王慶平，閔凡飛，吳玉程, 劉 銀，曹銀南

(1. 安徽理工大學 材料科學與工程學院，淮南 232001；2. 合肥工業(yè)大學 材料科學與工程學院，合肥 230009)

粉煤灰/鋁-鎂合金復合材料的微觀組織及摩擦磨損性能

王慶平1，閔凡飛1，吳玉程2, 劉 銀1，曹銀南1

(1. 安徽理工大學 材料科學與工程學院，淮南 232001；2. 合肥工業(yè)大學 材料科學與工程學院，合肥 230009)

采用粉末冶金法制得粉煤灰/Al-25%Mg復合材料，研究不同粉煤灰含量對復合材料微觀組織、硬度和摩擦磨損性能的影響，采用掃描電子顯微鏡觀察復合材料的磨損表面形貌，并對其磨損機制進行探討。結果表明：隨著粉煤灰含量的增加，復合材料的硬度呈現(xiàn)先增大而后減小的趨勢；在較低粉煤灰含量和較低載荷下，該復合材料的摩擦因數(shù)均低于基體鋁合金的，并且隨粉煤灰含量的增加復合材料的耐磨性有所提高，復合材料的磨損機制主要為粘著磨損和磨粒磨損；在較高粉煤灰含量和較高載荷下，該復合材料的磨損機制轉化為以剝層磨損和磨粒磨損為主。

粉煤灰；鋁基復合材料；摩擦磨損；磨損機制

鋁基復合材料由于具有較好的力學及耐磨性能，在航空航天和汽車工業(yè)上獲得較快的應用。目前國內對粉煤灰的綜合利用方面研究比較多，但是以粉煤灰作為增強顆粒制備鋁基復合材料方面的研究少見報道，吳林麗等[1]以粉煤灰作為增強顆粒，利用攪拌鑄造法制備了粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料，但是粉煤灰顆粒分布及其與基體鋁合金的潤濕性問題并沒有根本解決。李月英等[2]對擠壓鑄造法制成的飛灰顆粒增強ZL109復合材料在不同條件下的摩擦磨損行為進行了研究。

近年來，國外對粉煤灰在鋁基復合材料方面的研究較多，ROHATGI等[3]用壓力滲透法制備了鋁-飛灰復合材料。SHEN[4]、SURAPPA 和 ROHATGI[5]以及SURAJ等[6]也都對粉煤灰的綜合利用及其在鋁合金方面的應用作了相關的研究工作。使用電廠廢棄副產(chǎn)品粉煤灰作為填充物加到輕金屬及其合金中，采用傳統(tǒng)的鑄造技術來制備鋁(合金)-粉煤灰復合材料，檢測了這種材料的各項性能指標，評價了它們的各種性能并且研究了其在機器零部件中可能的應用前景[7-8]。例如活塞、引擎外殼以及連接杠桿的各種成分都是使用粉煤灰-鋁合金復合材料。通過粉末冶金法可以制備出填充物均勻分布以及含有不同質量百分數(shù)粉煤灰顆粒的復合材料。本文作者在前期工作的基礎上重點研究粉煤灰/Al-25%Mg復合材料的摩擦磨損特性，并對其磨損機制進行了初步探討。

1 實驗

1.1 復合材料的制備

采用的材料主要有：Al-25%Mg合金粉；淮南平圩電廠的粉煤灰。粉煤灰的化學成分如表1所示。用10 mol/L H2SO4對粉煤灰進行表面腐蝕處理后[9-10]，用蒸餾水洗滌至pH值為7，烘干后與Al-25%Mg合金粉配料后在混料機上混6 h，使鋁合金粉與粉煤灰充分混合。將混合均勻的粉煤灰和鋁合金粉在壓力500 MPa下壓制，保壓 10 min冷壓成型。然后在管式爐中650 ℃下進行燒結，氬氣氣氛保護，保溫1 h后，以4℃/min的速率降到500 ℃后，隨爐冷卻至室溫取出。復合材料試樣尺寸為31 mm×6 mm×7 mm，含粉煤灰質量分數(shù)分別為 5%、10%、15%及 20%。在HBV-30A型顯微硬度儀上測量復合材料的布氏硬度，載荷為19.6 N，加載時間為30 s。采用阿基米德排水法測定復合材料密度。

表1 粉煤灰的化學成分Table 1 Chemical compositions of fly ash

1.2 摩擦磨損實驗

摩擦磨損試驗于 MM-200摩擦磨損試驗機上進行，對磨環(huán)為45#鋼，硬度為45～50 HRC，內徑16 mm，外徑40 mm，載荷分別為78、98、118、137和157 N，磨損時間分別為4、6、10、15、20 min，試驗條件為干滑動摩擦，轉速為400 r/min。試驗在室溫及大氣氣氛下進行，取3次試驗結果的平均值，用單位時間的磨損質量損失作為磨損率來評價復合材料的耐磨性，采用北京Sartorius產(chǎn)BS224S型分析天平(精度0.1 mg)測量磨損質量損失。利用日立S-3000N型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察復合材料的微觀組織和磨損表面形貌。

2 結果與討論

2.1 復合材料的成分及微觀組織

圖1所示為650 ℃，粉煤灰含量為10%(質量分數(shù))所得復合材料的XRD譜。由圖1可知，復合材料最終產(chǎn)物為 Al、MgA12O4、Mg2Si、MgO，說明粉煤灰顆粒已反應完全，可能發(fā)生如下反應：

圖1 10%粉煤灰/A1-Mg復合材料的XRD譜Fig. 1 XRD pattern of 10% fly-ash/A1-Mg composite

圖2所示為650 ℃燒結溫度下不同粉煤灰含量的復合材料SEM像。由圖2可以看出，粉煤灰顆粒均勻分布于基體合金中，粉煤灰含量較少時復合材料較均勻致密，沒有氣孔出現(xiàn)；隨著粉煤灰含量繼續(xù)增加，復合材料中有少量氣孔出現(xiàn)，致密度降低，主要原因是隨著粉煤灰含量的增加，少量粉煤灰顆粒發(fā)生團聚，產(chǎn)生孔隙。由圖還可看出，有白色和灰色新相生成，由XRD譜可知分別為MgA12O4、Mg2Si或MgO。

2.2 復合材料的密度和硬度

圖3 復合材料的密度隨粉煤灰含量變化的關系曲線Fig. 3 Variation of density of composites with mass fraction of fly ash

圖3所示為復合材料的密度隨粉煤灰質量分數(shù)變化的曲線。由圖 3看出，隨著粉煤灰含量(wf)增加，復合材料的密度呈單調遞減趨勢。因為改性粉煤灰密度小于鋁合金基體密度，且隨著改性粉煤灰含量增加，材料的孔隙增多，所以復合材料的密度減小。

圖4所示為復合材料的硬度隨粉煤灰質量分數(shù)變化的曲線。由圖 4可見，在粉煤灰質量分數(shù)小于 5%時，復合材料的硬度隨著粉煤灰含量增大呈線性增加；當粉煤灰質量分數(shù)在5%～10%時，復合材料硬度增加趨勢減??；當質量分數(shù)大于10%時，復合材料的硬度迅速降低；粉煤灰質量分數(shù)為10%時，復合材料的硬度達到最高，比鋁合金基體提高約60%。這是由于當粉煤灰含量小于 5%時，可以均勻分散在 Al-25%Mg合金基體中而起到顯著的增強作用；當粉煤灰質量分數(shù)在5%～10%時，由于粉煤灰含量增大，粉煤灰在復合材料中部分團聚在Al-25%Mg的晶界處而不能形成良好的界面結合，部分抵消粉煤灰含量增加對復合材料性能的提高；當粉煤灰質量分數(shù)大于10%后，由于粉煤灰團聚嚴重，復合材料致密度降低等不利因素對材料性能的影響超過了粉煤灰的增強效果。復合材料的硬度隨著粉煤灰含量的增加而顯著提高。這是由于當粉煤灰含量較低時，復合材料中的粉煤灰增強效果更為顯著，使復合材料的硬度明顯增高。當粉煤灰含量達到10%時，復合材料的孔隙率上升，同時復合材料中粉煤灰出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，復合材料的硬度增加趨緩而達到最大值；當粉煤灰含量大于10%后，孔隙率上升及粉煤灰團聚對復合材料硬度的影響超過粉煤灰的增強效果，復合材料的硬度開始下降。

圖4 復合材料的硬度隨粉煤灰含量變化的關系曲線Fig. 4 Variation of hardness of composites with mass fraction of fly ash

2.3 載荷對復合材料摩擦磨損性能的影響

圖5所示為轉速為400 r/min時基體合金和復合材料的磨損率隨載荷變化曲線。由圖5可看出，基體合金試樣的磨損率明顯大于復合材料試樣，隨著載荷的增加，基體合金和復合材料的磨損率均顯著增加，且在加大載荷時磨損率的增加更明顯。在較低載荷下復合材料的耐磨性顯著高于鋁基體，在較高載荷下復合材料耐磨性的改善有所降低。在78～117 N之間，磨損率基本都呈線性關系，在117 N以后,基體合金和復合材料的磨損率均發(fā)生急劇增加。從圖中還可看出，鋁合金和復合材料的磨損曲線上都有轉折點，說明兩種材料的磨損機制隨著載荷的增加發(fā)生了改變?；w鋁合金的磨損機制轉變點載荷為98～117 N，復合材料的磨損機制轉變點載荷為117～137 N，且隨著粉煤灰含量的增加復合材料的磨損機制轉變點向更高載荷移動。這說明粉煤灰顆粒增強相的加入起到了推遲復合材料向嚴重磨損的轉變，并且還改善了在低載荷下復合材料的耐磨性。

圖5 試驗載荷對復合材料磨損率的影響Fig. 5 Effect of test loads on wear rate of composites

圖6所示為復合材料和鋁基體的摩擦因數(shù)隨試驗載荷變化的關系曲線。由圖6可看出，復合材料和鋁基體的摩擦因數(shù)隨試驗載荷增加開始有減小的趨勢，后來基本趨于穩(wěn)定。并且復合材料的摩擦因數(shù)均低于鋁合金基體，隨粉煤灰含量的增加復合材料的摩擦因數(shù)略有降低。載荷是通過接觸面積的大小和變形程度來影響摩擦磨損特性的。載荷增加使兩接觸表面的真實接觸面積增加，變形程度加劇，并且還使產(chǎn)生的磨損粒子增多且不易從接觸區(qū)排出，從而載荷增加使磨損加劇。滑動摩擦過程中金屬表面處于彈塑性接觸狀態(tài)，由于實際接觸面積與載荷的非線性關系，使得摩擦因數(shù)隨著載荷的增加而有所降低[11-12]。

圖6 試驗載荷對復合材料摩擦因數(shù)的影響Fig. 6 Effect of test loads on friction coefficient of composites

2.4 磨損機理分析

圖7所示為復合材料在78 N和118 N下滑動6 min的磨損表面形貌。從圖7(a)和(b)可以看出，低含量粉煤灰復合材料的磨損表面有明顯的犁溝和微裂紋,呈現(xiàn)出磨粒磨損跡象，在磨損過程中出現(xiàn)多次摩擦副咬死現(xiàn)象。這是因為摩擦偶件與試樣表面的微觀粗糙峰形成點接觸，在接觸點附近產(chǎn)生塑性變形、出現(xiàn)冷焊使得粘著點的強度和接觸面增大，當粘著點強度比偶件與基體剪切強度高時發(fā)生膠合，呈現(xiàn)粘著磨損。從圖7(e)和(f)可見，含20%粉煤灰的復合材料磨損表面為鱗片狀且有淺顯凹坑，這屬于剝層磨損和疲勞磨損特征。由圖7可見，隨著粉煤灰含量的增加，磨損機制由磨粒磨損和粘著磨損向剝層磨損和疲勞磨損轉變。

圖7 兩種載荷下復合材料的磨損表面Fig. 7 Surface wear morphologies of composites under different test loads: (a) 10%, 78 N; (b) 10%, 118 N; (c) 15%, 78 N; (d) 15%,118 N; (e) 20%, 78 N; (f) 20%, 118 N

粉煤灰顆粒增強Al-25%Mg復合材料是在軟的鋁合金基體上分布著硬的粉煤灰顆粒。由于粉煤灰顆粒的硬度和耐磨性均遠高于鋁合金基體，當滑動摩擦開始后，復合材料表面的鋁合金基體首先被磨掉，而使粉煤灰顆粒暴露在材料表面，與對偶面直接接觸，起到了承受載荷、限制對磨材料與鋁基體直接接觸的作用[11-12]。如圖7(e)所示，在較低載荷下，復合材料的磨損機制主要為粘著磨損和磨粒磨損。提高載荷，當鋁基體對粉煤灰顆粒的約束力不足以抵抗摩擦力對它的作用時，粉煤灰顆粒就會發(fā)生脫落，從而失去其承載能力，復合材料的磨損將向嚴重磨損轉化。此時復合材料的磨損機制轉化為剝層磨損、疲勞磨損和磨粒磨損，如圖7(f)所示。當然，由圖7(f)箭頭所示可知，脫落的粉煤灰顆粒在磨面上可以起到“滾珠”的作用，使摩擦形式由“二體”摩擦轉變?yōu)椤叭w”摩擦，從而對復合材料的磨損起到一定的減磨作用[13-15]。隨著粉煤灰含量的增加，粉煤灰顆粒的承載面積加大，分配到單個粉煤灰顆粒上的壓力將減小，因此粉煤灰含量越大，從輕微磨損向嚴重磨損轉變的載荷也就越高。且磨面上的粉煤灰顆粒越多，在磨面上起到的“滾珠”效應也就越明顯，從而減磨作用也就越明顯，故粉煤灰顆粒/Al-25%Mg復合材料的耐磨性隨粉煤灰含量的增加而有所提高。

3 結論

1) 粉煤灰/Al-25%Mg復合材料的摩擦磨損特性優(yōu)良，其耐磨性優(yōu)于基體鋁合金的，摩擦因數(shù)穩(wěn)定地低于基體鋁合金，且隨粉煤灰含量的增加，復合材料的耐磨性有所提高。

2) 粉煤灰顆粒/Al-25%Mg復合材料中的粉煤灰顆粒在摩擦磨損過程中主要起到承受載荷、限制對磨材料與鋁基體直接接觸、阻礙基體塑性變形的作用。在摩擦磨損過程中，從基體中脫落下來的粉煤灰顆粒在兩對磨面之間可以起到滾珠的作用，形成三體磨損，從而起到減磨作用。

3) 在較低粉煤灰含量和較低載荷下，粉煤灰顆粒/Al-25%Mg復合材料的磨損機制主要為粘著磨損和磨粒磨損。在較高粉煤灰含量和較高載荷下，粉煤灰顆粒/Al-25%Mg復合材料的磨損機制轉化為以剝層磨損和磨粒磨損為主，粉煤灰顆粒的存在起到推遲這種磨損機制轉化的作用。

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Microstructures and friction and wear properties of fly ash/Al-Mg alloy composites

WANG Qing-ping1, MIN Fan-fei1, WU Yu-cheng2, LIU Yin1, CAO Yin-nan1
(1. School of Materials Science and Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China;2. School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The fly ash particles reinforced Al-25%Mg alloy composites were fabricated by powder metallurgy method.The influence of different fly ash contents on the microstructure, hardness and friction and wear behavior of composites were investigated at constant sliding velocity of 400 r/min. The worn surfaces of composites were observed by scanning electron microscopy, and the worn mechanism of composites was discussed. The results show that the hardness of composites increases firstly and then decreases with increasing fly ash content. Under the lower loads and at the lower fly ash content, the friction co-efficient is steadily lower than that of Al alloy matrix. The wear resistance of composites increases with the volume fraction of fly ash particles and the wear mechanism is characterized as abrasive wear and adhesive wear. On the other hand, the wear mechanisms in the composites are transformed with increasing load and fly ash volume, mainly it is delamination wear and abrasive wear.

fly ash; aluminum matrix composite; friction and wear; wear mechanism

TB331

A

1004-0609(2012)04-1039-06

安徽省自然科學基金資助項目(1208085QE100，11040606M121)；安徽省教育廳重點項目(KJ2009A016)；淮南市重點科技項目(2011A07906，2010A03103)；安徽理工大學博士啟動基金項目

2011-02-22；

2011-07-04

王慶平，副教授，博士；電話：0554-6668649；E-mail: wqp.507@163.com

(編輯 李艷紅)