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1、中国科学G辑:物理学力学天文学2008年第38卷第11期:1477~1487《中国科学》杂志社www.scichina.comphys.scichina.comSCIENCEINCHINAPRESS纯铜纳米晶表层摩擦磨损性能研究*韩忠,卢柯中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室,沈阳110016*联系人,E-mail:lu@imr.ac.cn收稿日期:2008-06-02;接受日期:2008-09-04国家重点基础研究发展计划资助项目(编号:2005CB623604)摘要采用表面机械研磨(SurfaceMechanicalAttrition
2、Treatment,SMAT)关键词方法,成功地在纯铜表面制备出厚度约为25μm纳米晶层,最表层晶粒尺寸纳米晶表层约为10nm.研究了Cu纳米晶表层在室温条件下滑动及微动摩擦磨损性能.铜结果表明,在干摩擦滑动条件下,Cu纳米晶表层摩擦磨损性能明显优于普通耐磨性SMAT粗晶Cu.当载荷低于20N时,Cu纳米晶表层稳态摩擦系数低于粗晶铜;在实验载荷范围内,Cu纳米晶表层磨损量低于粗晶铜,并随载荷增大,这种差异逐渐减小.Cu纳米晶表层耐磨性提高主要归于纳米结构高硬度,以及氧化物屑易形成稳定的机械混合层等因素.在微动条件下,Cu纳米晶表层耐磨性明显优于粗晶Cu
3、,其磨损量明显低于粗晶Cu.在干摩擦条件下,Cu纳米晶表层摩擦系数低于粗晶Cu,磨损随载荷与微动频率的变化是连续氧化物磨屑层的形成与破坏过程;在油润滑条件下,Cu纳米晶表层摩擦系数高于粗晶Cu,主要是其高硬度导致油膜破坏引起金属之间局部直接接触造成,其磨损量大幅度下降与其磨损过程中在对磨球上形成转移层密切相关.纳米晶体材料奇异的物理、化学及力学性能,以及对这些现象本质的理解,一直以来都是材料科学领域倍受关注的热点.然而,有关纳米材料使役性能,如耐磨性,耐蚀性等方面的研[1]究相对较少,主要是由于受样品尺寸的限制.近年来随着纳米材料制备技术的不断发展,有
4、关研究结果相继报道,纳米材料使役性能开始引起研究者的高度重视,因为这将对纳米材料能否应用至关重要.材料经纳米化后,由于结构发生很大变化,必然会影响其使役性能.对金属材料而言,[2,3]晶粒细化到纳米量级,大多数服从Hall-Petch关系,纳米材料的硬度较普通粗晶材料明显提高,这是否会给其耐磨性带来影响,无疑会引起许多研究者关注.尽管Holm-ArchardLS⋅经典磨损定律Δ=VK(ΔV为磨损量,L为载荷,S为滑动距离,H为磨损表面硬度)已经H1477韩忠等:纯铜纳米晶表层摩擦磨损性能研究不具有普适性,材料耐磨性常常不与其硬度成正比,但硬度始终是研究
5、材料摩擦磨损性能的一个重要参数.研究表明,对于退火态纯金属,机械加工硬化没有改变其耐磨粒磨损能[4]力,而晶粒细化引起的硬化却提高了其耐磨粒磨损能力.从超细晶和纳米晶材料摩擦磨[5,6]损性能方面的文献看,无论是块体材料还是薄膜及涂层,其耐磨性均有不同程度提高.[7]其中WC-Co纳米复合材料,由于WC晶粒尺寸减小到70nm,耐磨性提高一倍;磁控溅[8]射纳米铝膜晶粒尺寸由1mm减小到16.5nm,最大摩擦系数减小大约55%;电解沉积纳[9]米晶Ni涂层,耐磨性提高到粗晶的100~170倍;爆炸法制备的纳米晶Cu-Zn合金,经适[1]当退火,其耐磨性在
6、中低载荷分别提高2~10倍.等通道挤压法制备的超细晶钛,磨损率[10]降低了30%.材料的磨损起源于表面,表面纳米化不仅解决了制备块体纳米材料的困难,对提高传统材料表面摩擦磨损性能具有实际意义.由于高导热导电性能,纯铜一直以来都是科学家感兴趣的金属材料.但它较低的强度和硬度,限制了其在工业界的应用.通常晶粒细化是对金属和合金强化的主要方法之一.通过表面机械研磨(SMAT)的方法,我们成功地在纯铜块体表面制[11]备出纳米晶层.本文主要叙述了纳米晶表层对纯铜表面摩擦磨损性能的影响,并探讨有关摩擦磨损机制.1实验材料和方法实验采用厚度为3mm铜板,纯度为9
7、9.99%(质量分数).将板材切割成100mm×100mm的样品,进行真空退火处理(923K,2h),获得均匀的粗晶组织.退火态样品经表面清洗后,进行室温真空SMAT处理.有关表面机械研磨技术的详细介绍参见文献[12,13].在一个圆柱形容器中放置大量直径为8mm的钢球,容器上部固定样品,下部与振动发生装置相连,工作时钢球以50Hz的频率在容器内高速振动,以随机方向与样品表面发生碰撞.大量钢球撞击,在样品表面产生严重塑性变形,铜表层微观结构可以细化到纳米尺度.采用JEM-2010型透射电子显微镜(TEM)表征样品表层微观结构,详细结果见文献[11].利
8、用MVK-H3显微硬度计测量样品硬度,载荷为10g,加载时间为10s.采用OptimolSRV
