陳聰聰，陳 剛，嚴紅革，蘇 斌

(湖南大學 材料科學與工程學院，長沙 410082)

顆粒增強鋁基梯度復合材料的摩擦磨損性能

陳聰聰，陳 剛，嚴紅革，蘇 斌

(湖南大學 材料科學與工程學院，長沙 410082)

采用新型噴射沉積技術制備SiC體積分數(shù)呈連續(xù)分布(0～30%)的Al-Si基梯度復合材料，利用MG?2000型銷?盤磨擦磨損試驗機，研究不同滑動轉速和載荷對該梯度復合材料摩擦磨損性能的影響。采用 SEM 和MHV?2000型維氏硬度計研究該梯度復合材料的顯微組織、硬度及其耐磨性的梯度分布規(guī)律。結果表明：隨著滑動轉速和載荷的增大，梯度材料的摩擦因數(shù)逐漸降低；材料的磨損率隨載荷的增加而增大，隨滑動轉速的提高先增大后減小，在轉速500 r/min時達到最大；對比研究沉積態(tài)與熱壓態(tài)材料的摩擦磨損行為，噴射沉積態(tài)由于孔隙等缺陷的存在，其磨損形式主要是磨粒磨損和剝層磨損；熱壓后，梯度材料的磨損形式以磨粒磨損和粘著磨損為主；隨基體中SiC含量的逐漸增加，錠坯各部分硬度和耐磨性也隨之提高。

Al-Si梯度復合材料；顆粒增強；耐磨性；磨損機制

顆粒增強鋁基復合材料具有比強度和比剛度高、彈性模量高、導熱性和耐磨性能優(yōu)良等，在交通車輛、航空航天、國防軍工等領域有著極其廣泛的應用，而事實上在很多的場合，材料的摩擦性能體現(xiàn)出了重要意義[1]，如飛機的液壓制動器缸體、風扇出口導流葉片、車輛部件的剎車系統(tǒng)、汽車發(fā)動機活塞和缸套缸蓋等，這些零件對材料的摩擦磨損性能都有較嚴格的要求。因此，針對鋁基復合材料的摩擦學性能和磨損機理已有不少的研究[2?4]，但所制備和研究的對象皆為陶瓷顆粒在基體中均勻分布的復合材料，這種“均質”復合材料在實際應用中存在一些局限性，如采用陶瓷顆粒增強鋁基復合材料制造的輕量化制動部件雖然表面耐磨和耐蝕等性能優(yōu)異，但材料的整體塑性偏低、韌性也不高，在應用過程中耐疲勞性能不足。

梯度復合材料是基于一種全新的材料設計概念而開發(fā)的新型功能材料，由于材料構成要素(成分、組織結構等)在幾何空間上連續(xù)變化，從而得到性能在幾何空間上也是連續(xù)變化的非均質材料[5]。梯度復合材料的制備研究比較多的是離心鑄造法，但是其梯度沉積層厚度及增強相的分布均勻性難以控制[6?7]。傳統(tǒng)噴射沉積技術對沉積物的冷凝固速度有一定限制，噴射沉積坯尺寸精度不高，且難以實現(xiàn)增強相的梯度分布。

鑒于目前廣泛使用的耐磨部件要求輕量化、表面高耐磨，耐腐蝕，而整體要求高強度、高韌性和疲勞性能[8?9]，本文作者以Al-17Si合金系為基體，采用自行發(fā)明的新型噴射沉積技術[10]，通過一個自動控制系統(tǒng)，根據(jù)沉積坯高度調節(jié)SiC顆粒輸送量，制備了SiC體積分數(shù)為0～30%連續(xù)梯度分布的顆粒增強鋁基復合材料。研究該梯度復合材料的組織、硬度的分布規(guī)律及其摩擦學性能，為研究和拓展顆粒增強鋁基復合材料的應用提供參考。

1 實驗

采用新型噴射沉積裝置制備陶瓷顆粒增強鋁基梯度復合材料的沉積態(tài)錠坯，SiC顆粒沿錠坯軸向呈梯度分布；為了進一步改善材料的性能，沉積態(tài)材料在540 ℃下進行熱模壓以實現(xiàn)致密化。

分別從沉積態(tài)和熱壓態(tài)材料上沿錠坯軸向切取 d 6 mm×12 mm 3個不同 SiC含量的試樣。采用MG?2000型銷?盤試驗機進行室溫摩擦磨損測試。對偶盤為45#鋼，尺寸d 70 mm×10 mm，有效直徑30 mm。試樣經(jīng)金相砂紙打磨平后再磨合10～20 min至約90%面積接觸。測試時保持轉速為300 r/min，取載荷分別為10、20、30、40和50 N；保持載荷為20 N時，取轉速分別為300、400、500、700和900 r/min。實驗進行的總轉數(shù)為6 000轉，通過測量質量損耗計算磨損率，磨損量的測量在感量為±0.1 mg的電子分析天平上進行，磨損率(W)由式(1)計算[11]：

式中：Δm為梯度材料實驗前后的質量損失，mg；R為有效回轉半徑，m；t為摩擦時間，min；v為盤試樣的轉速，r/min；μ為平均摩擦因數(shù)；F為施加在銷試樣上的法向壓力，N。

采用 MM?6型臥式金相顯微鏡分別觀察沉積態(tài)和熱壓態(tài)中SiC顆粒的梯度分布；采用MHV?2000型顯微硬度計測定梯度材料的硬度分布。采用 FEIQuanta 200型掃描電子顯微鏡對試樣的磨損表面形貌進行分析。

2 結果與分析

2.1 梯度復合材料的組織與性能

圖 1所示為沉積態(tài)與熱壓態(tài)試樣沿軸向方向的SiC顆粒分布金相照片。由圖1可見，實驗所制備的復合材料錠坯 SiC顆粒軸向方向含量變化明顯(試樣1、2、3的取樣點分別距離錠坯頂部為 12、24和 36 mm)，實現(xiàn)了梯度分布。且SiC顆粒分布較均勻，基體中孔隙非常少，克服了傳統(tǒng)噴射沉積材料含有較多孔隙的不足[12]；坯件經(jīng)過熱壓后出現(xiàn)了一定量的初晶硅，致密度進一步提高，從而進一步改善材料的耐磨性。

圖2所示為沉積態(tài)和熱壓態(tài)錠坯沿軸向方向的硬度分布。由圖2可知，隨著取樣點離錠坯頂部距離的增加，SiC顆粒的含量逐漸減少，沉積態(tài)與熱壓態(tài)的硬度也逐漸降低，同時熱壓后材料的硬度明顯比沉積態(tài)高，這主要是由于材料經(jīng)過熱壓后消除了沉積態(tài)材料中的孔隙，并使基體與增強相的結合強度更高。SiC顆粒的分布對材料的影響可以由硬度體現(xiàn)出來，而材料的硬度決定了接觸材料表面的真實接觸面積[13]，因此與其耐磨性能有著密切聯(lián)系。

2.2 梯度材料的磨損性能

圖3所示為沉積態(tài)與熱壓態(tài)試樣1、2、3在不同載荷和轉速下的摩擦因數(shù)。從圖3可以看出，沉積態(tài)與熱壓態(tài)的摩擦因數(shù)總體上都隨轉速和壓力的增大而降低。保持轉速在 300 r/min時，隨著載荷的逐漸增大，摩擦因數(shù)降低，變化趨勢呈一定的線性關系，沉積態(tài)摩擦因數(shù)最低為0.326 7，熱壓態(tài)摩擦因數(shù)最低為0.331 7；而在載荷一定時，當轉速逐漸增加，摩擦因數(shù)曲線波動都較大，沉積態(tài)摩擦因數(shù)最低為0.325 1，熱壓態(tài)摩擦因數(shù)最低為0.333 4；同一梯度下，熱壓態(tài)比沉積態(tài)的摩擦因數(shù)都高，熱壓態(tài)材料的摩擦因數(shù)最高達到0.539，而沉積態(tài)摩擦因數(shù)最高為0.451。

圖1 沉積態(tài)與熱壓態(tài)試樣金相圖Fig.1 Metallographs of SiCp/Al-17Si gradient composites: (a) As-deposited, sample 1; (b) As-deposited, sample 2; (c) As-deposited,sample 3; (d) Hot-pressing, sample 1; (e) Hot-pressing, sample 2; (f) Hot-pressing, sample 3

圖2 SiCp/Al-17Si梯度復合材料硬度分布Fig.2 Hardness distribution of SiCp/Al-17Si FGM

圖4 所示為在轉速300 r/min時SiCp/Al-17Si梯度復合材料在不同載荷條件下，沉積態(tài)與熱壓態(tài)的不同梯度對應的磨損率變化曲線。由圖4的磨損率—載荷曲線圖可知，沉積態(tài)與熱壓態(tài)的磨損率基本都隨載荷的增加而增大，在同一載荷情況下，兩種材料的磨損率都是沿軸向方向由上至下逐漸增大，與梯度復合材料的硬度分布規(guī)律一致。圖4(a)中沉積態(tài)試樣1在載荷40 N以下時，磨損率的增加比較緩慢；40 N以上時，試樣的磨損率突然大幅度增加，此時試樣發(fā)生了嚴重磨損。圖4(a)沉積態(tài)試樣2和圖4(b)熱壓態(tài)試樣3的磨損率在20 N時都突然降低，之后又繼續(xù)增大，分析認為，沉積態(tài)試樣2與熱壓態(tài)試樣3在20 N時試樣的摩擦表面形成了一層機械混合層(Mechanical mixture layer, MML)，這種MML能夠保護基體，從而降低磨損率，隨著載荷的增加，較脆的MML會慢慢斷裂，以較大的片狀剝落形式從基體脫落，使磨損逐漸加重[14?15]；熱壓態(tài)3種梯度復合材料的磨損率由上至下逐漸增大，明顯呈梯度變化，且由于材料經(jīng)過熱壓后，增強顆粒與基體的結合界面加強，所以磨損率沒有出現(xiàn)明顯的變化。

圖5所示為在載荷20 N時SiCp/Al-17Si梯度復合材料在不同轉速條件下，沉積態(tài)與熱壓態(tài)的不同梯度對應的磨損率變化曲線。

圖3 SiCp/Al-17Si梯度材料不同載荷與轉速的摩擦因數(shù)曲線Fig.3 Friction coefficient of SiCp/Al-17Si gradient composites at different loads and speeds: (a) 300 r/min; (b) 20 N

圖4 轉速300 r/min時SiCp/Al-17Si梯度復合材料的磨損率—載荷曲線Fig.4 Change of wear rate—load curves of SiCp/Al-17Si gradient composites at speed of 300 r/min: (a) As-deposited; (b) Hot-pressing

圖5 載荷20 N時SiCp/Al-17Si梯度復合材料的磨損率—轉速曲線Fig.5 Wear rate—speed curves of SiCp/Al-17Si gradient composites at load of 20 N: (a) As-deposited; (b) Hot-pressing

由圖5可知，沉積態(tài)與熱壓態(tài)試樣的磨損率都隨轉速的增加先增大后減小。在同一轉速下，兩種材料的磨損率沿軸向方向由上至下逐漸增大，與梯度復合材料的硬度及SiC顆粒的分布規(guī)律一致。在轉速500 r/min以下，沉積態(tài)與熱壓態(tài)梯度復合材料的磨損率先增加，并在500 r/min時達到峰值，隨后磨損率隨著轉速的增大逐漸降低。分析認為，增加對磨速度可使材料的應變速率增加，引起加工硬化從而提高材料的表面硬度，所以磨損率降低。沉積態(tài)最小磨損率為0.270 53 μg/(N·m)，最大磨損率為 0.654 31 μg/(N·m)；熱壓態(tài)最小磨損率為 0.189 08 μg/(N·m)，最大磨損率為0.589 76 μg/(N·m)。

圖6所示為沉積態(tài)與熱壓態(tài)同一梯度材料在不同載荷和轉速下磨損率的對比。

由圖6可看出，對同一梯度不同材料狀態(tài)的磨損率進行比較發(fā)現(xiàn)，在不同轉速和載荷下，熱壓態(tài)的磨損率都比沉積態(tài)小，沉積態(tài)磨損率最高，達到0.758 55 μg/(N·m)，熱壓態(tài)最高磨損率為 0.589 76 μg/(N·m)，這說明經(jīng)過熱壓致密化后，由于增強顆粒與基體的結合界面強度提高，消除沉積態(tài)材料內(nèi)部的空隙，從而提高了材料的耐磨性，同時熱壓態(tài)材料中大量的初晶硅顆粒也起到耐磨和支撐載荷的作用，它能保護基體免受對偶微凸體的劃傷，減少基體材料的磨損。

圖6 不同載荷與轉速下同一梯度材料的磨損率Fig.6 Wear rate as function of different loads and speeds for same gradient composites

3 磨損表面形貌分析

圖7所示為SiCp/Al-17Si梯度復合材料沉積態(tài)與熱壓態(tài)在低速低載荷時磨損表面形貌。

圖 7 SiCp/Al-17Si梯度復合材料低速低載荷時的磨損表面形貌Fig.7 Worn surface morphologies of SiCp/Al-17Si gradient composites at lower speed and load: (a) As-deposited; (b) Hotpressing

由圖7可見，沉積態(tài)與熱壓態(tài)的磨損表面都出現(xiàn)了犁溝，沉積態(tài)表面的犁溝較深，而熱壓態(tài)的表面犁溝較淺且數(shù)量少，相對平整，這也能從磨損率上體現(xiàn)出來。硬質顆粒增強復合材料的耐磨性還取決于基體與增強相的界面結合強度[16]，當SiC顆粒與基體結合較弱時，隨著磨損的進行，SiC顆粒在基體中發(fā)生晃動，從而松動，進而會被整個拔出基體或是顆粒發(fā)生斷裂，斷裂前半部分脫離基體，后半部分留在基體內(nèi)，這些脫離基體的SiC顆粒夾在摩擦副之間形成典型的三體磨粒磨損，由于SiC顆粒的硬度遠遠大于基體材料的，隨著滑動的進行，對材料產(chǎn)生微切削作用，因此沿摩擦滑動方向在表面形成了犁溝，從形貌上判斷兩種材料均為磨粒磨損。

圖8所示為SiCp/Al-17Si梯度復合材料沉積態(tài)與熱壓態(tài)在高速高載荷時磨損的表面形貌。

圖 8 SiCp/Al-17Si梯度復合材料高速高載荷時的磨損表面形貌Fig.8 Worn surface morphologies of SiCp/Al-17Si alloy gradient composites at higher speed and load: (a) As-deposited;(b) Hot-pressing

從圖8中看出，熱壓態(tài)的磨損表面局部出現(xiàn)了一些粘著坑，而沉積態(tài)的磨損表面出現(xiàn)嚴重的剝層磨損。當所施加的載荷超過SiC顆粒的承受極限時，SiC增強顆粒就不足以起到支撐載荷的作用，部分SiC顆粒破碎，使得復合材料基體與配副鋼材料直接接觸，由于基體較軟，從而在表面產(chǎn)生塑性流變，硬度越低，塑性變形越嚴重[17]。沉積態(tài)與熱壓態(tài)材料的表面都形成了一層MML，沉積態(tài)材料中由于存在孔隙，在摩擦實驗過程中，這些空隙就相當于一個裂紋源，裂紋很容易在這些地方形成；且由于SiC顆粒與基體的結合強度不高，裂紋也容易在界面處產(chǎn)生。因此隨著接觸應力的持續(xù)作用，次表層上的的空穴增多并聚集，當裂紋擴展到一定尺寸后，就會使裂紋上下的材料脫離，形成剝層磨削，使材料發(fā)生剝層磨損。而熱壓態(tài)材料雖然在SiC顆粒與基體的結合界面處也會有裂紋的形成，但是經(jīng)過熱壓致密化后，提高了材料的硬度，形成的MML比較致密，變形程度減小，只有局部的MML發(fā)生粘著剝落，對應的磨損率也降低。

4 結論

1) 采用新型噴射沉積技術制備了SiCp/Al-17Si梯度復合材料，且隨著SiC含量的逐漸增加，材料的硬度和耐磨性都呈梯度變化。

2) 噴射沉積材料經(jīng)過熱壓致密化后，消除了材料中的孔隙，從而提高了材料的硬度，熱壓態(tài)材料的耐磨性較沉積態(tài)明顯的提高。

3) 沉積態(tài)梯度復合材料的磨損形式主要為磨粒磨損和剝層磨損，熱壓態(tài)材料的磨損形式以磨粒磨損和粘著磨損為主。

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Friction and wear properties of particle reinforced graded aluminum matrix composites

CHEN Cong-cong, CHEN Gang, YAN Hong-ge, SU Bin
(College of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

The Al-17Si functionally graded material (FGM) with SiC volume fraction of 0?30% continuously were synthesized using new spray deposition technique. Furthermore, the microstructure, hardness and wear ability of this functionally graded material were studied with SEM, MHV?2000 Hervey hardness tester and MG?2000 pin-on-disc friction and wear testing machine. The results show that the friction coefficient decreases with increasing the applied load and sliding speed. The wear rate rises with the increase of applied load and it reaches the maximum at speed of 500r/min firstly, and then falls with increasing the sliding speed. Because of the existence of defects, such as the hole, the mainly wear way of the deposition is abrasive and delamination, while the composites after hot pressing is mainly abrasive and adhesive. The hardness and wear resistance of every part of materials increase with increasing the SiC content in the deposition billet.

Al-Si graded composite material; particle reinforcement; wear resistance; wear mechanism

TG 146.2+1; TB 333

A

1004-0609(2011)06-1258-07

國家高技術研究發(fā)展計劃資助項目(2009AA03Z111)

2010-06-28；

2010-10-02

陳 剛，教授，博士；電話：13873120655；E-mail: chengang811@163.com

(編輯 李艷紅)