以及晶粒的细化。Cr2AlC[14-15]与MAX相[9]体系其他常用作增强相的化合物都具有相近的弹性模量和硬度值，但Cr2AlC的热膨胀系数更大，与Zn更匹配，因此Cr2AlC可能更适合作为Zn基复合材料的增强相。

本实验首先采用无压烧结法合成了高纯的Cr2AlC粉末，然后采用热压烧结法合成了Zn-Cr2AlC复合材料，并表征了复合材料的基本物理性能，进一步研究了Cr2AlC颗粒的含量对Zn-Cr2AlC复合材料的摩擦磨损性能的影响。

1 实 验

采用无压烧结法合成高纯Cr2AlC粉末，过筛后得到的粉末颗粒尺寸不超过38 μm。用X射线衍射仪(XRD)进行物相检测并进行定量分析，得到的Cr2AlC粉末纯度大于98%。购买得到的Zn粉颗粒尺寸小于38 μm，纯度大于99.9%。

在Zn粉中加入不同比例的Cr2AlC粉末，增强相质量分数在5%～30%之间变化(分别记为Zn-5%Cr2AlC、Zn-10%Cr2AlC、Zn-20%Cr2AlC、Zn-30%Cr2AlC)，用球磨机充分混合12 h后得到混合均匀的Zn-Cr2AlC复合粉末。将粉末分别装进石墨模具中，在氩气气氛保护下，以10℃/min的升温速率升至400℃，施加50 MPa压力，保温3 h，卸载压力，停止加热，随炉冷却至室温。为了对比材料性能的变化，在相同实验条件下制备了纯Zn样品。

制备的纯Zn和复合材料块状样品，用阿基米德排水法测量其密度，用型号为D/MAX-2500的XRD分析材料的物相，用LEICA DM400光学显微镜观察材料的金相组织，用FM800显微维氏硬度计测量硬度。用UMT-2摩擦磨损试验机进行摩擦磨损实验。选用45#钢钢球为对磨体，摩擦方式为球-块式往复运动摩擦。在室温下进行干摩擦试验，滑块运动频率5 Hz，振幅4 mm，载荷1 N，滑动时间20 min。相同条件下的样品重复3次实验。磨损率计算式为

(1)

式中：WR为材料的磨损率；mi为样品的初始质量；mf为样品磨损后的质量；ρ为样品的实际密度；N为实验加载载荷；d为实验过程中的滑动距离。研究Cr2AlC含量对复合材料摩擦磨损性能的影响，用JSM7500扫描电子显微镜(SEM)观察磨损后的材料表面形貌。

2 结果与分析

2.1 物相与金相

图1为纯Zn和复合材料样品的XRD图谱，可以发现，除了基体Zn和增强相Cr2AlC的衍射峰之外，没有检测到任何其他物质的衍射峰，表明复合材料在制备过程中未发生氧化，并且基体Zn与增强相Cr2AlC之间没有相互反应。

纯Zn和复合材料的金相组织照片如图2所示。从图2(a)可以看出纯Zn样品中分布有一些小气孔。当Cr2AlC质量分数为5%和10%时(见图2(b)和2(c))，基体与增强相界面接合良好，两相分布也较为均匀，增强相Cr2AlC颗粒大小约为30 μm，仍有少量气孔。而当Cr2AlC质量分数为20%时，如图2(d)所示，Cr2AlC颗粒大量团聚，分布不均匀，同时在基体与增强颗粒界面处有孔洞存在。Cr2AlC含量继续增长到30%，如图2(e)所示，Cr2AlC颗粒团聚严重，两相界面处存在大量的孔洞，使材料呈现为多孔的蓬松结构。

图1 纯Zn及复合材料的XRD图谱Fig.1 XRD patterns of pure Zn and composites

图2 纯Zn及复合材料的金相组织Fig.2 Microstructures of pure Zn and composites

2.2 维氏硬度与相对密度

图3为Zn-Cr2AlC复合材料的维氏硬度和相对密度随Cr2AlC的质量分数变化的曲线。由图3可见，当Cr2AlC的质量分数从5%增长到20%时，材料维氏硬度逐渐提高，最高可达到纯Zn硬度的1.52倍；Cr2AlC质量分数为30%时，维氏硬度反而显著降低。原因在于增强颗粒Cr2AlC的硬度大大高于基体Zn，由于增强效应，适量的Cr2AlC颗粒可使复合材料的维氏硬度明显提高，而过量的Cr2AlC颗粒倾向于团聚，使两相分布不均匀，影响了两相间的结合，孔隙增多，故而材料的硬度值不升反降。此外，材料的相对密度随增强相质量分数的增加而减小。一方面，Zn的熔点为419℃，在400℃下为固相烧结，此时材料的致密化方式主要为固态扩散[16]；另一方面，增强相质量分数越高，越容易团聚，会阻碍基体晶粒的晶界流动性，使材料致密化困难，导致复合材料的气孔逐渐增多，相对密度逐渐下降。

图3 纯Zn及复合材料的硬度和相对密度Fig.3 Vickers-hardness and relative density of pure Zn and composites

2.3 摩擦磨损性能

图4(a)～(e)给出了纯Zn及复合材料的摩擦系数随滑动时间的变化曲线。由图4(a)可见，纯Zn的摩擦系数约为0.75，在整个滑动摩擦过程中摩擦系数都比较稳定。由图4(b)可见，复合材料Zn-5%Cr2AlC在摩擦运开始的前5～10 min内，其摩擦系数随时间的变化幅度较大，为磨合阶段；10 min后，过渡到稳定阶段，材料的摩擦系数随时间变化的曲线变得平滑，基本稳定在0.85左右。图4(c)和4(d)显示了与图4(b)一样的摩擦系数变化趋势，最终Zn-10%Cr2AlC和Zn-20%Cr2AlC复合材料的摩擦系数分别稳定在0.70和0.65左右。由图4(e)可见，当复合材料中Cr2AlC的质量分数达到30%时，其摩擦系数异常稳定，波动性极小，为0.15±0.02，比纯Zn低80%。图4(f)为各复合材料在稳定状态下的摩擦系数。由图4(f)可见，当Cr2AlC质量分数为5%～30%时，随着Cr2AlC的质量分数的上升，复合材料的摩擦系数呈下降趋势。Zn基体中添加Cr2AlC颗粒对复合材料的摩擦磨损性能是有利的。特别是对于Zn-30%Cr2AlC复合材料，其摩擦系数降到了0.15。这是由于Cr2AlC的高含量导致复合材料难以致密化，材料表面气孔较多，而复合材料与磨球之间的接触形式是点接触，样品的多孔结构使材料的摩擦系数急剧下降。因此，增强相Cr2AlC颗粒的引入，降低了复合材料的摩擦系数，增强了材料的耐磨性。

复合材料的磨损率随Cr2AlC质量分数变化关系如图5所示。纯Zn的磨损率为9.61×10-4mm3·N-1·m-1，随着Cr2AlC质量分数的增加，复合材料的磨损率逐渐降低，Zn-30%Cr2AlC

图4 摩擦系数随滑动时间的变化Fig.4 Friction coefficient versus sliding time

的磨损率最小，为1.87×10-4mm3·N-1·m-1，比纯Zn降低了80.54%。本实验所测试的复合材料试样磨损率的范围为(2～9)×10-4mm3·N-1·m-1。该结果与Gupta等[12]研究的Ti3SiC2颗粒增强Zn基复合材料得到的结果类似。

图6(a)～(e)为复合材料的磨损表面形貌照片。由图6(a)可见，纯Zn样品磨损表面有粉末碎屑和剥离凹坑。由图6(b)可见，复合材料Zn-5%Cr2AlC中，Cr2AlC含量较低，磨损表面存在松散的磨料碎片和大片脱层，可认为磨损类型是磨料磨损和剥层磨损。由图6(c)可见，Zn-10%Cr2AlC复合材料磨损表面存在浅的犁沟和薄的脱层而没有剥离凹坑。由图6(d)可见，Zn-20%Cr2AlC复合材料磨损表面相对平滑，分布着浅而直的犁沟，磨损程度比其他样品轻。这种磨损表面形貌的演变现象，是引入了具有自润滑性质的Cr2AlC颗粒导致的。由图6(e)可见，Zn-30%Cr2AlC复合材料，由于多孔特征，在磨损过程中脱落的磨料填充于孔隙中，使得样品的磨损表面非常光滑，这种磨损形貌在Al-Ti3SiC2复合材料相对于Al2O3的干摩擦实验中也可观察到[17]。结合Gupta和Barsoum[18]研究基于MAX相复合材料的摩擦学结论，分析本实验中样品磨损表面的特性，可以得出复合材料样品的磨损机制是磨粒磨损和剥层磨损。

图5 纯Zn及复合材料的磨损率Fig.5 Wear rates of pure Zn and composites

图6 纯Zn及复合材料的磨损表面形貌Fig.6 Worn surface morphology of pure Zn and composites

3 结 论

本文采用无压烧结合成了高纯Cr2AlC粉末，采用热压烧结法制备了Zn-Cr2AlC复合材料，研究了Cr2AlC颗粒的加入量对复合材料的金相组织、维氏硬度及摩擦磨损性能等的影响，可得出以下结论：

1) Cr2AlC质量分数在5%～20%范围内，复合材料的硬度随Cr2AlC质量分数增加而提高，当Cr2AlC质量分数过高(30%)时，复合材料难以致密化，硬度值不升反降。

2) 在Zn基体中添加Cr2AlC颗粒，摩擦系数由纯Zn的0.75降低到Zn-20%Cr2AlC复合材料的0.65；磨损率由纯Zn的9.61×10-4mm3·N-1·m-1降低到Zn-30%Cr2AlC复合材料的1.87×10-4mm3·N-1·m-1，复合材料的摩擦磨损性能明显提升。

3) 复合材料在干摩擦实验条件下的磨损机制以磨粒磨损为主，并有轻微的剥层磨损。

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