沈勝利，張 芬

（鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450121）

0 引言

金屬基復(fù)合材料是現(xiàn)代工業(yè)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(fù)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(shè)備等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1,2]。隨著工業(yè)技術(shù)的進步，市場對金屬基復(fù)合材料的要求越來越高，迫切需要我們進一步的開發(fā)出更具市場競爭力的金屬基復(fù)合材料。鈷基金屬復(fù)合材料是金屬基復(fù)合材料的一種，在機床領(lǐng)域有著極具前景的應(yīng)用[3]。但是，目前關(guān)于鈷基金屬復(fù)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(fù)雜，工藝控制難度較大，迫切需要開發(fā)出一種新型的鈷基金屬復(fù)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(fù)合材料。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

以工業(yè)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(fù)合材料的制備。鈷基金屬復(fù)合材料中石墨烯的添加量為1wt.%。復(fù)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(xué)成分分析，分析結(jié)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(fù)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(fù)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(zhuǎn)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(jié)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(fù)合材料的XRD圖譜，如圖2所示。從圖2可以看出，該復(fù)合材料由?-Co相、Co3(Al,W)相和石墨烯組成。其中在24.2°出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)含Sr、Cr或V的化合物相，這主要是因為復(fù)合材料中Sr、Cr和V的添加量較少。

圖2 復(fù)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(fù)合材料的顯微組織金相照片。從圖3可以看出，該復(fù)合材料的晶粒較為細(xì)小，石墨烯增強體分布較為均勻，無明顯的團聚現(xiàn)象，材料中無明顯的孔洞、氣孔、裂紋等缺陷。

圖3 復(fù)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(fù)合材料與La2CoO4鈷基稀土復(fù)合材料的耐磨損性能測試結(jié)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(fù)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(fù)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(fù)合材料與La2CoO4鈷基稀土復(fù)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(fù)合材料在磨損試驗后，表面出現(xiàn)較多的脫落和較重的磨損痕跡，材料的磨損現(xiàn)象較為明顯。與鈷基稀土復(fù)合材料，本試驗制備的新型鈷基復(fù)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(fù)合材料的磨損體積測試結(jié)果一致。由此我們可以看出，不含稀土的CoWAlSrCrV新型鈷基金屬復(fù)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(fù)合材料具有較大的工業(yè)應(yīng)用價值。

圖4 試樣的耐磨損性能測試結(jié)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(fù)合材料與La2CoO4鈷基稀土復(fù)合材料的800℃×100h抗高溫氧化性能測試結(jié)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(fù)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(fù)合材料的單位面積質(zhì)量增重明顯降低，當(dāng)高溫氧化100h后的單位面積質(zhì)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(fù)合材料的抗高溫氧化性能較La2CoO4鈷基稀土復(fù)合材料得到了較大的提高。該新型鈷基金屬復(fù)合材料具有較好的市場應(yīng)用前景。

圖6 試樣的抗高溫氧化性能測試結(jié)果

3 結(jié)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(fù)合材料。

2）與La2CoO4鈷基稀土復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)合材料的單位面積質(zhì)量增重明顯降低，高溫氧化100h后的單位面積質(zhì)量增重減少69.7%。

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