CPU 风扇轴承用复合材料的研制

胡形成，郭英奎，孟繁雨（哈尔滨理工大学 材料科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

CPU 风扇轴承用复合材料的研制

胡形成*，郭英奎，孟繁雨
（哈尔滨理工大学 材料科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

采用Al2O3粉为基体，加入TRIP钢粉做烧结助剂，通过热压烧结技术制备TRIP-Al2O3复合材料，研究TRIP钢的马氏体相变对TRIP-Al2O3复合材料力学性能和耐磨性的影响规律，结果表明，TRIP-Al2O3复合材料的抗弯强度和断裂韧性随TRIP钢含量的增加呈先增加后降低趋势，当TRIP钢含量达到15（wt）%时，抗弯强度和断裂韧性值最大，分别为559MPa和8.2MPa·m1/2；在弯曲载荷作用下TRIP钢发生了马氏体相变，随TRIP钢含量的增加马氏体转变量增大；对比磨损试验发现，TRIP-Al2O3复合材料与普通金属轴承材料相对磨损率都随时间的延长而增大，普通金属轴承材料的相对磨损率磨损分为两个阶段，时间小于60h，相对磨损率小于1.55，磨损时间超过60h后，相对磨损率显著增加且接近2.56；而TRIP-Al2O3复合材料的相对磨损率开始较大，随着时间增加逐渐变小，达到稳定磨损后相对磨损率呈逐渐增大趋势，但总体相对磨损率比普通金属轴承材料小很多。

TRIP-Al2O3复合材料马氏体相变；力学性能；相对磨损率

计算机CPU风扇的作用是带走CPU正常工作时的热量，其质量取决于风扇轴承质量，目前，市场使用的传统CPU风扇轴承大致可分为滑动轴承、滚珠滑动轴承与双滚珠轴承三大类[1，2]。这些轴承材料由于密度大、耐磨性差，不仅使用寿命低，而且噪音大，容易导致机器过热而出现死机现象，严重影响计算机品质甚至严重时还有可能把机芯烧坏[3-5]。

本文采用密度较低的Al2O3为基体，加入TRIP钢做烧结助剂，通过热压烧结技术制备新型TRIP-Al2O3复合材料，研究TRIP钢的马氏体相变对TRIP-Al2O3复合材料力学性能和耐磨性的影响规律，替代现有的传统金属CPU风扇轴承材料，期望获得良好的耐磨性和使用寿命。

1　实验部分

1.1试验材料

Al2O3粉末购自中国建筑材料研究院陶瓷所，平均粒晶为0.65um，其化学成分见表1。

表1　Al2O3粉体化学成分/（wt）%Tab.1　Composition of Al2O3powder

将Cr铁、Mn铁、Mo铁、20钢、工业纯Ni按表2的化学成分，经真空熔炼、N2气雾化喷粉、过325目筛；将TRIP钢和Al2O3按表3配料，湿混30h，烘干后在真空/可控气氛热压烧结炉中以1250℃/1.3×10-3Torr/20MPa/30min工艺单向热压烧结，升降温速率均控制在20℃·min-1；在WDW-2000型电子万能试验机上，采用三点弯曲方法测试复合材料的抗弯强度和断裂韧性，试样尺寸为3×4×36mm，十字头移动速度为0.5mm·s-1。

表2　TRIP钢的化学成分/（wt）%Tab.2　Composition of TRIP steel

1.2研究方法

将TRIP-Al2O3复合材料按照市售标准CPU风扇轴承（图1）进行加工，装机运行120h，分别测量两轴承的质量磨损率μ=（m0-m）/m0。式中m0：磨损前轴承的质量；m：磨损后轴承的质量。

图1　CPU风扇轴承示意图Fig.1　Schematic diagram of CPU fan bearing

采用PhilipsCM-12透射电镜观察复合材料的显微组织，加速电压120kV；断口观察在Hitachi-570扫描电镜上进行。X射线衍射分析在日本理学电机D/max-rB型X射线衍射仪上进行的，采用Cu靶，加速电压40kV，管电流50A，扫描速度为10°·min-1。

2　结果与讨论

2.1TRIP含量对复合材料抗弯强度和断裂韧性的影响

图2为1500℃烧结的TRIP-Al2O3复合材料抗弯强度和断裂韧性随TRIP钢含量的变化曲线。

图2　TRIP含量对复合材料抗弯强度和断裂韧性的影响Fig.2　Effect of TRIP content on bending strength and fracture toughness of the composite

从图2可以看到，随着TRIP钢含量的增加，复合材料抗弯强度和断裂韧性呈先增加后降低趋势，当TRIP钢含量达到15（wt）%时，抗弯强度和断裂韧性值最大，分别为559MPa和8.2MPa·m1/2，TRIP钢含量超过15（wt）%后，抗弯强度和断裂韧性开始降低。

2.2TRIP-Al2O3复合材料的XRD图谱

图3为1500℃烧结的TRIP-Al2O3复合材料断面的XRD图谱。

（a）AT5（b）AT10（c）AT10（d）AT20图3　TRIP-Al2O3复合材料的XRD图谱Fig.3　XRD patterns of TRIP-Al2O3Composites

由图3可见，复合材料中不仅有Al2O3和TRIP钢的奥氏体衍射峰，在弯曲载荷作用下，出现了马氏体的{110}α'峰、{200}α'峰和{211}α'峰，从而确定TRIP钢在弯曲载荷作用下发生了马氏体相变，随TRIP钢含量的增加，马氏体衍射峰增高和转变量增大。

2.3AT15试样马氏体的SEM、TEM像

分别用扫描电镜和透射电镜观察TRIP-Al2O3复合材料复合材料断面显微组织，其结果见图4、5。

图4　AT15试样马氏体的SEM像Fig.4　SEM images of AT15 sample

图5　AT15试样马氏体的TEM像Fig.5　TEM images of AT15 sample

发现TRIP钢通过应力或形变可诱发马氏体相变，其中既有板条马氏体（图4）也有片状马氏体（图5），这与XRD的测试结果吻合，而TRIP钢中的马氏体相变过程也是一个吸收能量的过程，这对提高TRIP-Al2O3复合材料的抗弯强度、断裂韧性和耐磨性均有贡献[6]。

2.4两种材料相对磨损率随时间的变化曲线

图6给出了TRIP-Al2O3复合材料与普通金属轴承材料相对磨损率随时间的变化曲线。

图6　两种材料相对磨损率随时间变化曲线Fig.6　Curve of relative wear rate of materials with time variation

从图6可见，两种材料的相对磨损率都随时间的延长而增大，本试验条件下，普通金属轴承材料的相对磨损率磨损分为两个阶段，时间小于60h，相对磨损率小于1.55，磨损时间超过60h后，相对磨损率显著增加且接近2.56，这是由于金属材料疲劳导致的[7]；而TRIP-Al2O3复合材料的相对磨损率与普通金属轴承材料不同，时间小于30h时，相对磨损率开始较大，随着时间增加逐渐变小，这可能是复合材料表面粗糙度较大，被磨下的物料较多的缘故，随着时间的延长达到稳定磨损后，相对磨损率呈逐渐增大趋势，但总体相对磨损率比普通金属轴承材料小很多，这是由于TRIP钢中的马氏体相变，提高TRIP-Al2O3复合材料的抗弯强度和断裂韧性，因此提高了复合材料的相对耐磨性。

3　结论

（1）1500℃烧结的TRIP-Al2O3复合材料，抗弯强度和断裂韧性随着TRIP钢含量的增加呈先增加后降低趋势，当TRIP钢含量达到15（wt）%时，抗弯强度和断裂韧性值最大，分别为559MPa和8.2MPa·m1/2；

（2）TRIP-Al2O3复合材料中TRIP钢在弯曲载荷作用下发生了马氏体相变，随TRIP钢含量的增加，马氏体衍射峰增高和转变量增大。

（3）TRIP-Al2O3复合材料与普通金属轴承材料相对磨损率都随时间的延长而增大，普通金属轴承材料的相对磨损率磨损分为两个阶段，时间小于60h，相对磨损率小于1.55，磨损时间超过60h后，相对磨损率显著增加且接近2.56；而TRIP-Al2O3复合材料的相对磨损率开始较大，随着时间增加逐渐变小，达到稳定磨损后相对磨损率呈逐渐增大趋势，但总体相对磨损率比普通金属轴承材料小很多。

［1］COLLYEAR J.有色金属与滑动轴承［J］.中国有色金属学报,1993,（4）:88-92.

［2］YAO Xiumin,HUANG Zhengren,CHEN Lidong.Alumina-nickel composites densified by spark plasma sintering.Material Letters 2005,59:2314-2318

［3］LIUZY,NH.Micro-powderinjectionmolding［J］.Journal of MaterialsProcessingTechnology,2002,127（2）:165-158.

［4］OLIVEIRA R V B,SOLDI V.Ceramic injectionmoulding:influence of specimen dimensions and temperature on solvent debinding kinetics［J］.Journal of Materials Processing Technology,2005,160（2）:213-220.

［5］张景柳.CPU风扇散热器散热效果分析［D］.南京理工大学硕士学位论文,2006,15.

［6］郭英奎.ZrO2（2Y）/TRIP钢复合材料的显微组织结构与力学性能［D］.哈尔滨工业大学博士学位论文,2003：65-68.

［7］朴钟宇,徐滨士,王海斗,等.滚动接触条件下铁基涂层的疲劳磨损寿命实验研究［J］.材料工程,2010，（6）:50-58.

Study on composite for fan spindle bearing of CPU

HU Xing-cheng，GUO Ying-kui，MENG Fan-yu
（College of Materials Science and Engineering，Harbin University of Technology，Harbin 150080，China）

The effect laws of martensitic transformatio of TRIP steal on mechanical property and abrasion performance of TRIP-Al2O3composite which was prepared by hot pressed sintering with Al2O3as matrix and TRIP steal powder as sintering aid were studied.The results showed that bending strength and fracture toughness of composite went increased then decreased with the content of TRIP increased.TRIP steal had martensitic transformation under flexural load，and the content of TRIP steal increased with martensitic transformation increased.Contrast wear test showed that the wear rate increased of both of composite and common material with time.But the wear rate of composite was less than common material.

martensitic transformation of TRIP-Al2O3composite；mechanical property；relative wear rate

TB333

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20160871

2016-04-18

胡形成（1991-），男，哈尔滨理工大学材料学院无机非金属材料工程专业本科生。

郭英奎（1963-），男，教授，研究方向：结构陶瓷材料的制备与韧化。