粉煤灰/鋁-鎂合金復(fù)合材料的微觀組織及摩擦磨損性能

王慶平，閔凡飛，吳玉程, 劉 銀，曹銀南

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

粉煤灰/鋁-鎂合金復(fù)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(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，淮南 232001；2. 合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009)

采用粉末冶金法制得粉煤灰/Al-25%Mg復(fù)合材料，研究不同粉煤灰含量對復(fù)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(fù)合材料的磨損表面形貌，并對其磨損機(jī)制進(jìn)行探討。結(jié)果表明：隨著粉煤灰含量的增加，復(fù)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(fù)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(fù)合材料的耐磨性有所提高，復(fù)合材料的磨損機(jī)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(fù)合材料的磨損機(jī)制轉(zhuǎn)化為以剝層磨損和磨粒磨損為主。

粉煤灰；鋁基復(fù)合材料；摩擦磨損；磨損機(jī)制

鋁基復(fù)合材料由于具有較好的力學(xué)及耐磨性能，在航空航天和汽車工業(yè)上獲得較快的應(yīng)用。目前國內(nèi)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(qiáng)顆粒制備鋁基復(fù)合材料方面的研究少見報(bào)道，吳林麗等[1]以粉煤灰作為增強(qiáng)顆粒，利用攪拌鑄造法制備了粉煤灰顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)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(qiáng)ZL109復(fù)合材料在不同條件下的摩擦磨損行為進(jìn)行了研究。

近年來，國外對粉煤灰在鋁基復(fù)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(fù)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(yīng)用作了相關(guān)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(shù)來制備鋁(合金)-粉煤灰復(fù)合材料，檢測了這種材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)，評價(jià)了它們的各種性能并且研究了其在機(jī)器零部件中可能的應(yīng)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(fù)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(zhì)量百分?jǐn)?shù)粉煤灰顆粒的復(fù)合材料。本文作者在前期工作的基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究粉煤灰/Al-25%Mg復(fù)合材料的摩擦磨損特性，并對其磨損機(jī)制進(jìn)行了初步探討。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 復(fù)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(xué)成分如表1所示。用10 mol/L H2SO4對粉煤灰進(jìn)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(jī)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(jìn)行燒結(jié)，氬氣氣氛保護(hù)，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(fù)合材料試樣尺寸為31 mm×6 mm×7 mm，含粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 5%、10%、15%及 20%。在HBV-30A型顯微硬度儀上測量復(fù)合材料的布氏硬度，載荷為19.6 N，加載時(shí)間為30 s。采用阿基米德排水法測定復(fù)合材料密度。

表1 粉煤灰的化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of fly ash

1.2 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)

摩擦磨損試驗(yàn)于 MM-200摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，對磨環(huán)為45#鋼，硬度為45～50 HRC，內(nèi)徑16 mm，外徑40 mm，載荷分別為78、98、118、137和157 N，磨損時(shí)間分別為4、6、10、15、20 min，試驗(yàn)條件為干滑動(dòng)摩擦，轉(zhuǎn)速為400 r/min。試驗(yàn)在室溫及大氣氣氛下進(jìn)行，取3次試驗(yàn)結(jié)果的平均值，用單位時(shí)間的磨損質(zhì)量損失作為磨損率來評價(jià)復(fù)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(zhì)量損失。利用日立S-3000N型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察復(fù)合材料的微觀組織和磨損表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)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(zhì)量分?jǐn)?shù))所得復(fù)合材料的XRD譜。由圖1可知，復(fù)合材料最終產(chǎn)物為 Al、MgA12O4、Mg2Si、MgO，說明粉煤灰顆粒已反應(yīng)完全，可能發(fā)生如下反應(yīng)：

圖1 10%粉煤灰/A1-Mg復(fù)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(jié)溫度下不同粉煤灰含量的復(fù)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(shí)復(fù)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(fù)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(tuán)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(fù)合材料的密度和硬度

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

圖3所示為復(fù)合材料的密度隨粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的曲線。由圖 3看出，隨著粉煤灰含量(wf)增加，復(fù)合材料的密度呈單調(diào)遞減趨勢。因?yàn)楦男苑勖夯颐芏刃∮阡X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(fù)合材料的密度減小。

圖4所示為復(fù)合材料的硬度隨粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的曲線。由圖 4可見，在粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于 5%時(shí)，復(fù)合材料的硬度隨著粉煤灰含量增大呈線性增加；當(dāng)粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%～10%時(shí)，復(fù)合材料硬度增加趨勢減小；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%時(shí)，復(fù)合材料的硬度迅速降低；粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，復(fù)合材料的硬度達(dá)到最高，比鋁合金基體提高約60%。這是由于當(dāng)粉煤灰含量小于 5%時(shí)，可以均勻分散在 Al-25%Mg合金基體中而起到顯著的增強(qiáng)作用；當(dāng)粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%～10%時(shí)，由于粉煤灰含量增大，粉煤灰在復(fù)合材料中部分團(tuán)聚在Al-25%Mg的晶界處而不能形成良好的界面結(jié)合，部分抵消粉煤灰含量增加對復(fù)合材料性能的提高；當(dāng)粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%后，由于粉煤灰團(tuán)聚嚴(yán)重，復(fù)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(qiáng)效果。復(fù)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(dāng)粉煤灰含量較低時(shí)，復(fù)合材料中的粉煤灰增強(qiáng)效果更為顯著，使復(fù)合材料的硬度明顯增高。當(dāng)粉煤灰含量達(dá)到10%時(shí)，復(fù)合材料的孔隙率上升，同時(shí)復(fù)合材料中粉煤灰出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，復(fù)合材料的硬度增加趨緩而達(dá)到最大值；當(dāng)粉煤灰含量大于10%后，孔隙率上升及粉煤灰團(tuán)聚對復(fù)合材料硬度的影響超過粉煤灰的增強(qiáng)效果，復(fù)合材料的硬度開始下降。

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

2.3 載荷對復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響

圖5所示為轉(zhuǎn)速為400 r/min時(shí)基體合金和復(fù)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(fù)合材料試樣，隨著載荷的增加，基體合金和復(fù)合材料的磨損率均顯著增加，且在加大載荷時(shí)磨損率的增加更明顯。在較低載荷下復(fù)合材料的耐磨性顯著高于鋁基體，在較高載荷下復(fù)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(guān)系，在117 N以后,基體合金和復(fù)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(fù)合材料的磨損曲線上都有轉(zhuǎn)折點(diǎn)，說明兩種材料的磨損機(jī)制隨著載荷的增加發(fā)生了改變?；w鋁合金的磨損機(jī)制轉(zhuǎn)變點(diǎn)載荷為98～117 N，復(fù)合材料的磨損機(jī)制轉(zhuǎn)變點(diǎn)載荷為117～137 N，且隨著粉煤灰含量的增加復(fù)合材料的磨損機(jī)制轉(zhuǎn)變點(diǎn)向更高載荷移動(dòng)。這說明粉煤灰顆粒增強(qiáng)相的加入起到了推遲復(fù)合材料向嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變，并且還改善了在低載荷下復(fù)合材料的耐磨性。

圖5 試驗(yàn)載荷對復(fù)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(fù)合材料和鋁基體的摩擦因數(shù)隨試驗(yàn)載荷變化的關(guān)系曲線。由圖6可看出，復(fù)合材料和鋁基體的摩擦因數(shù)隨試驗(yàn)載荷增加開始有減小的趨勢，后來基本趨于穩(wěn)定。并且復(fù)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(fù)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(shí)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?；瑒?dòng)摩擦過程中金屬表面處于彈塑性接觸狀態(tài)，由于實(shí)際接觸面積與載荷的非線性關(guān)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(yàn)載荷對復(fù)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(jī)理分析

圖7所示為復(fù)合材料在78 N和118 N下滑動(dòng)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(fù)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?yàn)槟Σ僚技c試樣表面的微觀粗糙峰形成點(diǎn)接觸，在接觸點(diǎn)附近產(chǎn)生塑性變形、出現(xiàn)冷焊使得粘著點(diǎn)的強(qiáng)度和接觸面增大，當(dāng)粘著點(diǎn)強(qiáng)度比偶件與基體剪切強(qiáng)度高時(shí)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(fù)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(jī)制由磨粒磨損和粘著磨損向剝層磨損和疲勞磨損轉(zhuǎn)變。

圖7 兩種載荷下復(fù)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(qiáng)Al-25%Mg復(fù)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(yuǎn)高于鋁合金基體，當(dāng)滑動(dòng)摩擦開始后，復(fù)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(fù)合材料的磨損機(jī)制主要為粘著磨損和磨粒磨損。提高載荷，當(dāng)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(shí)，粉煤灰顆粒就會(huì)發(fā)生脫落，從而失去其承載能力，復(fù)合材料的磨損將向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)化。此時(shí)復(fù)合材料的磨損機(jī)制轉(zhuǎn)化為剝層磨損、疲勞磨損和磨粒磨損，如圖7(f)所示。當(dāng)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(zhuǎn)變?yōu)椤叭w”摩擦，從而對復(fù)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(gè)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(yán)重磨損轉(zhuǎn)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(yīng)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(fù)合材料的耐磨性隨粉煤灰含量的增加而有所提高。

3 結(jié)論

1) 粉煤灰/Al-25%Mg復(fù)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(fù)合材料的耐磨性有所提高。

2) 粉煤灰顆粒/Al-25%Mg復(fù)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(fù)合材料的磨損機(jī)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(fù)合材料的磨損機(jī)制轉(zhuǎn)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(jī)制轉(zhuǎn)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(xué)基金資助項(xiàng)目(1208085QE100，11040606M121)；安徽省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2009A016)；淮南市重點(diǎn)科技項(xiàng)目(2011A07906，2010A03103)；安徽理工大學(xué)博士啟動(dòng)基金項(xiàng)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)