機床用新型鈷基金屬復合材料的制備與性能研究

沈勝利，張 芬

（鄭州職業技術學院，鄭州 450121）

0 引言

金屬基復合材料是現代工業中的一種新型材料，在金屬、合金或者金屬間化合物中添加含有增強成分的復合材料，用以提高材料的高強度、高剛度、高韌性、耐高溫性能、抗疲勞性能等，在航空航天、汽車輪船、通訊器材、機器設備等領域得到了廣泛的應用[1,2]。隨著工業技術的進步，市場對金屬基復合材料的要求越來越高，迫切需要我們進一步的開發出更具市場競爭力的金屬基復合材料。鈷基金屬復合材料是金屬基復合材料的一種，在機床領域有著極具前景的應用[3]。但是，目前關于鈷基金屬復合材料的研究主要是以含稀土的鈷基合金為基體，不僅材料成本高，而且制備較為復雜，工藝控制難度較大，迫切需要開發出一種新型的鈷基金屬復合材料[4～6]。為此，本文以不含稀土的鈷基合金為基體，添加即少量的石墨烯增強體，采用分步機械球磨法成功制備出了一種成本較為低、性能較佳的機床用新型鈷基金屬復合材料。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

以工業級鈷粉、鉻粉、釩粉、鍶粉和鋁粉（粉末粒徑55～75μm）以及商用石墨烯為原料，采用Pulverisett-5型四罐行星式高能球磨機進行鈷基金屬復合材料的制備。鈷基金屬復合材料中石墨烯的添加量為1wt.%。復合材料的制備工藝流程，如圖1所示。第一步機械球磨法制備出的鈷基合金粉末，采用DM2300型能量彌散X射線熒光分析儀進行化學成分分析，分析結果如表1所示。

圖1 合金制備工藝

1.2 試驗方法

物相組成：采用D8 ADVANCE型X射線衍射儀對復合材料試樣進行物相組成的分析。

顯微組織：采用GX15型金相顯微鏡和EVO18型掃描電子顯微鏡對制備出的機床用CoWAlSrCrV新型鈷基金屬復合材料試樣進行顯微組織觀察和分析。

耐磨損性能：采用THT型高溫摩擦磨損測試儀進行測試，測試溫度分別為25℃、300℃和800℃，測試時磨輪轉速為250r/min、摩擦磨損時間為30min、相對滑動速為100mm/min、磨損載荷為100N，并采用GX15型金相顯微鏡對試樣磨損表面進行觀察。

抗高溫氧化性能：采用WI SX2型高溫箱式電阻爐，進行800℃×100h的抗高溫氧化性能測試，并繪制試樣的單位面積氧化增重-時間曲線。

2 試驗結果及討論

2.1 物相組成分析

本試驗制備出的機床用CoWAlSrCrV新型鈷基金屬復合材料的XRD圖譜，如圖2所示。從圖2可以看出，該復合材料由?-Co相、Co3(Al,W)相和石墨烯組成。其中在24.2°出現一個較為強度降低、峰寬較大的石墨烯衍射峰。材料的XRD圖譜中為發現含Sr、Cr或V的化合物相，這主要是因為復合材料中Sr、Cr和V的添加量較少。

圖2 復合材料的XRD圖譜

2.2 顯微組織分析

圖3是本試驗制備出的機床用CoWAlSrCrV新型鈷基金屬復合材料的顯微組織金相照片。從圖3可以看出，該復合材料的晶粒較為細小，石墨烯增強體分布較為均勻，無明顯的團聚現象，材料中無明顯的孔洞、氣孔、裂紋等缺陷。

圖3 復合材料的顯微組織

2.3 耐磨損性能分析

本試驗制備出的機床用CoWAlSrCrV新型鈷基金屬復合材料與La2CoO4鈷基稀土復合材料的耐磨損性能測試結果，如圖4所示。從圖4可以看出，不管是在25℃、300℃還是在800℃，與La2CoO4鈷基稀土復合材料相比，本試驗制備出的機床用不含稀土的CoWAlSrCrV新型鈷基金屬復合材料的耐磨損性能都得到了明顯提高，25℃時的磨損體積從29×10-3mm3減少至16×10-3mm3，減少了44.8%；300℃時的磨損體積從83×10-3mm3減少至45×10-3mm3，減少了45.8%；800℃時的磨損體積從124×10-3mm3減少至68×10-3mm3，減少了45.2%。圖5是CoWAlSrCrV新型鈷基金屬復合材料與La2CoO4鈷基稀土復合材料在25℃磨損后的表面形貌。從圖5我們可以看出，La2CoO4鈷基稀土復合材料在磨損試驗后，表面出現較多的脫落和較重的磨損痕跡，材料的磨損現象較為明顯。與鈷基稀土復合材料，本試驗制備的新型鈷基復合材料的磨損痕跡較輕，無明顯的脫落，材料的磨損明顯減弱，材料的耐磨損性能得到顯著提高。這與復合材料的磨損體積測試結果一致。由此我們可以看出，不含稀土的CoWAlSrCrV新型鈷基金屬復合材料不僅避免了使用昂貴的稀土元素，而且材料的耐磨損性能得到了明顯提高。本試驗制備的信息鈷基復合材料具有較大的工業應用價值。

圖4 試樣的耐磨損性能測試結果

圖5 試樣磨損試驗后的表面形貌

2.4 抗高溫氧化性能分析

本試驗制備出的機床用CoWAlSrCrV新型鈷基金屬復合材料與La2CoO4鈷基稀土復合材料的800℃×100h抗高溫氧化性能測試結果，如圖6所示。從圖6可以看出，在800℃×100h高溫氧化過程中，與La2CoO4鈷基稀土復合材料相比，本試驗制備出的機床用不含稀土的CoWAlSrCrV新型鈷基金屬復合材料的單位面積質量增重明顯降低，當高溫氧化100h后的單位面積質量增重從109mg/cm2減少至33mg/cm2，減少了69.7%。由此可以看出，本試驗制備的不含稀土的新型鈷基金屬復合材料的抗高溫氧化性能較La2CoO4鈷基稀土復合材料得到了較大的提高。該新型鈷基金屬復合材料具有較好的市場應用前景。

圖6 試樣的抗高溫氧化性能測試結果

3 結論

1）以少量的石墨烯作為增強體，采用分步球磨法，可以制備出組織較為均勻、耐磨損性能和抗高溫氧化性能均較佳的機床用不含稀土的CoWAlSrCrV新型鈷基金屬復合材料。

2）與La2CoO4鈷基稀土復合材料相比，本試驗制備出的機床用不含稀土的CoWAlSrCrV新型鈷基金屬復合材料的25℃磨損體積減少44.8%、300℃磨損體積減少45.8%、800℃磨損體積減少45.2%，耐磨損性能得到明顯提高。

3）在800℃×100h高溫氧化過程中，與La2CoO4鈷基稀土復合材料相比，本試驗制備出的機床用不含稀土的CoWAlSrCrV新型鈷基金屬復合材料的單位面積質量增重明顯降低，高溫氧化100h后的單位面積質量增重減少69.7%。

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