2024年3月15日发(作者：迮勃)
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第３５卷
第９期
稀有金属材料与工程
Ｖｏ１．３５，Ｎｏ．９
２００６正
９月
ＲＡＲＥ ＭＥＴＡＬＭＡＴＥＲＩＡＬＳＡＮＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲ１ＮＧ
Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２００６
热压法制备２０％Ｇｒｐ／６０６１Ａ１复合材料
及其摩擦磨损特性研究
谢盛辉 ，一，曾燮榕２，熊信柏２，李 龙 ，邹继兆
（１．西北工业大学材料学院，陕西西安７１００６８１
（２．深圳大学理学院材料系深圳市特种功能材料重点实验室，广东深圳５１８０６０）
摘要：采用快速升温热压法制备了２０％Ｇｒｖ＇６０６１Ａ１（质量分数，下同）复合材料并研究其摩擦磨损特性，通过光学显
微镜和ＳＥＭ分别观察了样品的组织结构及磨痕形貌，采用ＸＲＤ分析了复合材料的相组成。研究表明：快速升温热压
能避免有害的界面反应，得到石墨颗粒分布均匀、界面干净且结合良好的Ｇｒｐ／６０６１Ａ１复合材料，复合材料具有良好的
摩擦磨损性能，Ｔ６处理能显著降低复合材料的摩擦系数和磨损率。在６０ ｒ／ｍ转速、ｌ Ｎ～７ Ｎ载荷下，复合材料的摩擦
系数随载荷的增大而减少，磨损量增大。Ｔ６热处理强化了界面结合，有利于石墨膜形成．降低了复合材料的摩擦系数．
也显著减少了磨损率。热处理后，复合材料摩擦系数可达到０．１６，磨损量平均减幅达５０％，采用的最大载荷７ Ｎ下磨
损率可减少到４．７×ｌ０ ｍｍ ／ｍ。
关键词：ＧｒＪ６０６１Ａ１复合材料：摩擦系数；磨损率；石墨润滑膜
中图法分类号：ＴＧｌｌ３．１２：ＴＧ２４９．９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２．１８５Ｘ（２００６）０９．１４７９．０４
颗粒增强轻合金基复合材料具有高比强度、高比
子天平称量原始粉末，采用１０：１球料比，高纯氩气保
刚度，且成本低，在军事、航空航天、汽车等领域具 护，在行星式球磨机上以２００ ｒ／ｍｉｎ球磨１ ｈ－２４ ｈ。混
有广阔的应用前景【】．２】。石墨颗粒铝基复合材料综合了
料后冷压除气，并快速升温热压，温度为６００￣Ｃ，保
石墨的自润滑性能及其低热膨胀、高导热和铝合金优
温时间５ ｍｉｎ，压力为３３ ＭＰａ。最后进行Ｔ６热处理，
异的强度和塑性，使复合材料具有适当的摩擦系数及
５２５℃固溶４ ｈ，１７０℃时效１０ ｈ。样品经磨光和抛光
高的耐磨性等优良的物理力学性能【３ 】，主要应用于液 后，未经腐蚀在奥林巴斯ＧＸ７１金相显微镜下观察显
压油泵、内燃机活塞、压缩机滑片、滑动轴承的摩擦
微组织；采用Ｙ－４Ｑ Ｘ射线衍射仪分析样品的物相组
副零件等耐磨减摩的应用场合，具有可观的经济效益。
成；摩擦磨损试验在ＰＣＤ．３００Ａ摩擦磨损表面形貌测
由于石墨与铝润湿性差，合成困难，制备过程中
试仪上进行，载荷分别为１ Ｎ，３ Ｎ，５ Ｎ和７ Ｎ，对
必须借助一些改善两者润湿性的方法【６娟】。一般采用 磨材料用Ｇｒｌ５轴承钢；采用ＪＳＭ一６４６０ＬＶ扫描电镜
石墨表面镀层（Ｎｉ，Ｃｕ等）Ｉｇ，ｌＯｌ、基体添加合金元素、
观察磨痕表面形貌。
压力浸渗等。此外，石墨与铝之间易发生有害界面反
应［１１，１２］，如何控制界面结构也是制备工艺的难点。本
２结果及分析
研究采用高能球磨，在基体中添加Ｇｒ／Ａ１润湿性促进
２．１ 制备工艺对复合材料组织结构的影响
元素，并借助快速升温热压烧结，制备了２０％Ｇｒｖ／
Ｇｒｐ／６０６１ＡＩ复合材料经不同时间球磨后的显微组
６０６１Ａ１复合材料，研究了其摩擦磨损性能及其机理。
织如图１所示。由图１可见，２０％Ｇｒｖ／６０６１ＡＩ复合材
１ 实验方法
料具有均匀的组织结构，石墨颗粒分布均匀。但在球
磨过程中，石墨颗粒被碾平并最终断裂成长条形石墨
采用６０６１Ａ１合金为基体，成分为：ＡＩ．０．６Ｓｉ． 条，球磨时间越长，石墨越细小。图２为分别球磨了
１．２Ｍｇ－０．４Ｃｕ一０．２Ｃｒ－０．１５Ｍｎ－０．１５Ｔｉ。金属粉末纯度均 ４ ｈ和２４ ｈ样品中石墨的形貌。从图２可知，球磨时
大于９９％，铝粉平均粒度为８０ ｍ；石墨颗粒纯度大 间延长６倍以后，石墨颗粒尺寸减少了２／３。可见高能
于９９．８５％，颗粒度（≤３０ ｍ）≥９５％。用万分度电 球磨有利于增强体的有效细化，并增大表面能，利于
收稿日期：２００５．１０．０９
作者简介：谢盛辉，男，１９７４年生，在职博士生，讲师，深圳大学理学院材料系，电话：０７５５・２６５３７４５９，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｅｎｇｘｉｅｒ＠ｓｚｕ ｅｄｕ．ｃｎ
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・ｌ４８Ｏ 稀肯盘属制制 工鞋 第３５卷
后续的烧结 从 １还川以看 ，球磨４ ｈ的样品
墨翱牲静ｊ远人寸原嫡Ｊｔ、Ｊ（３０ ｍ），随州石墨在球麝
的甄当化 球磨１ ｈ 样☆＾ 其仃较ｒ坷晌数带性，
｛日从匿ｌ Ｉ ｃ的轻微照Ｊ ‘可见，还存＾：少键扎隙。随着球
离时问的延长，密度继续ｆ ．４ ｈ以 ，样品密
叫被碾平，并人人条Ｊ眵化． ｕ球鹏２４ ｈ后的样品 墨
颗粒开始小Ｊ：原妁Ｒ、 复台丰才料晌密度与球赌时ＩｈＪ
的芙系见袁１ 从嵌１ ｌ１．知．在 它条件卡［】同呐情
下 随着球瞎时问竹难ｌ＝：，干荸一 －诞加敛密。司见粉术
度达到理论密度的９９ ９％．缸做组 ｉ 完全致簖，呵
见４ ｈ是理想ｆｌｆ】球廓参数。仉是球崩２４ ｈ盯利ｊ 盥
颗粒的进 步缃化，＿ｆ『利Ｆ 续摩擦磨搦性能
随着其表丽ｊ＝｝！增凡．表商能急剧增大，促进了烧结过
Ｉ ２０％Ｇｒ￣／６０６１ＡＩ复台村 ：｝ｆ内盘 微纲织
Ｆｉｇ Ｉ Ｏｐｔｉｃａｌｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ２０。 Ｇ ｒｎ１６０６１ＡＩ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｌｈ ｂａｉｌ ｍｉｌｌｉｎｇｔｉｍｅ ｏｆ２４ ｈ（ａ）．４ ｈ（ｂ Ｊ Ｉ ｈ（ｃ）
从图２还｜『］看 ，复台利料
反应层。 墨颗粒与铝基体结合党
没有嘲 的界面
没有孔隙和空
洞等镍陷，ｘ射线衍射分析表州，复台材料由锅和石
墨阿相组成，没有，ｌ 成ＡＩ Ｃ 或 【 成产物少，嚏明采
用快速升温热压 南法可以有赦防止石墨和铝的反
应，得到理想的复台材料界丽
２ ２工艺条件及热处理对复合材料摩擦系数的影晌
翻３是Ｔ６处理前焉不同球廓时ｆ，０的试样在不同
工艺条件下的摩擦系数 田 ３可妥ｕ， 一裁荷下，
摩擦系数随着球磨时问的增大Ｉｎ】减小。球磨时间增眭，
粉体活性增大，群 烧结后界而结台力增强．从而有
效阻ｆＥ石墨的脱落．摩擦裘晰处 墨保存完格 润滑
效粜加强，从商减小了样品的摩擦系数 从图３还可
２ ２０％Ｇｒ １６０６１ＡＩ复ｆ｝利料样 【｛勺髭激黠拘
Ｆｉｇ ２ Ｏｐｔｉｃａｌ ｐｈＯｔ０ｍＩｃｒｏｇｒ Ｐ ｏｆｇｒａｐｈｉｔｅ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ
２０％Ｇ ６０６ ｌ ＡＩ ｃｏｍｐｏｓｋｅｓ ｗｉｔｈ ｂａｌｌ ｍｉｌｌｉｎｇ ｔｉｍｅ ｏｆ
４ ｈ扭，ａｎｄ ２４ ｈｆｂ】
表１ ２０％Ｇｒ。／６Ｂ６１ＡＩ复合材料的密度与球磨时间的关系
Ｔａｂｌｅ ｌ Ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ ｔｏｒ ２０％ＧＩ’√６０６１ＡＩ
ｅｏｍｐｏｓｉｌｅｓ 岫ｈａｌＪ ｍｉｌｌｉｎ ｔｉｍｅ
Ｂａｌｌ】ｎｇｔＩｍｅｌｈ
Ｒｅａ１ ｄｅｎｓｉｔｖｉｇ１２ｎｌ’
ｌ
２ ５３６
４
２ ５８６
ｌ６
２ ５８８
２４
２ ５８９
Ｎｏｒｍａｌ ＬｏａｄｉｒＩｇ，Ｎ
３ ２０％Ｇ ｒ ：６０６１Ａｌ缸丹材 ｝ ４－！ 救衙下的摩搏系数
Ｆｉｇ ３ Ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｌ ｔ￣ｉｃｔｉｏｎ￣ｏｅｌｌＳｅｉｅｎｔ ｆｏｒ ２０％Ｇｒ－ｄ６０６】Ａｌ
ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｗｉｔｈ ｄｌｌ￣ｒｅｎ【ｎｏｒｍａｌｆ ｌｏａｄｓ
Ｒｅ Ｌａｔｉｖｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ９８ ０‰ ９９ ９％ １ ０Ｏ‰ １ ｃ）ｉ］‰
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蚺９划 谢｛｝｝｝样 热 法制蔷２０％ＧＩｒ ０６１Ａ１复台材 盟其岸棵群碳特忖 研究 ・１４８ｌ・
看 １｛ｔ髓着戟衔 增大 悸擦系数也趋 减小，可见
大载衍型仃利Ｊ‘ＧｒＩ５例 复介材料的磨 ．使摩攘
而上形成 Ｊ 蜓均匀先褴的 睦， Ｉ ４所示 当
律，仳是热处理后．摩擦系数降低了 这是因为Ｔ６
热处珲 化了基伴台金，溶解了石避与摹体界而处的
有害析出物，加强了界面结台 Ｊ， 有利于石墨润滑
膜的形成 同时发现，球磨４ ｈ的样一 ．热处珲后摩
擦系数降低啊度最大，平均降幅达到３０％。可见，对
十界面结台强度低的样品．热处理的干｛：用更明显，充
载荷较小时｛１ Ｎ），山 ４ａ所 ，摩擦Ｉ酊Ｉ 的ｆ１竖麟有
人 的脆性脱落，找荷埔大， 豢膜趟于完档，当载
荷达剑７ Ｎ时， ｌ刳４ｃ， 没有了脆性脱落，彳Ｔ墨膜
完糕，可见７Ｎ足复台利料‘ 对磨利斡｝ＧｒＩ ５铡磨台的『
分 明ｒ基体热处 对复台利料ｌ＿Ｉ｝】摩擦系数具有很大
的影响 热处理后复合材料【＝ｌ｛］烽擦系数最低可达到
０ ｌ６。
最小找荷，１＿丁利ｊ一在摩擦ＩⅢ 成完整∞ 墨润滑膜，
由 ３可见，热处 Ｉ 样品∞摩擦系数具有相似的
４ ２Ｃ）Ｂ＇ ｉＧｒｐ／６０６［ＡＩ复台材料（球蝤２４ ｈ）的謦痕ＳＥＭ麒片
Ｆｉｇ ４ ＳＥＭ ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｓ ｏｆ ｗｏｒｎ ｓｕｒｌｈｃｅ ０ｎ ２０％Ｇ ｒ／６０６１ ＡＩ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｒ２４ ｈ ｂａｌｌ ｍｉｌｌｉｎｇ）ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｎｏｒｍａｌ ｌｏａｄｓ
Ｉ Ｎ（ａ），５ Ｎ【ｂ） ａｎｄ ７ Ｎ（ｃｌ
２ ３热处理对复合材料磨损率的影响
样 自磨损毕（Ｗ】ｊ噩过下式进行讣并
：
的蒲损牢也可达到４ ７×１０ ｍｍ ／ｍ 可见采用快速热
压法制备的Ｇｒ／Ａ１复合材料具有良女ｒ的耐磨性。热处
理提高了基体强度，增强了石墨与铝界面的结合，有
Ｓｌｉｄｉｎｇ Ｄｉｓｄａｎｃｅ
利于在摩擦面维持一层完整的润滑膜，所以大幅提高
了复合材料的耐磨性 样晶热处理届的平均磨损率较
热处理前平均降低了５０％ 可见Ｔ６处理对复台材料
摩擦磨损性能改善明显
５是Ｔ６热处 前 不网球謦时问呐试样在不
『刮工艺条件Ｆ的磨ｊ丘ｉ鞋变化规律。由圈５口ｒ知．相同
球磨时 的试样，随载荷晌增加．赡损是增大。但足
整体水平较低，如Ｔ６热处理后的试样．在ｌ Ｎ载荷
下，磨损率ＩＪ接近０，即使在７ Ｎ载荷下，复台材料
３结论
１）快速升温热脏法可制备致辩性良好的２０％
Ｇｒ ／６０６１Ａ１复台利料 石墨颗社分布均匀，界面结合
吕
良好 无有害的界面反应发生 球磨时问达到４ ｈ后，
ｌ
材料的毁密性接近理沦密度
２）２０％Ｇｒｒ．／６０６１Ａ１复台材料具有低的摩擦系数。
在６０ ｒ／ａｉｒｎ转速，Ｉ Ｎ一７ Ｎ载荷Ｆ其摩擦系数随载荷
的增人而减少，Ｔ６处理础化了界面结合，有利十石墨
润滑膜形成．降低了复合 料的摩擦系数．热处理后
复合材料的摩擦系数可选剑０】６
Ｎｏｒｍａｌ Ｌｏａｄｉｎｇ／Ｎ
童
蠢
≥
３）２０％Ｇｒ。／６０６１ＡＩ复台材料 有低的廉损率 Ｔ６
热处理能强化基体台金并加强界面结ｌ＾，宵利十形成
井维持千 墨润滑媵，显著降低了复台材料的磨损率
热处理后磨损最平均减幅达５０％．ｅｌｉ试验采用的最人
载荷（７ Ｎ）下磨损术可减少剑４．７×】０ ｍｍ ，／ｍ。
５ ２０‘Ｖ．Ｇ ｒ ／６０６ＩＡＩ复＾柑料＾小『叫城 １：∞辟损墒
Ｆｉｇ ５ Ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｅａｒ ｒａｔ ｎ’ｒ ２０％Ｇ ｒｎｉ６０６ Ｉ ＡＩ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ
ｗｉｔｈ ｄ１ｆｉｅｒｅｎｔ ｎｏｒｍａｌ１ｏａｄｓ
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参考文献 Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ
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２０ ｗｔ％Ｇｒｐ／６０６１Ａ１ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ Ｈｏｔ—Ｐｒｅｓｓｉｎｇ
ａｎｄ Ｉｔｓ Ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
Ｘｉｅ Ｓｈｅｎｇｈｕｉ ，一，Ｚｅｎｇ Ｘｉｅｒｏｎｇ ，Ｘｉｏｎｇ Ｘｉｎｂｏ ，Ｌｉ Ｌｏｎｇ ，Ｚｏｕ Ｊｉｚｈａｏ
（１．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７ １ ００６８，Ｃｈｉｎａ）
（２．Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ５ １ ８０６０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：２０ ｗｔ％Ｇ１‘／６０６ １ Ａ１ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｗａｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｈｏｔ ｐｒｅｓｓｉｎｇ ａｔ ｒａｐｉｄ ｈｅａｔｉｎｇ—ｕｐ ｒａｔｅ，ａｎｄ ｉｔｓ ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｗｅｒｅ
ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ＷＯｒｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｗｅｒｅ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｂｙ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ａｎｄ ＳＥＭ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ＸＲＤ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ
ｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｅｎｔｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｈｏｔ ｐｒｅｓｓｉｎｇ ｗｉｔｈ ｒａｐｉｄ ｈｅａｔｉｎｇ—ｕｐ ｒａｔｅ ｃａｎ ａｖｏｉｄ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｒｅａｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｎｓｕｒｅ ｓｔｒｏｎｇ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ
ｂｏｎｄｉｎｇ ａｎｄ ｕｎｉｆｏｒｍ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ２０ ｗｔ％Ｇｒ／６０６ １Ａ１ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｅｘｈｉｂｉｔｓ ｌｏｗ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｗｅａｒ ｒａｔｅ．Ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ
ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｗｉｔｈ ｒａｉｓｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｌｏａｄｓ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｌｕｂｒｉｃａｎｔ ｆｉｌｍ．Ｔ６ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
ｃａｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｂｏｎｄｉｎｇ ａｎｄ ｍａｉｎｔａｉｎ ｔｈｅ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｌｕｂｒｉｃａｎｔ ｆｉｌｍ，ＳＯ ｉｔ ｈａｓ ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ，ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ
ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｗｅａｒ ｒａｔｅ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｂｙ ５０％ｉｎ ａｖｅｒａｇｅ．Ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｗｅａｒ ｒａｔｅ ｏｆ ２Ｏ ｗｔ％Ｇｒｐ／６０６ １ＡＩ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｃａｎ ｇｅｔ ｔｏ
Ｏ．１ ６ ａｎｄ ４．７×１ ０。 ｍｍ ／ｍ ａｔ ７ Ｎ ｎｏｒｍａｌ ｌｏａｄ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｇｒｐ／６０６ １ Ａ１ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ；ｗｅａｌ＂ｒａｔｅ；ｇｒａｐｈｉｔｅ ｌｕｂｒｉｃａｎｔ ｆｉｌｍ
Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：Ｘｉｅ Ｓｈｅｎｇｈｕｉ，Ｃａｎｄｉｄａｔｅ ｆｏｒ Ｐｈ．Ｄ．，Ｄｏｃｅｎｔ，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｙｔ，
Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ５ １ ８０６０， Ｒ．Ｃｈｉｎａ，Ｔｅｌ：００８６—７５５—２６５３７４５９，Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｅｎｇｘｉｅｒ＠ＳＺＵ．ｅｄｕ．ｃａ
2024年3月15日发(作者：迮勃)
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第３５卷
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９月
ＲＡＲＥ ＭＥＴＡＬＭＡＴＥＲＩＡＬＳＡＮＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲ１ＮＧ
Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２００６
热压法制备２０％Ｇｒｐ／６０６１Ａ１复合材料
及其摩擦磨损特性研究
谢盛辉 ，一，曾燮榕２，熊信柏２，李 龙 ，邹继兆
（１．西北工业大学材料学院，陕西西安７１００６８１
（２．深圳大学理学院材料系深圳市特种功能材料重点实验室，广东深圳５１８０６０）
摘要：采用快速升温热压法制备了２０％Ｇｒｖ＇６０６１Ａ１（质量分数，下同）复合材料并研究其摩擦磨损特性，通过光学显
微镜和ＳＥＭ分别观察了样品的组织结构及磨痕形貌，采用ＸＲＤ分析了复合材料的相组成。研究表明：快速升温热压
能避免有害的界面反应，得到石墨颗粒分布均匀、界面干净且结合良好的Ｇｒｐ／６０６１Ａ１复合材料，复合材料具有良好的
摩擦磨损性能，Ｔ６处理能显著降低复合材料的摩擦系数和磨损率。在６０ ｒ／ｍ转速、ｌ Ｎ～７ Ｎ载荷下，复合材料的摩擦
系数随载荷的增大而减少，磨损量增大。Ｔ６热处理强化了界面结合，有利于石墨膜形成．降低了复合材料的摩擦系数．
也显著减少了磨损率。热处理后，复合材料摩擦系数可达到０．１６，磨损量平均减幅达５０％，采用的最大载荷７ Ｎ下磨
损率可减少到４．７×ｌ０ ｍｍ ／ｍ。
关键词：ＧｒＪ６０６１Ａ１复合材料：摩擦系数；磨损率；石墨润滑膜
中图法分类号：ＴＧｌｌ３．１２：ＴＧ２４９．９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２．１８５Ｘ（２００６）０９．１４７９．０４
颗粒增强轻合金基复合材料具有高比强度、高比
子天平称量原始粉末，采用１０：１球料比，高纯氩气保
刚度，且成本低，在军事、航空航天、汽车等领域具 护，在行星式球磨机上以２００ ｒ／ｍｉｎ球磨１ ｈ－２４ ｈ。混
有广阔的应用前景【】．２】。石墨颗粒铝基复合材料综合了
料后冷压除气，并快速升温热压，温度为６００￣Ｃ，保
石墨的自润滑性能及其低热膨胀、高导热和铝合金优
温时间５ ｍｉｎ，压力为３３ ＭＰａ。最后进行Ｔ６热处理，
异的强度和塑性，使复合材料具有适当的摩擦系数及
５２５℃固溶４ ｈ，１７０℃时效１０ ｈ。样品经磨光和抛光
高的耐磨性等优良的物理力学性能【３ 】，主要应用于液 后，未经腐蚀在奥林巴斯ＧＸ７１金相显微镜下观察显
压油泵、内燃机活塞、压缩机滑片、滑动轴承的摩擦
微组织；采用Ｙ－４Ｑ Ｘ射线衍射仪分析样品的物相组
副零件等耐磨减摩的应用场合，具有可观的经济效益。
成；摩擦磨损试验在ＰＣＤ．３００Ａ摩擦磨损表面形貌测
由于石墨与铝润湿性差，合成困难，制备过程中
试仪上进行，载荷分别为１ Ｎ，３ Ｎ，５ Ｎ和７ Ｎ，对
必须借助一些改善两者润湿性的方法【６娟】。一般采用 磨材料用Ｇｒｌ５轴承钢；采用ＪＳＭ一６４６０ＬＶ扫描电镜
石墨表面镀层（Ｎｉ，Ｃｕ等）Ｉｇ，ｌＯｌ、基体添加合金元素、
观察磨痕表面形貌。
压力浸渗等。此外，石墨与铝之间易发生有害界面反
应［１１，１２］，如何控制界面结构也是制备工艺的难点。本
２结果及分析
研究采用高能球磨，在基体中添加Ｇｒ／Ａ１润湿性促进
２．１ 制备工艺对复合材料组织结构的影响
元素，并借助快速升温热压烧结，制备了２０％Ｇｒｖ／
Ｇｒｐ／６０６１ＡＩ复合材料经不同时间球磨后的显微组
６０６１Ａ１复合材料，研究了其摩擦磨损性能及其机理。
织如图１所示。由图１可见，２０％Ｇｒｖ／６０６１ＡＩ复合材
１ 实验方法
料具有均匀的组织结构，石墨颗粒分布均匀。但在球
磨过程中，石墨颗粒被碾平并最终断裂成长条形石墨
采用６０６１Ａ１合金为基体，成分为：ＡＩ．０．６Ｓｉ． 条，球磨时间越长，石墨越细小。图２为分别球磨了
１．２Ｍｇ－０．４Ｃｕ一０．２Ｃｒ－０．１５Ｍｎ－０．１５Ｔｉ。金属粉末纯度均 ４ ｈ和２４ ｈ样品中石墨的形貌。从图２可知，球磨时
大于９９％，铝粉平均粒度为８０ ｍ；石墨颗粒纯度大 间延长６倍以后，石墨颗粒尺寸减少了２／３。可见高能
于９９．８５％，颗粒度（≤３０ ｍ）≥９５％。用万分度电 球磨有利于增强体的有效细化，并增大表面能，利于
收稿日期：２００５．１０．０９
作者简介：谢盛辉，男，１９７４年生，在职博士生，讲师，深圳大学理学院材料系，电话：０７５５・２６５３７４５９，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｅｎｇｘｉｅｒ＠ｓｚｕ ｅｄｕ．ｃｎ
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・ｌ４８Ｏ 稀肯盘属制制 工鞋 第３５卷
后续的烧结 从 １还川以看 ，球磨４ ｈ的样品
墨翱牲静ｊ远人寸原嫡Ｊｔ、Ｊ（３０ ｍ），随州石墨在球麝
的甄当化 球磨１ ｈ 样☆＾ 其仃较ｒ坷晌数带性，
｛日从匿ｌ Ｉ ｃ的轻微照Ｊ ‘可见，还存＾：少键扎隙。随着球
离时问的延长，密度继续ｆ ．４ ｈ以 ，样品密
叫被碾平，并人人条Ｊ眵化． ｕ球鹏２４ ｈ后的样品 墨
颗粒开始小Ｊ：原妁Ｒ、 复台丰才料晌密度与球赌时ＩｈＪ
的芙系见袁１ 从嵌１ ｌ１．知．在 它条件卡［】同呐情
下 随着球瞎时问竹难ｌ＝：，干荸一 －诞加敛密。司见粉术
度达到理论密度的９９ ９％．缸做组 ｉ 完全致簖，呵
见４ ｈ是理想ｆｌｆ】球廓参数。仉是球崩２４ ｈ盯利ｊ 盥
颗粒的进 步缃化，＿ｆ『利Ｆ 续摩擦磨搦性能
随着其表丽ｊ＝｝！增凡．表商能急剧增大，促进了烧结过
Ｉ ２０％Ｇｒ￣／６０６１ＡＩ复台村 ：｝ｆ内盘 微纲织
Ｆｉｇ Ｉ Ｏｐｔｉｃａｌｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ２０。 Ｇ ｒｎ１６０６１ＡＩ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｌｈ ｂａｉｌ ｍｉｌｌｉｎｇｔｉｍｅ ｏｆ２４ ｈ（ａ）．４ ｈ（ｂ Ｊ Ｉ ｈ（ｃ）
从图２还｜『］看 ，复台利料
反应层。 墨颗粒与铝基体结合党
没有嘲 的界面
没有孔隙和空
洞等镍陷，ｘ射线衍射分析表州，复台材料由锅和石
墨阿相组成，没有，ｌ 成ＡＩ Ｃ 或 【 成产物少，嚏明采
用快速升温热压 南法可以有赦防止石墨和铝的反
应，得到理想的复台材料界丽
２ ２工艺条件及热处理对复合材料摩擦系数的影晌
翻３是Ｔ６处理前焉不同球廓时ｆ，０的试样在不同
工艺条件下的摩擦系数 田 ３可妥ｕ， 一裁荷下，
摩擦系数随着球磨时问的增大Ｉｎ】减小。球磨时间增眭，
粉体活性增大，群 烧结后界而结台力增强．从而有
效阻ｆＥ石墨的脱落．摩擦裘晰处 墨保存完格 润滑
效粜加强，从商减小了样品的摩擦系数 从图３还可
２ ２０％Ｇｒ １６０６１ＡＩ复ｆ｝利料样 【｛勺髭激黠拘
Ｆｉｇ ２ Ｏｐｔｉｃａｌ ｐｈＯｔ０ｍＩｃｒｏｇｒ Ｐ ｏｆｇｒａｐｈｉｔｅ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ
２０％Ｇ ６０６ ｌ ＡＩ ｃｏｍｐｏｓｋｅｓ ｗｉｔｈ ｂａｌｌ ｍｉｌｌｉｎｇ ｔｉｍｅ ｏｆ
４ ｈ扭，ａｎｄ ２４ ｈｆｂ】
表１ ２０％Ｇｒ。／６Ｂ６１ＡＩ复合材料的密度与球磨时间的关系
Ｔａｂｌｅ ｌ Ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ ｔｏｒ ２０％ＧＩ’√６０６１ＡＩ
ｅｏｍｐｏｓｉｌｅｓ 岫ｈａｌＪ ｍｉｌｌｉｎ ｔｉｍｅ
Ｂａｌｌ】ｎｇｔＩｍｅｌｈ
Ｒｅａ１ ｄｅｎｓｉｔｖｉｇ１２ｎｌ’
ｌ
２ ５３６
４
２ ５８６
ｌ６
２ ５８８
２４
２ ５８９
Ｎｏｒｍａｌ ＬｏａｄｉｒＩｇ，Ｎ
３ ２０％Ｇ ｒ ：６０６１Ａｌ缸丹材 ｝ ４－！ 救衙下的摩搏系数
Ｆｉｇ ３ Ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｌ ｔ￣ｉｃｔｉｏｎ￣ｏｅｌｌＳｅｉｅｎｔ ｆｏｒ ２０％Ｇｒ－ｄ６０６】Ａｌ
ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｗｉｔｈ ｄｌｌ￣ｒｅｎ【ｎｏｒｍａｌｆ ｌｏａｄｓ
Ｒｅ Ｌａｔｉｖｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ９８ ０‰ ９９ ９％ １ ０Ｏ‰ １ ｃ）ｉ］‰
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蚺９划 谢｛｝｝｝样 热 法制蔷２０％ＧＩｒ ０６１Ａ１复台材 盟其岸棵群碳特忖 研究 ・１４８ｌ・
看 １｛ｔ髓着戟衔 增大 悸擦系数也趋 减小，可见
大载衍型仃利Ｊ‘ＧｒＩ５例 复介材料的磨 ．使摩攘
而上形成 Ｊ 蜓均匀先褴的 睦， Ｉ ４所示 当
律，仳是热处理后．摩擦系数降低了 这是因为Ｔ６
热处珲 化了基伴台金，溶解了石避与摹体界而处的
有害析出物，加强了界面结台 Ｊ， 有利于石墨润滑
膜的形成 同时发现，球磨４ ｈ的样一 ．热处珲后摩
擦系数降低啊度最大，平均降幅达到３０％。可见，对
十界面结台强度低的样品．热处理的干｛：用更明显，充
载荷较小时｛１ Ｎ），山 ４ａ所 ，摩擦Ｉ酊Ｉ 的ｆ１竖麟有
人 的脆性脱落，找荷埔大， 豢膜趟于完档，当载
荷达剑７ Ｎ时， ｌ刳４ｃ， 没有了脆性脱落，彳Ｔ墨膜
完糕，可见７Ｎ足复台利料‘ 对磨利斡｝ＧｒＩ ５铡磨台的『
分 明ｒ基体热处 对复台利料ｌ＿Ｉ｝】摩擦系数具有很大
的影响 热处理后复合材料【＝ｌ｛］烽擦系数最低可达到
０ ｌ６。
最小找荷，１＿丁利ｊ一在摩擦ＩⅢ 成完整∞ 墨润滑膜，
由 ３可见，热处 Ｉ 样品∞摩擦系数具有相似的
４ ２Ｃ）Ｂ＇ ｉＧｒｐ／６０６［ＡＩ复台材料（球蝤２４ ｈ）的謦痕ＳＥＭ麒片
Ｆｉｇ ４ ＳＥＭ ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｓ ｏｆ ｗｏｒｎ ｓｕｒｌｈｃｅ ０ｎ ２０％Ｇ ｒ／６０６１ ＡＩ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｒ２４ ｈ ｂａｌｌ ｍｉｌｌｉｎｇ）ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｎｏｒｍａｌ ｌｏａｄｓ
Ｉ Ｎ（ａ），５ Ｎ【ｂ） ａｎｄ ７ Ｎ（ｃｌ
２ ３热处理对复合材料磨损率的影响
样 自磨损毕（Ｗ】ｊ噩过下式进行讣并
：
的蒲损牢也可达到４ ７×１０ ｍｍ ／ｍ 可见采用快速热
压法制备的Ｇｒ／Ａ１复合材料具有良女ｒ的耐磨性。热处
理提高了基体强度，增强了石墨与铝界面的结合，有
Ｓｌｉｄｉｎｇ Ｄｉｓｄａｎｃｅ
利于在摩擦面维持一层完整的润滑膜，所以大幅提高
了复合材料的耐磨性 样晶热处理届的平均磨损率较
热处理前平均降低了５０％ 可见Ｔ６处理对复台材料
摩擦磨损性能改善明显
５是Ｔ６热处 前 不网球謦时问呐试样在不
『刮工艺条件Ｆ的磨ｊ丘ｉ鞋变化规律。由圈５口ｒ知．相同
球磨时 的试样，随载荷晌增加．赡损是增大。但足
整体水平较低，如Ｔ６热处理后的试样．在ｌ Ｎ载荷
下，磨损率ＩＪ接近０，即使在７ Ｎ载荷下，复台材料
３结论
１）快速升温热脏法可制备致辩性良好的２０％
Ｇｒ ／６０６１Ａ１复台利料 石墨颗社分布均匀，界面结合
吕
良好 无有害的界面反应发生 球磨时问达到４ ｈ后，
ｌ
材料的毁密性接近理沦密度
２）２０％Ｇｒｒ．／６０６１Ａ１复台材料具有低的摩擦系数。
在６０ ｒ／ａｉｒｎ转速，Ｉ Ｎ一７ Ｎ载荷Ｆ其摩擦系数随载荷
的增人而减少，Ｔ６处理础化了界面结合，有利十石墨
润滑膜形成．降低了复合 料的摩擦系数．热处理后
复合材料的摩擦系数可选剑０】６
Ｎｏｒｍａｌ Ｌｏａｄｉｎｇ／Ｎ
童
蠢
≥
３）２０％Ｇｒ。／６０６１ＡＩ复台材料 有低的廉损率 Ｔ６
热处理能强化基体台金并加强界面结ｌ＾，宵利十形成
井维持千 墨润滑媵，显著降低了复台材料的磨损率
热处理后磨损最平均减幅达５０％．ｅｌｉ试验采用的最人
载荷（７ Ｎ）下磨损术可减少剑４．７×】０ ｍｍ ，／ｍ。
５ ２０‘Ｖ．Ｇ ｒ ／６０６ＩＡＩ复＾柑料＾小『叫城 １：∞辟损墒
Ｆｉｇ ５ Ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｅａｒ ｒａｔ ｎ’ｒ ２０％Ｇ ｒｎｉ６０６ Ｉ ＡＩ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ
ｗｉｔｈ ｄ１ｆｉｅｒｅｎｔ ｎｏｒｍａｌ１ｏａｄｓ
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２０ ｗｔ％Ｇｒｐ／６０６１Ａ１ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ Ｈｏｔ—Ｐｒｅｓｓｉｎｇ
ａｎｄ Ｉｔｓ Ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
Ｘｉｅ Ｓｈｅｎｇｈｕｉ ，一，Ｚｅｎｇ Ｘｉｅｒｏｎｇ ，Ｘｉｏｎｇ Ｘｉｎｂｏ ，Ｌｉ Ｌｏｎｇ ，Ｚｏｕ Ｊｉｚｈａｏ
（１．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７ １ ００６８，Ｃｈｉｎａ）
（２．Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ５ １ ８０６０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：２０ ｗｔ％Ｇ１‘／６０６ １ Ａ１ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｗａｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｈｏｔ ｐｒｅｓｓｉｎｇ ａｔ ｒａｐｉｄ ｈｅａｔｉｎｇ—ｕｐ ｒａｔｅ，ａｎｄ ｉｔｓ ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｗｅｒｅ
ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ＷＯｒｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｗｅｒｅ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｂｙ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ａｎｄ ＳＥＭ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ＸＲＤ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ
ｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｅｎｔｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｈｏｔ ｐｒｅｓｓｉｎｇ ｗｉｔｈ ｒａｐｉｄ ｈｅａｔｉｎｇ—ｕｐ ｒａｔｅ ｃａｎ ａｖｏｉｄ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｒｅａｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｎｓｕｒｅ ｓｔｒｏｎｇ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ
ｂｏｎｄｉｎｇ ａｎｄ ｕｎｉｆｏｒｍ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ２０ ｗｔ％Ｇｒ／６０６ １Ａ１ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｅｘｈｉｂｉｔｓ ｌｏｗ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｗｅａｒ ｒａｔｅ．Ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ
ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｗｉｔｈ ｒａｉｓｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｌｏａｄｓ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｌｕｂｒｉｃａｎｔ ｆｉｌｍ．Ｔ６ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
ｃａｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｂｏｎｄｉｎｇ ａｎｄ ｍａｉｎｔａｉｎ ｔｈｅ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｌｕｂｒｉｃａｎｔ ｆｉｌｍ，ＳＯ ｉｔ ｈａｓ ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ，ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ
ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｗｅａｒ ｒａｔｅ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｂｙ ５０％ｉｎ ａｖｅｒａｇｅ．Ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｗｅａｒ ｒａｔｅ ｏｆ ２Ｏ ｗｔ％Ｇｒｐ／６０６ １ＡＩ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｃａｎ ｇｅｔ ｔｏ
Ｏ．１ ６ ａｎｄ ４．７×１ ０。 ｍｍ ／ｍ ａｔ ７ Ｎ ｎｏｒｍａｌ ｌｏａｄ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｇｒｐ／６０６ １ Ａ１ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ；ｗｅａｌ＂ｒａｔｅ；ｇｒａｐｈｉｔｅ ｌｕｂｒｉｃａｎｔ ｆｉｌｍ
Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：Ｘｉｅ Ｓｈｅｎｇｈｕｉ，Ｃａｎｄｉｄａｔｅ ｆｏｒ Ｐｈ．Ｄ．，Ｄｏｃｅｎｔ，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｙｔ，
Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ５ １ ８０６０， Ｒ．Ｃｈｉｎａ，Ｔｅｌ：００８６—７５５—２６５３７４５９，Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｅｎｇｘｉｅｒ＠ＳＺＵ．ｅｄｕ．ｃａ