李浚泉，湯 珊，張楨林，，向 俊，李 詩

（1.湖南人文科技學院，湖南 婁底 417000；2.湖南文昌新材科技股份有限公司，湖南 婁底 417000）

鋁合金具有低密度、高比強度、高模量和易于加工等特點，被廣泛應用于航空航天、汽車、軌道交通等多個領域。然而，鋁合金相對較低的抗摩擦磨損性能限制了其在摩擦零部件領域的使用，該類零部件常在高載荷、高溫等惡劣工況下進行往復運動，對材料的耐磨性能有較高要求［1～3］。近年來，關于鋁硅合金和SiC顆粒增強鋁基復合材料的高耐磨性能得到了廣泛的關注［4，5］，各國競相展開了這種材料的制備工藝和性能研究。相關研究表明［6～8］，在正常載荷和滑動速度的情況下，在鋁合金基體中加入SiC、Al2O3或碳纖維等外加相，可以增加材料從輕度磨損到重度磨損的載荷。目前，SiC顆粒增強鋁基復合材料的制備工藝主要有擠壓鑄造、噴霧沉積、粉末冶金等方法［9，10］。然而，上述方法均受到設備的制約，不適用于生產(chǎn)結構復雜的大型結構件，極大的限制了鋁基復合材料在制動盤等領域的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)［11，12］。

本研究采用了低成本、短流程、適用于工業(yè)化生產(chǎn)的攪拌鑄造法成功制備了SiC顆粒增強鋁基復合材料制動盤鑄件，并在制動盤鑄件上進行取樣，研究了不同載荷和溫度下SiCp/A357復合材料的干滑動摩擦磨損性能。通過對摩擦行為和磨損機制的分析，為SiCp/Al復合材料在制動盤領域的應用提供研究依據(jù)。

1 試驗過程

采用商用A357鋁合金作為復合材料基體，其主要化學成分見表1，密度為2.68 g/cm3。以平均粒徑為12μm的SiC顆粒為增強相，如圖1所示，密度為3.20 g/cm3。采用了攪拌鑄造法制備了SiC顆粒分布均勻的20%SiCp/A357復合材料，如圖2所示，對澆鑄得到的復合材料進行T6熱處理。

圖2 20%SiCp/A357復合材料顯微組織

表1 A357鋁合金化學成分 %

圖1 SiC顆粒形貌

采用MVF-1A多功能摩擦磨損試驗機，對SiCp/A357復合材料試樣進行了摩擦磨損性能測試。利用銷-盤模組對試樣在室溫下進行銷-盤式滑動摩擦磨損試驗，銷由合金及復合材料加工而成，直徑為4.7 mm，高度為12.7 mm。為了保證所有的銷試樣具有相同的粗糙度，采用1 000#和2 000#砂紙對銷試樣的表面依次打磨，在拋光機上拋光，對磨鋼盤采用45#鋼加工而成，鋼盤的直徑為54 mm，厚度為10 mm。摩擦試驗前后均用酒精溶液對試樣進行超聲波清洗，烘干后用精度為0.1 mg的電子分析天平稱重，得到試樣磨損前后質(zhì)量損失。利用MVF-1A多功能摩擦磨損試驗機可以直接得到摩擦因數(shù)隨時間的變化曲線和平均摩擦系數(shù)；通過計算摩擦前后的質(zhì)量損失。按下列公式計算磨損率［7］：

式中：ΔW為摩擦前后質(zhì)量差/mg；R為平均摩擦半徑/m；t為磨損時間/min；n為轉速/r·min-1；N為載荷；μ為平均摩擦系數(shù)。

使用蔡司AX10金相顯微鏡觀察復合材料微觀組織；使用Nano 430場發(fā)射掃描電鏡觀察磨損表面形貌。

2 試驗結果與分析

2.1 外加載荷對復合材料摩擦性能的影響

轉速200 r/min，室溫條件下，SiCp/A357復合材料在不同外加載荷（20 N、60 N、100 N、150 N）下摩擦系數(shù)隨時間的變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可知，溫度和轉速一定時，復合材料的摩擦系數(shù)波動范圍隨載荷的增加趨于穩(wěn)定。當載荷為20 N時，復合材料在穩(wěn)定階段的摩擦系數(shù)隨時間變化存在明顯波動，存在瞬間的尖銳峰值，平均摩擦系數(shù)為0.496，隨著壓力的增加，復合材料摩擦系數(shù)波動變得平緩，平均摩擦系數(shù)隨之降低，在載荷為100 N時達到最低，為0.447。繼續(xù)增加摩擦壓力，復合材料的摩擦系數(shù)出現(xiàn)劇烈波動，復合材料的摩擦系數(shù)急劇上升。說明SiCp/A357復合材料在100 N載荷下摩擦系數(shù)穩(wěn)定性最佳。壓力對復合材料摩擦因數(shù)的影響如圖4所示。

圖3 不同外加載荷下復合材料摩擦系數(shù)隨時間的變化規(guī)律

圖4 壓力對復合材料摩擦因數(shù)的影響

圖5 為SiCp/A357復合材料磨損率隨載荷變化的曲線，可以清楚地看到復合材料磨損率隨載荷的增加呈現(xiàn)先下降后上升趨勢。當載荷為20 N時，接觸面主要由微凸起的SiC硬質(zhì)顆粒組成，由于其數(shù)量有限，使得實際接觸面積降低，接觸應力大，導致摩擦系數(shù)隨時間變化波動明顯，摩擦過程中易出現(xiàn)SiC顆粒斷裂，對摩擦環(huán)產(chǎn)生犁削作用，出現(xiàn)摩擦系數(shù)峰值，見圖3（a）。當載荷增大時，復合材料表面微凸起的SiC顆粒嵌入基體中，實際接觸面積增大，磨損表面具有更強的抵御塑性變形的能力，使得磨損率變低，摩擦系數(shù)穩(wěn)定，見圖3（b，c）。當壓力進一步增大時，接觸面處復合材料受到較大接觸應力，摩擦過程中會有大量SiC顆粒發(fā)生斷裂，斷裂的SiC顆粒轉移到摩擦界面處加強了對復合材料的犁削作用。摩擦時間越長，磨損表面受到破壞越嚴重，摩擦系數(shù)急劇增加，磨損率增加。

圖5 壓力對復合材料磨損率的影響

2.2 溫度對復合材料摩擦性能的影響

復合材料制動盤在制動過程中，其表面溫度會發(fā)生動態(tài)變化。因此，研究不同溫度下鋁基復合材料的摩擦性能具有重要意義。試驗過程中，摩擦因數(shù)曲線越平緩，則說明該材料的摩擦性能越穩(wěn)定。轉速200 r/min，載荷100 N條件下，SiCp/A357復合材料在不同溫度下摩擦系數(shù)隨時間的變化規(guī)律如圖6所示。由圖6可知，在常溫15℃時，復合材料摩擦系數(shù)隨時間的變化極小，曲線前后起伏不明顯。隨著溫度的升高，復合材料的摩擦系數(shù)隨時間變化逐漸變大。65℃與115℃時摩擦系數(shù)隨時間的變化逐漸變大，但沒有出現(xiàn)尖銳的峰，此時復合材料磨損率相對較小，仍處于輕微磨損階段，平均摩擦系數(shù)與磨損率隨著溫度升高逐漸增加。當溫度從115℃提高至165℃時復合材料摩擦系數(shù)曲線出現(xiàn)明顯變化，且隨時間延長，呈現(xiàn)增大趨勢，出現(xiàn)瞬間的尖銳峰值，平均摩擦系數(shù)與磨損率均呈現(xiàn)大幅度提高。這說明SiCp/A357復合材料在165℃時的耐磨性能開始顯著下降，在此溫度下復合材料易發(fā)生失效。

圖6 不同溫度下復合材料摩擦系數(shù)隨時間的變化規(guī)律

圖7所示為復合材料平均摩擦系數(shù)及摩擦系數(shù)曲線的均方差值。由圖7可知，隨著溫度的提高，復合材料的摩擦系數(shù)升高，摩擦因數(shù)的分散度增加，即摩擦穩(wěn)定性是下降的。這是由于材料硬度決定了接觸表面材料的真實接觸面積，直接影響復合材料的耐磨性。溫度影響復合材料基體與SiC顆粒的結合強度，當溫度升高時，基體出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，導致SiC顆粒與基體之間的結合強度降低，在摩擦過程中受到摩擦面的作用力，易發(fā)生SiC顆粒的脫落和基體材料的剝離，導致摩擦系數(shù)波動明顯，磨損率增加的現(xiàn)象，如圖8所示。

圖7 溫度對復合材料摩擦因數(shù)的影響

圖8 溫度對復合材料磨損率的影響

2.3 磨損表面分析

SiCp/A356復合材料在不同壓力下經(jīng)干滑動摩擦磨損試驗后的磨損面形貌如圖9所示，從圖中可以看出，不同壓力下復合材料磨損表面存在不同程度的塑性變形和犁溝現(xiàn)象，這是由于在摩擦過程中載荷發(fā)生周期性變換，導致復合材料摩擦面處的SiC顆粒發(fā)生脫離或斷裂，轉移到摩擦界面處，形成了復合材料、磨屑、摩擦環(huán)三體磨損。由于SiC顆粒硬度遠遠大于基體材料，存在于摩擦面的SiC顆粒對基體組織產(chǎn)生切削作用，使得該區(qū)域基體組織被擠壓至SiC運動路徑的兩側，形成犁溝。

圖9（a）為復合材料在載荷20 N的磨損面形貌，可以看出磨損面上存在大量犁溝和明顯的剝落坑，并且犁溝邊緣存在明顯的塑性變形，為典型的磨粒磨損。圖9（c）所示為100 N載荷下復合材料磨損形貌，可以看出復合材料的摩損面較平整，僅發(fā)生輕微的刮擦變形，存在較淺且不連續(xù)的犁溝，沿滑動方向光滑平坦，不存在裂紋和凹坑等摩擦缺陷，這說明20%SiCp/A357復合材料在此載荷條件下具有很好的摩擦磨損性能。圖9（d）顯示典型的剝層磨損現(xiàn)象，可以看到在摩擦表面發(fā)生開裂、粘著和剪斷現(xiàn)象，摩擦結點處存在凹坑分布，附近材料變形嚴重，剝離出來的材料在黏著切向力的作用下高出復合材料表面，導致復合材料磨損面磨損劇烈。

圖9 不同壓力下20%SiCp/A357復合材料磨損形貌

載荷為100 N時，復合材料在不同溫度下經(jīng)干滑動摩擦磨損試驗后的磨損面形貌如圖10所示。上述可知在15℃時，載荷100 N下復合材料摩擦磨損性能最佳，此時僅發(fā)生輕微磨損，磨損面平整，僅存在少量較淺的不連續(xù)犁溝。根據(jù)金屬材料特性，隨著溫度的升高，材料的表面將受到不同程度的破壞。圖10（a）為復合材料在65℃下的磨損形貌，磨損表面除了出現(xiàn)連續(xù)犁溝外還存在少量磨屑脫落后形成的凹坑。這是由于在磨損過程中，復合材料表面的SiC顆粒在旋轉力矩的切削作用下，在SiC受力區(qū)域產(chǎn)生大量熱量，SiC顆粒破碎并脫落至磨損面，導致凹坑和犁溝，呈現(xiàn)磨粒磨損形貌。165℃時，復合材料磨損面的塑性變形痕跡比較明顯，出現(xiàn)明顯的剝離現(xiàn)象（圖10（c）），且剝離區(qū)域存在明顯犁溝，這是由于摩擦初期，復合材料表面的SiC顆粒脫落至磨損面，形成犁溝；磨損中期脫落在磨損面處的磨屑經(jīng)反復研磨破碎，部分細磨屑在壓力作用下堆積在復合材料磨損面，磨損繼續(xù)進行發(fā)生部分磨屑剝離。相較于165℃時的磨損面，215℃時磨損面塑性變形更加嚴重（圖10（d））。這是由于高溫使鋁合金的塑性增加，摩擦系數(shù)增加，極易造成復合材料與摩擦環(huán)的粘合，磨損率大幅度增加，形成大量塊狀的磨屑，這些塊狀磨屑在高溫下在新的表面發(fā)生粘著，發(fā)生焊合，隨后又被切斷、轉移，產(chǎn)生較大塑性變形，為典型的粘著磨損。

圖10 不同溫度下20%SiCp/A357復合材料磨損形貌

3 結 論

1.在干摩擦磨損條件下，當溫度為15℃時，20%SiCp/A357復合材料的摩擦系數(shù)隨外加載荷的增加呈先降低后升高的規(guī)律；當外加載荷為100 N時，摩擦系數(shù)隨時間的波動平緩，摩擦系數(shù)和磨損率最低，耐磨性最佳。

2.當溫度為15～115℃時，復合材料磨損率較小，呈輕微磨損；當溫度超過165℃時，摩擦因數(shù)波動明顯，磨損率大幅度上升。

3.在干摩擦磨損條件下，低溫情況下，復合材料的磨損以磨粒磨損為主，磨損面以犁溝為主，隨著溫度升高，復合材料將發(fā)生磨粒磨損和粘著磨損，磨損面塑性變形嚴重。