納微米SiCp/Al-Si復合材料的摩擦磨損性能
高紅霞 王華麗 楊東 吳深 樊江磊．
（1．鄭州輕工業(yè)學院機電學院；2．西安交通大學材料科學與工程學院）
摘要 通過真空熱壓燒結工藝制備了單一納米、單一微米及其混合顆粒增強的Al-Si復合材料，測試了這些顆粒增強Al-Si復合材料的摩擦磨損性能，并分析了其磨損機理。結果表明，與基體材料相比，顆粒增強Al-Si復合材料的體積磨損量明顯降低，當納米SiCp含量為3%時，隨著微米SiC，含量的增加，納微米SiCp/AI-Si復合材料的體積磨損量先減小后增加。當增強顆粒含量為3%的納米+15%的微米時，復合材料的體積磨損量最小，耐磨性較基體材料提高58. 2%。利用掃描電鏡對納微米SiCp/AI-Si復合材料的磨損形貌進行觀察，發(fā)現(xiàn)復合材料的磨損機制主要為磨粒磨損。
關鍵詞 納／微米混合顆粒；鋁基復合材料；體積磨損量；磨粒磨損
與傳統(tǒng)的金屬材料相比，顆粒增強鋁基復合材料因具有制備工藝簡單、成本相對較低、性能優(yōu)良等特點而倍受青睞，是目前國內(nèi)外研究的熱點之一。顆粒的粒度和種類對顆粒增強鋁基復合材料的性能具有重要的影響。近年來，研究者也開始了對金屬基復合材料的混雜研究。與單一尺度、單一增強顆粒的復合材料相比，多尺度、多種類的顆粒增強鋁基復合材料的性能更加優(yōu)良、均衡。納米和微米級顆粒對基體的耐磨性強化作用不同，兩者結合可以產(chǎn)生更好的強化效果，而SiCp采用納米與微米混雜增強鋁基復合材料摩擦磨損性能的相關研究較少。本課題采用真空熱壓燒結法制備Al-Si基復合材料，討論分析SiC陶瓷顆粒納米及微米級及其混雜增強對復合材料摩擦磨損性能的影響，并探討了其磨損機理。
1試驗材料及方法
1.1試驗材料及試樣制備方法
增強相分別為60 nm和80um的SiCp，基體合金采用平均粒徑為40 Ym的Al-Si系合金粉末（其主要成分為17. 75%的Si，1.16%的Fe，0.312%的Mg，0.005%的Cu)。試樣配方見表1。
采用真空熱壓燒結法制備試樣。設備選用RYJ-2000型真空燒結壓機，燒結壓力為30 MPa，燒結溫度為460℃，保溫時間為3 min，試樣尺寸為5 mm×6 mm×26 mm。制備工藝流程見圖1。增強顆粒預處理工藝為加熱至700℃保溫th，第1次真空球磨4h將納米粉末與基體粉末混合，然后在納米、微米粉與基體混合時混合粉末里添加微米顆粒進行第2次真空球磨1 h；單一納米、微米級SiC，與基體粉末的真空球磨分別為4h和1 h。選用xoM-2L型行星式真空球磨機，球磨介質(zhì)為陶瓷球，轉速為220 rlmin，球料比為15：1，將混合粉末裝入到石墨模具中，真空熱壓燒結，得到復合材料試樣。
試樣金相組織見圖2，圖2a為O號試樣基體的組織，由d固溶體和點狀Si組成。圖2b為1號試樣金相組織，主要由a固溶體和點狀Si組成，晶粒大小均勻，較基體晶粒細化。當納米級SiCp含量為3%，微米級SiCp為10%、15%、20%時，可以看出，隨著微米級SiCp含量的增多，SiCp／Al-Si復合材料中的微米級SiCp在基體中出現(xiàn)團聚現(xiàn)象(見圖2d～圖2f)。
基體合金和復合材料試樣的硬度和致密度見表2。
1.2摩擦磨損性能測試方法
試樣在MMW-1A立式萬能摩擦磨損試驗機上進行摩擦磨損試驗，對磨材料為45號鋼，壓力為60 N，轉速為100 rlmin，時間為30 min；采用掃描電鏡(SEM)觀察復合材料的摩擦磨損表面及沖擊斷口形貌。為便于直觀比較不同密度材料的磨損性能，根據(jù)相同磨損條件下材料的密度、質(zhì)量損失，計算出試樣體積磨損量△V(mm3)，公式如下：
式中，P.P。、Pm分別試樣、增加顆粒、基體合金的密度；a為增強顆粒含量，Am為試樣磨損質(zhì)量損失。
2 試驗結果及分析
2.1 復合材料的摩擦磨損性能
圖3為6種復合材料的體積磨損量。從圖3可以看出，與基體材料相比，顆粒增強鋁基復合材料的體積磨損量明顯降低，主要因為增強顆粒對基體的硬化作用提高了材料的耐磨性。與單一納米、微米級SiCp增強復合材料相比，納米、微米級SiC混雜顆粒增強鋁基復合材料的體積磨損量相對較小，主要因為納米、微米級顆粒的共同作用。微米級顆粒的粒度較大、硬度較高，在復合材料承受磨損時可以看作是硬質(zhì)點直接承受載荷，對基體起到骨架支撐作用；納米顆粒的粒度較小，在復合材料中可以起到較好的彌散強化作用。對于納米、微米級SiC混雜顆粒增強鋁基復合材料，當納米級SiCp含量為3%時，隨著微米級SiCp含量從10%增加到20%，鋁基復合材料的體積磨損量先減小后增加，微米級SiCp含量為15%時，復合材料的體積磨損量最少，為1. 17m3，耐磨性比基體提高58. 2%。主要是因為微米級SiCp在納米級顆粒增強復合材料中對基體起到硬化作用和骨架支撐作用，導致納米、微米級混雜顆粒增強復合材料的硬度增大、體積磨損量下降。但隨著微米級SiCp含量增加，微米級增強顆粒在基體中出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，見圖2f，導致增強顆粒與基體的結合不緊密，當復合材料承受摩擦力時，微米級增強顆粒容易松動、脫落，導致材料體積磨損量變大，同時脫落或破碎的顆粒在材料與對磨塊之間滾動，加劇了材料磨損。
2.2磨損形貌與磨損機理分析
圖4為5種SiCp增強鋁基復合材料磨損表面的SEM圖。對比圖4a和圖4e看出，加入微米級SiCp后復合材料的磨損表面出現(xiàn)較深溝壑，是因為與單一納米顆粒的硬化作用相比，微米級和納米級混合顆粒的共同硬化作用使得材料的硬度較大，從而表現(xiàn)為犁溝狀的磨粒磨損；另外，加入微米級SiCp后復合材料摩擦表面組織缺陷增多，并且磨損表面的組織缺陷大多分布在微米級SiCp周圍，主要是因為微米級SiCp的熱膨脹系數(shù)與基體合金的熱膨脹系數(shù)相差較大，經(jīng)過熱壓燒結容易在微米級SiCp周圍造成熱配位錯，在摩擦磨損試驗中試樣與對磨件的摩擦會產(chǎn)生熱量，導致微米級顆粒與基體材料的結合處組織缺陷增多。從圖4b～圖4d中可以看到，隨著微米級SiCp含量的增加，復合材料磨損表面的組織缺陷增多，主要是因為隨著微米級SiCp含量增加，微米級增強顆粒出現(xiàn)了團聚現(xiàn)象，導致增強顆粒周圍的基體組織縮松，另外由于微米級SiCp含量的增加，降低基體材料的連續(xù)性，也會導致組織缺陷增多。
從圖4a磨損表面可以看到有撕裂痕跡，說明單一納米級顆粒復合材料韌性較好，磨損表現(xiàn)為粘著磨損。從圖4b～圖4d可以看到鑲嵌在基體中的納米級SiCp表面有明顯的磨痕，這說明在摩擦過程中納米級SiCp直接承載，起到保護基體的作用。在摩擦磨損初期，納米級SiCp包裹在基體合金內(nèi)部，復合材料的耐磨性能主要由基體耐磨性決定，這個階段主要是粘著磨損階段。隨著摩擦磨損的進行，當復合材料表層被磨去一定厚度層時，復合材料內(nèi)部鑲嵌的納米級SiCp裸露出來，并起到硬質(zhì)點的作用，直接承受載荷，保護基體組織。當納米級SiCp經(jīng)過長時間摩擦之后，納米級SiCp在應力反復作用下會破碎或脫離基體表面，脫落或破碎的顆粒在試樣與對磨塊之間滾動，加劇了材料磨損，這個階段主要是磨粒磨損。在圖4e中，鑲嵌在基體中部破碎的納米級SiCp，與基體的界面處存在細小的裂紋，經(jīng)過劇烈摩擦及持續(xù)摩擦力作用，裂紋不斷生長形成縫隙，最終導致納米級SiCp脫落。
微米級和納米級SiC混雜顆粒增強鋁基復合材料在摩擦磨損過程中，微米級SiCp與基體界面的結合強度對復合材料的抗摩擦磨損能力有著決定性作用。圖5為4號試樣沖擊斷口形貌�？梢钥闯�，斷口中基體存在大量的小韌窩，屬于塑性斷裂，在斷裂表面可以看到SiCp表面存在部分斷裂現(xiàn)象，這是因為增強顆粒與基體合金之間的結合緊密，完成了載荷由基體向增強顆粒的傳遞，當外加應力以及位錯引起的局部應力達到臨界值時，微米級SiCp發(fā)生了斷裂。這也說明圖4中的磨損表面上微米級SiCp與基體的界面處存在的裂紋，不是由于SiCp與基體的結合力低造成的，而是因為在長時間持續(xù)摩擦力作用下裂紋不斷生長形成縫隙造成的。
3結論
(1)單一納米、單一微米、微米級和納米級混合SiC混合顆粒增強鋁基復合材料的磨損量均低于基體材料；微米級和納米級SiC混雜顆粒增強鋁基復合材料的體積磨損量低于單一納米、單一微米復合材料的。
(2)當納米級SiCp含量為3%時，隨著微米級SiCp含量的增加，SiCp/Al-Si復合材料的體積磨損量先減小后增加，當SiCp含量為3%的納米和15%的微米時體積磨損量最小，耐磨性較基體材料提高58. 2%。
(3)微米級和納米級混合SiCp混合顆粒增強SiCp/Al-Si復合材料的的磨損機制主要為磨粒磨損。
上一篇:納米水離子發(fā)生裝置參數(shù)優(yōu)化實驗研究
下一篇:返回列表
