劉敏

摘要：運(yùn)用變動加載載荷與滑動速度的方式，達(dá)到在現(xiàn)實工作中的使用要求，分析研究了體育器材用Ti₂AIC復(fù)合材料的摩擦磨損性能，對表面磨損形態(tài)開展觀察研究，同時研究了它的作用機(jī)理。試驗現(xiàn)象表明，這種復(fù)合材料的摩擦系數(shù)根據(jù)滑動速度的升高或者載荷的增加而變小;隨著滑動速度的升高，這種復(fù)合材料的磨損率會先減小然后逐漸增加，在滑動速度為4.9m/s時獲得磨損率的最小值;并且這種材料的磨損形式一般為層狀剝落與氧化磨損。

關(guān)鍵詞：體育器材;Ti₂AIC復(fù)合材料;磨損;形態(tài)

中圖分類號：TQ050.4⁺3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）07-0027-04

隨著我們國家的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，體育用品領(lǐng)域產(chǎn)值每年都在不斷增加，每年的綜合增長率為18%，并且每年的增加值占體育行業(yè)整體的79%以上，是世界第二大的體育用品消費(fèi)市場，行業(yè)競爭異常激烈。現(xiàn)在體育器材都朝著輕型化方向開發(fā)改進(jìn)，綜合性能良好的復(fù)合材料受到了人們的青睞，但磨損性能偏差限制了它更深入的應(yīng)用。本篇文章把經(jīng)常使用的TiAIC復(fù)合材料作為研究討論的對象，模擬現(xiàn)實中的工作環(huán)境，分析了不一樣的載荷滑動速度下的摩損性能，希望能對制造出性能更好的體育器材提供一定的參考。

1 測試材料與測試方式

通過運(yùn)用燃燒合成法（英文簡稱為SHS）制備了體育器材用TiAIC復(fù)合材料，測試原材料是Ti粉、鋁粉與炭黑這三種材料相結(jié)合，遵循2：1：1的比例在球磨機(jī)里面進(jìn)行混料融合，直到原料粉末融合地足夠均勻之后，放置于燃燒合成器里面，我們通過使用電阻絲引燃產(chǎn)生自蔓延反應(yīng)生成TiAIC復(fù)合材料。一般通過燃燒合成法得到的體育器材用TiAIC復(fù)合材料經(jīng)過破碎之后就能夠取得TiAIC粉末。得到的這種粉末的掃描電鏡顯微組織形態(tài)如圖1，它的粉末顆粒一般都表現(xiàn)出片狀或者顆粒狀，平均粒度大約為6.8um。

我們利用在XTXD-2010-80型真空熱壓爐里面對TiAIC粉末實施熱壓燒結(jié)處理，其熱壓溫度一般為情況下為900℃，保持溫度的時間為60min，之后隨著真空熱壓爐的自然冷卻至室溫。對進(jìn)行熱壓燒結(jié)生成的體育器材用TiAIC復(fù)合材料進(jìn)行機(jī)械加工，機(jī)械加工階段一般包含粗加工與精細(xì)加工，讓這種復(fù)合材料達(dá)到成品的使用條件。摩擦磨損測試我們運(yùn)用SEARCHING賽成摩擦試驗機(jī)開展試驗，一般摩擦形式是銷一盤滑動磨損的方法，要注意在摩擦磨損實驗過程過程里面，要求精確控制滑動速度，可以控制在0.4～1.6m/s、載荷一般控制在20、40、60N等其他一些參數(shù)數(shù)據(jù)，摩擦副材料是GCrl5軸承鋼，硬度為62HRC，摩擦磨損后的形態(tài)在inTouchScope觸控式系列掃描電鏡上開展觀測記錄;物相分析研究我們通過帕納科出產(chǎn)的CubiX PROX射線衍射儀開展相關(guān)的分析。

2 測試結(jié)果與測試分析

體育器材用Ti₂AIC復(fù)合材料在不同載荷與不同滑動速度下的摩擦系數(shù)測量結(jié)果為：我們首先使載荷分別施加20N、40N、60N，滑動速率我們控制在0.8-6.4m/s。能夠明顯得到，當(dāng)施加的載荷分別為20N、40N、60N時，隨著滑動速度的提升，這種體育器材用復(fù)合材料的摩擦系數(shù)表現(xiàn)出慢慢變小的趨勢，載荷越小在不變的滑動速度下的摩擦系數(shù)就越高，相應(yīng)的，假如在不變的載荷下的滑動速度越高則摩擦系數(shù)就越小。當(dāng)滑動速度在0.9m/s提高至6.3m/s時，在20N載荷條件下的這種體育器材用復(fù)合材料的摩擦系數(shù)從0.63減小到減小到0.35;在40N載荷條件下這種體育器材用復(fù)合材料的摩擦系數(shù)從0.71較小的0.28;在60N載荷條件下的體育器材用Ti₂MIC復(fù)合材料的摩擦系數(shù)從0.56較小到0.25。我們基于這種情況可以看出，Ti₂AIC這種復(fù)合材料的摩擦系數(shù)會根據(jù)滑動速度的提高或者載荷的提高而慢慢減小。

我們設(shè)定載荷為40N不變的測試條件，運(yùn)用變動滑動速度與滑動距離的辦法，試驗了摩擦系數(shù)一滑動距離曲線。我們通過觀察在剛開始的滑動距離環(huán)節(jié)，在不一樣的滑動速度情況下，這種體育器材用復(fù)合材料的摩擦系數(shù)對急劇升高，之后就會逐漸變得平緩。在摩擦系數(shù)趨于平穩(wěn)階段，滑動速度保持在0.8m/s的測試條件下摩擦系數(shù)大致都在0.5～0.6的范圍之間，波動振幅相對比較大;當(dāng)滑動速度設(shè)定在1.5m/s時的測試條件下的摩擦系數(shù)一般都在0.44左右，波動幅度相對比較小;我們把滑動速度設(shè)定在3.1m/s、4.7m/s、6.3m/s時測試環(huán)境下摩擦系數(shù)的波動振幅都非常小，這幾種滑動速度測試條件下的的摩擦系數(shù)分別在0.3、0.27、0.23左右。這其中的原因一般是因為在剛開始摩擦階段，Ti₂AIC體育器材用復(fù)合材料與摩擦副處在磨合時期，在這種條件下的摩擦系數(shù)將急劇升高，直到到達(dá)穩(wěn)態(tài)摩擦環(huán)節(jié)之后，就會隨著滑動速度的提升，摩擦系數(shù)的波動幅度將迅速較小，所以就能達(dá)到穩(wěn)態(tài)磨合的階段。

我們通過觀察不一樣的滑動速度荷載測試條件下體育器材用Ti₂AIC復(fù)合材料的磨損率變化曲線。隨著滑動速度的的提高，這種體育器材用復(fù)合材料的磨損率表現(xiàn)出明顯的先減小然后逐漸升高的趨勢，當(dāng)滑動速度設(shè)定在4.7m/s的測試條件下其獲得了磨損率的最小值。當(dāng)滑動速度設(shè)定在0.7m/s，載荷為20N、40N、60N的測試條件這種體育器材用復(fù)合材料的磨損率各為39x 10^-3mm³/m、28×10^-5mm³/m、17×10^-5mm³/m;但滑動速度設(shè)定為4.7m/s，載荷為20N、40N、60N的測試條件下，這種體育器材用復(fù)合材料的磨損率各為4.1x10^-5mm³/m、3.0×10^-5mm³/m、2.7×10^-5mm³/m;當(dāng)滑動速度設(shè)定在6.3m/s、載荷為20N、40N、60N的測試條件下這種體育器材用復(fù)合材料的磨損率各為7.0×10^-5mm³/m、3.1x10^-5mm³/m、3.8×10^-5mm³/m。我們通過結(jié)合摩擦系數(shù)的試驗結(jié)果能夠明顯了解到，當(dāng)滑動速度與載荷的設(shè)定不一樣時，體育器材用Ti₂AIC復(fù)合材料的磨損率與摩擦系數(shù)的變動幅度都相對很大，但是詳細(xì)地摩擦磨損機(jī)理還需要更深入的研究。

我們通過設(shè)置固定滑動速度為0.7m/s保持不變，運(yùn)用單獨(dú)變動載荷的方式觀察了體育器材用Ti₂AIC復(fù)合材料的表面磨損情況，結(jié)果如圖2所示。當(dāng)載荷設(shè)定為20N的測試條件下時，這種體育器材用復(fù)合材料表面產(chǎn)生了相對比較嚴(yán)重的剝落與分層的形貌，在表面局部區(qū)域也能夠看到分層裂紋;我們把在和逐漸提高至40N，在這種測試條件下，局部區(qū)域有很明顯的剝落現(xiàn)象，在這樣的剝落區(qū)域附近還能夠觀察到白色的顆粒狀物質(zhì);當(dāng)載荷提高至60N時，在這樣的測試環(huán)境下，這種體育器材用復(fù)合材料表面一般為斷續(xù)的剝落，其中因為每個剝落產(chǎn)生的一個個小坑的尺寸都比較小、并且沒有連接形成片狀，這個時候的剝落磨損程度相比較40N時的磨損程度時輕。我們通過對不同載荷條件下體育器材用Ti₂AIC復(fù)合材料的磨損形態(tài)開展觀察可以比較明顯的了解到，磨損形態(tài)的觀察結(jié)果和不同滑動速度與載荷測試條件下磨損率曲線的試驗結(jié)果是一致的。

對載荷為40N、滑動速度為0.7m/s的測試環(huán)境下體育器材用Ti₂AIC復(fù)合材料表面開展能譜分析研究，打點(diǎn)位置如果5（b）。在標(biāo)明1的位置處能譜分析結(jié)果顯示出其主要包括C、O、Fe、Al、Ti與Cr元素，在這里面O元素含量相對最高;在標(biāo)明2的位置處能譜分析結(jié)果顯示出其同樣包括C、O、Fc、Al、Ti與Cr元素，但是需要注意的是氧元素含量相對來說偏低。從標(biāo)明1的位置處與標(biāo)明2的位置處進(jìn)行能譜分析，再結(jié)合表面磨損形態(tài)能夠知道，這種體育器材用復(fù)合材料在摩擦磨損的過程里面出現(xiàn)了一定程度的氧化現(xiàn)象，并且Fe元素絕大部分來自于摩擦副材料里面。在摩擦速度相對偏低的情況下，這種體育器材用復(fù)合材料的磨損形式主要為剝落磨損，在摩擦磨損剛剛開始的階段，起摩擦系數(shù)急劇升高，出現(xiàn)了比較多的熱量，所以就導(dǎo)致這種體育器材用復(fù)合材料與摩擦副材料之間出現(xiàn)了氧化磨損。我們要注意的是，因為這種體育器材用復(fù)合材料本身具有很強(qiáng)的抗氧化性能，像這樣的氧化程度并不是很嚴(yán)重。

圖3為不同真空環(huán)境下，GCrl5作為摩擦副，Ti₂AIC的穩(wěn)定摩擦系數(shù)改變情況，在這里面兩條曲線各自在0.8m/s與4.8m/s的滑動速度下進(jìn)行繪制，載荷測試條件為40N，可以看到在不一樣的速度環(huán)境下，摩擦系數(shù)都表現(xiàn)為隨著真空程度增加先減小之后增加的趨勢，值得一提的是這樣的變化情況在Ma等關(guān)于Ti₃AIC₂的摩擦磨損行為的分析里面也產(chǎn)生過。相比較于Ma等采用的測試要求相比（滑動速度為0.115m/s，3N載荷，摩擦磨損形式為球盤式），本篇文章所使用的速度與載荷等測試條件都相對偏大，所采用的摩擦方法為銷盤式滑動摩擦。在這種情況下，0.8m/s滑動速度的測試條件，其不同真空程度下的摩擦系數(shù)為0.57、0.41、0.54，而在4.8m/s滑動速度測試條件下，摩擦系數(shù)各自為0.29、0.19、0.30。在摩擦系數(shù)一滑動距離曲線里面也明顯的表明，在一致的滑動速度下整體的滑動距離之內(nèi)，摩擦系數(shù)會隨著真空度的增加表現(xiàn)為先減小而后逐漸增加的趨勢。在常規(guī)的大氣環(huán)境下以及高真空度測試環(huán)境下摩擦系數(shù)整體水平接近。

3 結(jié)語

我們通過實驗可以知道當(dāng)載荷測試條件各自為20N、40N、60N時，隨著滑動幅度的提升，體育器材用Ti₂AIC復(fù)合材料的摩擦系數(shù)表現(xiàn)出持續(xù)減小的趨勢，載荷越小在相同的滑動速度下就會出現(xiàn)摩擦系數(shù)也越大的情況;隨著滑動速度的提高，體育器材用Ti₂AIC復(fù)合材料的磨損率表現(xiàn)出先減小之后逐漸增加的趨勢，在滑動速度為4.7m/s時會獲得磨損率的最小值;體育器材用Ti₂AIC復(fù)合材料很重要的特點(diǎn)是其磨損形式絕大多數(shù)都為層狀剝落與氧化磨損。