首頁

資訊中心

企業(yè)動態(tài)

行業(yè)動態(tài)

安全動態(tài)

行業(yè)資訊

設(shè)備資訊

工具資訊

材料資訊

招商代理

您當(dāng)前位置:首頁 > 新聞頻道 > 技術(shù)動態(tài) > 正文

Si含量對鋁基復(fù)合材料摩擦性能的影響

2016-06-08 10:43:34 安裝信息網(wǎng)

董志翔1,2,3 楊茜1,2,3 楊永順1,2,3

（1．河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；2．有色金屬共性技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心；3．河南省有色金屬材料科學(xué)與加工技術(shù)重點實驗室）

摘要采用粉末冶金法制備Si顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，在不同的載荷條件下進(jìn)行干摩擦試驗，研究增強(qiáng)相Si含量對材料摩擦性能的影響。結(jié)果表明，增強(qiáng)相Si的加入有效提高了復(fù)合材料的摩擦性能；隨著Si含量的增加，摩擦因數(shù)和磨損量均先減小后增大，當(dāng)Si含量達(dá)到12%時，其摩擦性能最好。通過SEM和EDX分析鋁基復(fù)合材料磨損表面，其磨損機(jī)制主要為磨粒磨損和氧化磨損。

關(guān)鍵詞鋁基復(fù)合材料，顆粒增強(qiáng)，摩擦磨損

中圖分類號 TG146. 21; TB3 31 DOI:10. 15980/j．tzzz. 2016. 05. 022

顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有低密度、高比強(qiáng)度和比剛度、低熱膨脹系數(shù)的特點，在汽車工業(yè)、航天工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。復(fù)合材料中添加增強(qiáng)相不僅能優(yōu)化材料的力學(xué)性能，還使得材料具有優(yōu)異的耐磨性能。已經(jīng)有公司將顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用在剎車盤、活塞等高速摩擦器件上，如日本豐田汽車和德國高鐵，不僅效果好，而且壽命長。美國Duraican公司研制出的Si C。增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料汽車制動盤，在汽車減重的同時，提高了其耐磨性，而且噪聲明顯減小，得到廣泛好評。徐向陽等、付俊波等采用快速凝固技術(shù)制備鋁基復(fù)合材料制造的汽車發(fā)動機(jī)活塞和汽缸，應(yīng)用到解放牌汽車上，取得了良好效果。陳躍等研制的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料剎車摩擦盤的耐磨性比基體合金提高了3個數(shù)量級。

顆粒增強(qiáng)材料的增強(qiáng)相有Si C、Si、B4C、WC、TiB2等，增強(qiáng)顆粒鑲嵌在基體中，能夠細(xì)化晶粒，阻礙晶粒長大，提高其強(qiáng)度和耐磨性能。其中Si不僅價格低廉，在摩擦過程中表層Si顆粒細(xì)化能夠穩(wěn)定摩擦因數(shù)，還使得機(jī)械混合層的硬度提高而使材料耐磨性增強(qiáng)，所以得到最多的研究。本課題重點研究了Si含量對鋁基復(fù)合材料摩擦性能的影響，為鋁基材料的應(yīng)用提供參考。

1 試驗方法

1.1材料制備

試驗合金采用粉末冶金法制備�；w材料選用6061AI粉，顆粒大小為200目，成分見表1。增強(qiáng)相Si粒度大小為200目，純度為99. 9%，Si顆粒形貌見圖1，呈多面體塊狀的不規(guī)則形狀。增強(qiáng)相Si含量分別為0、4%、8%、12%、16%、20%。

采用Y型混料機(jī)混料，球料比為5:1，混粉時間為8h，將混合粉末在500 M Pa壓力下進(jìn)行冷壓，制成尺寸為ɸ32 mm×25 mm的試樣，隨后放入管式爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為853 K，燒結(jié)時間為3h，燒結(jié)過程通人保護(hù)氣體。燒結(jié)后將試樣進(jìn)行熱擠壓，擠壓溫度為733K，擠壓速度為1mm/s，擠壓比為4:1，隨后進(jìn)行T6熱處理。

1.2性能測試

將試樣塊加工成尺寸為≠5 mm×15 mm的圓柱形試樣。對磨盤45號鋼的尺寸為+75 mm×10 mm。采用QG~700型摩擦磨損試驗機(jī)，銷一盤式摩擦方式進(jìn)行干滑動摩擦磨損試驗。對磨盤轉(zhuǎn)速為600 r／min，旋轉(zhuǎn)半徑為15 mm。試驗前用800號砂紙拋光試樣和對磨盤表面。采用杠桿機(jī)構(gòu)加載，載荷為10.5、2.5 N。每種工況下進(jìn)行3次試驗，通過扭力傳感器測得摩擦力，并計算得到摩擦因數(shù)，取穩(wěn)定部分平均值為平均摩擦因數(shù)。試驗前后試樣用丙酮超聲波清洗，吹干后用精度為0. 01 mg的分析天平稱量，計算質(zhì)量損失。采用磨損率(W r)描述待測材料的耐磨性能：

采用JSM-5610LV型掃描電鏡對鋁基復(fù)合材料磨損表面及亞表面形貌進(jìn)行分析觀察，并通過EDX能譜分析磨損表面及其亞表面的元素組成。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1微觀組織和力學(xué)性能

圖2是經(jīng)過擠壓和熱處理后試樣的SEM照片。從圖2a可以看出，增強(qiáng)相Si均勻分布在基體材料中，基體和增強(qiáng)相之間的空隙較少，增強(qiáng)相之間無明顯團(tuán)聚。當(dāng)Si含量為20%時，從圖2b看出，增強(qiáng)相Si分布不均勻，部分Si顆粒長大，基體和增強(qiáng)相中有較多的空隙。

復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和硬度見表2。從表2可以看出，隨著增強(qiáng)相Si含量的增加，抗拉強(qiáng)度和硬度均先增加后減小，當(dāng)Si含量為12%時，力學(xué)性能最佳。

2.2 Si含量對復(fù)合材料摩擦性能的影響

圖3為不同載荷條件下復(fù)合材料與45號鋼干摩擦?xí)r的摩擦因數(shù)和磨損量。從圖3a可以看出，低載荷下復(fù)合材料的摩擦因數(shù)要高于高載荷下的，兩種載荷下的摩擦因數(shù)隨增強(qiáng)相Si含量變化趨勢一致。Si含量為0時，摩擦因數(shù)最大；隨著Si含量的增加，摩擦因數(shù)隨之減小，當(dāng)Si含量達(dá)到12%時，兩種載荷條件下的摩擦因數(shù)均達(dá)到最小，隨著Si含量的繼續(xù)增加，摩擦因數(shù)反而增大。加入Si后摩擦因數(shù)比未加入的小，這說明Si對于材料有明顯的減摩作用。

從圖3b看出，高載荷時的磨損量要大于低載荷時的磨損量；兩種載荷下的磨損量隨著增強(qiáng)相Si含量增加的趨勢相同；磨損量先隨著Si含量的增加而降低，當(dāng)Si含量達(dá)到12%時磨損量最小，當(dāng)Si含量繼續(xù)增加，磨損量反而增加。

磨損量與增強(qiáng)相Si含量之間的變化趨勢與摩擦因數(shù)和增強(qiáng)相Si含量的變化趨勢相同，說明增強(qiáng)相Si的加入不僅能提高材料減摩性，也提高了耐磨性。當(dāng)增強(qiáng)相Si含量為12%時，材料的摩擦性能最好。

2.3磨損表面形貌分析

顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的摩擦磨損實質(zhì)是復(fù)合材料中硬質(zhì)相對磨盤的刮擦和磨盤微凸體對基體的摩擦作用，復(fù)合材料和偶件表面的相互犁削，導(dǎo)致復(fù)合材料和對磨盤摩擦表面體積損失。增強(qiáng)相在摩擦過程中暴露在材料表面，有效地承擔(dān)起垂直壓力，減少了軟基體與對磨盤的接觸，同時增強(qiáng)顆粒也阻礙了基體塑性變形，增強(qiáng)相的增加減少了金屬粘結(jié)作用，從而提高了材料的摩擦性能。圖4為低載荷下不同Si含量的鋁基復(fù)合材料的磨損表面形貌。從圖4a看出，磨損表面有明顯的犁溝劃痕，這是由對磨盤中硬質(zhì)相對基體刮蹭引起的，此時磨損類型主要為磨粒磨損。

但當(dāng)Si含量超過12%時，摩擦性能降低。這是由于增強(qiáng)相增多，使基體與增強(qiáng)相之間的結(jié)合力變差。在摩擦剪切力的作用下，增強(qiáng)相脫離基體，并產(chǎn)生大量碎屑。同時，增強(qiáng)相的增加使得燒結(jié)、熱處理過程中基體中的Si元素在增強(qiáng)相周圍團(tuán)聚，產(chǎn)生大顆粒的Si，在垂直壓力作用下易被壓碎，脫離基體，從而降低復(fù)合材料的摩擦性能，見圖4b、圖4c，此時磨損表面基體塑形流動增加，金屬粘結(jié)作用增多，摩擦因數(shù)增大，也使得磨損量增加。

圖5為高載荷下增強(qiáng)相Si含量為12%時復(fù)合材料的摩擦表面形貌及能譜。在高載荷條件下，少量的Si顆粒在壓力作用下破碎脫離基體，夾雜在試樣塊和對磨盤中間參與摩擦，在試樣和對磨盤中間產(chǎn)生由Fe、Al及其氧化物組成的混合物�；旌衔锉粔喝胼^軟的鋁基體上，形成一層薄而硬的混合物層，稱之為機(jī)械混合層，見圖5b。試樣表層含有Fe和O，這是由對磨盤材料、基體材料和其氧化物共同組成的混合層。這種混合層的硬度大，對基體的保護(hù)作用更好。高載荷條件下摩擦表面溫度高，摩擦垂直壓力大，機(jī)械混合層更容易產(chǎn)生，所以高載荷時摩擦因數(shù)比低載荷時摩擦因數(shù)小。但是由于形成機(jī)械混合層時產(chǎn)生較多的碎屑，導(dǎo)致體積損失增加，并且由于機(jī)械混合層本身脆而硬，容易斷裂，所以高載荷條件下磨損量比低載荷條件下的大。

圖6為高載荷下增強(qiáng)相Si含量為20%的鋁基復(fù)合材料摩擦表面形貌和能譜。隨著Si含量增加，機(jī)械混合層的保護(hù)效果減弱。從圖6b可知，表面的O元素含量增大。增強(qiáng)相含量增加導(dǎo)致磨損碎屑增多，機(jī)械混合層中氧化物增多，使得混合層脆性增大更易脫落，也會使與之壓合在一起的基體剝落，在摩擦表面留下大量的片狀脫落層（見圖6b），從而導(dǎo)致摩擦性能降低。