噴射沉積SiC_P/Al—Si復(fù)合材料干滑動(dòng)磨損性能的研究

滕杰　賴仕禎　鄒金偉　伍豪杰　黃瑞明

摘 要：采用噴射沉積法制備SiCP體積分?jǐn)?shù)為15%，Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為7%，13%和20%的SiCP/AlSi復(fù)合材料，并經(jīng)熱擠壓致密化加工.采用環(huán)塊式摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì)復(fù)合材料的干滑動(dòng)摩擦磨損性能進(jìn)行了測(cè)試分析，滑動(dòng)速度為1 m/s，外加載荷分別為10，50，100，120，150、200和220 N，同時(shí)對(duì)摩擦層的顯微組織和形貌以及復(fù)合材料磨損機(jī)制進(jìn)行了分析.結(jié)果表明，隨著復(fù)合材料基體中Si含量的增加，復(fù)合材料的磨損性能增強(qiáng)，在低載荷下，復(fù)合材料主要以氧化磨損和磨粒磨損為主，在高載荷下，磨損機(jī)制則轉(zhuǎn)變?yōu)檎持p，但對(duì)于SiCP/Al20%Si復(fù)合材料仍以氧化磨損為主，并伴有輕微的粘著磨損.

關(guān)鍵詞：SiCP/AlSi復(fù)合材料；噴射沉積；熱擠壓；干滑動(dòng)磨損；磨損機(jī)制

中圖分類號(hào)：TB331 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Dry Sliding Wear Properties of Spray Formed and Hot

Extruded SiCp /AlSi Composites

TENG Jie，LAI Shizhen， ZOU Jinwei，WU Haojie，HUANG Ruiming

（College of Materials Science and Engineering，Hunan Univ.Changsha，Hunan 410082，China）

Abstract：Aluminiumbased composites containing 7%， 13% ，20%Si contents and 15vol% of SiCp were fabricated by spray deposition technique and followed by hot extrusion. The dry sliding wear performance of SiCP/AlSi composites was investigated. Dry sliding wear tests have been performed using a blockonring type apparatus under different normal loads of 10， 50， 100，120，150，200 and 220 N and at a constant sliding speed of 1 m/s. The microstructures， morphologies and phases of worn Surfaces were analyzed by optical microscope （OM）， scanning electron microscope （SEM） and energydispersive Xray microanalysis （EDX）， respectively.The results have shown that Al20%Si/SiCp composite has better wear properties in the applied load range and the transition load increases with silicon content increasing. At low test load （50 N）， the main wear mechanism is oxidation wear and abrasive wear for three composites. Adhesive wear becomes the main wear mechanism for SiCp/Al7Si at 120 N and SiCp/Al13Si at 200 N. But for SiCp/Al20Si at 220 N， the main wear mechanism is still oxidation wear， and has a minor adhesive wear.

Key words： SiCP/AlSi composite； spray deposition； hot extruded；dry sliding wear； wear mechanism

節(jié)能、減排、輕量化的發(fā)展趨勢(shì)大大促進(jìn)了輕質(zhì)高強(qiáng)度材料在汽車中的發(fā)展和應(yīng)用^{[1].SiCP/AlSi復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、比剛度、優(yōu)良的耐磨性、低的熱膨脹系數(shù)和低密度的優(yōu)點(diǎn)，在汽車的一些耐磨部件上已得到成功應(yīng)用（如剎車盤、剎車片、發(fā)動(dòng)機(jī)活塞和氣缸套、連桿等），并受到世界各國(guó)研究者越來(lái)越多的關(guān)注[2].研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的制備技術(shù)是影響材料自身耐磨損性能的一個(gè)重要因素[3].SiCP/AlSi復(fù)合材料的制備方法通常有攪拌鑄造法、粉末冶金法和噴射沉積法等.傳統(tǒng)的攪拌鑄造法制備SiCP/AlSi復(fù)合材料時(shí)，難以避免初晶硅粗大以及增強(qiáng)顆粒易團(tuán)聚等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了復(fù)合材料的性能.粉末冶金法存在生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜、成本高，難以在實(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用等不足.噴射沉積法作為一種非平衡制備技術(shù)，具有快速凝固和近凈成形的特點(diǎn)，制備出的SiCP/AlSi復(fù)合材料初晶硅顆粒細(xì)小、增強(qiáng)顆粒均勻分布.但是通過(guò)噴射沉積法制備的復(fù)合材料常常存在一些孔隙[4]，需通過(guò)熱擠壓或熱扎制等塑性變形的方法來(lái)減少或消除孔隙，從而進(jìn)一步提高復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐磨損性能.增強(qiáng)顆粒的尺寸大小是影響復(fù)合材料耐磨損性能的另一個(gè)重要因素[5]，過(guò)大的增強(qiáng)顆粒在基體內(nèi)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，且在外加載荷的作用下，容易開(kāi)裂破碎，嚴(yán)重影響復(fù)合材料的耐磨性能.已有的對(duì)于復(fù)合材料干滑動(dòng)摩擦磨損性能的研究，多側(cè)重于常規(guī)制備方式以及低Si含量條件下復(fù)合材料的摩擦磨損性能及其磨損機(jī)制[6-9].}

本論文主要對(duì)比研究低Si和高Si含量的SiCP/AlSi復(fù)合材料的磨損性能，增強(qiáng)顆粒采用小尺寸的SiC顆粒.通過(guò)噴射沉積技術(shù)制備出Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為7%，13%，和20%的SiCP/AlSi復(fù)合材料，并經(jīng)熱擠壓加工，采用SAE5200軸承鋼作對(duì)偶材料進(jìn)行干滑動(dòng)磨損試驗(yàn).

1 試驗(yàn)方法

1.1 復(fù)合材料的制備

實(shí)驗(yàn)所用復(fù)合材料的基體化學(xué)成分見(jiàn)表1，其中SiC增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)為15%，平均粒度為4.5 μm.采用文獻(xiàn)[10]所示的設(shè)備制備出直徑為160 mm，高為300～400 mm的坯料，然后在1 250 t熱擠壓機(jī)上（溫度為723 K，擠壓比為17.3∶1）擠壓成120 mm×120 mm，厚為10 mm的薄板塊，隨后取樣并進(jìn)行T6熱處理，對(duì)熱處理后的試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試和顯微組織觀察.

1.2 磨損試驗(yàn)

將熱處理后的試樣機(jī)械加工成尺寸為5 mm×10 mm×10 mm的塊狀試樣，摩擦對(duì)偶為SAE5200軸承鋼環(huán).采用環(huán)塊對(duì)磨方式進(jìn)行干滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)，外加載荷分別為10，50，100，120，150，200和220 N下，干滑動(dòng)速度恒為1 m/s，滑動(dòng)距離4 000 m.每次測(cè)試前用600#金相砂紙將試樣和對(duì)偶環(huán)磨面磨至粗糙度Ra 0.15±0.05 μm，并在丙酮溶液中經(jīng)超聲波清洗干凈.磨損量以試樣磨損前后的質(zhì)量差來(lái)計(jì)算，采用電子分析天平測(cè)量，精度為0.1 mg.通過(guò)OM，SEM，EDX對(duì)摩擦層顯微組織、形貌和成分進(jìn)行觀察.

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 微觀組織和力學(xué)性能

3種不同Si含量的復(fù)合材料顯微組織如圖l所示.初晶硅顆粒（亮灰色）尺寸細(xì)小且分布較均勻，這是由于噴射沉積技術(shù)的冷卻速度快，通常達(dá)到10～102 K/s，初晶硅相來(lái)不及長(zhǎng)大，無(wú)粗大初晶硅相生成^{[11]，且其數(shù)量隨基體中硅含量的增加而增加，同時(shí)還可以看出SiC顆粒呈無(wú)規(guī)則分布且無(wú)明顯團(tuán)聚.圖2為3種復(fù)合材料的初晶硅平均顆粒尺寸，由圖2可知SiCP/Al7Si，SiCP/Al13Si和SiCP/Al20Si復(fù)合材料中初晶硅顆粒的平均尺寸分別為1.72±0.52 μm，2.2±0.88 μm和2.33±0.91 μm.}

表2為復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和硬度，從表中可知，復(fù)合材料的的抗拉強(qiáng)度和硬度隨著基體中Si含量的增加而增加.其中，SiCP/Al20Si復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和布氏硬度與SiCP/Al7Si復(fù)合材料相比，分別提高14%和30%.

2.2 干滑動(dòng)摩擦磨損性能

正常摩擦狀態(tài)下，3種復(fù)合材料的摩擦系數(shù)基本穩(wěn)定在0.2～0.3之間，低于文獻(xiàn)[12]中的摩擦系數(shù)0.5～0.6.但SiCP/Al7Si在120 N，SiCP/Al13Si復(fù)合材料在200 N時(shí)，其摩擦系數(shù)急劇上升到0.4～0.5，此時(shí)發(fā)生嚴(yán)重粘著磨損，并導(dǎo)致較大噪聲和振動(dòng).

圖3為各復(fù)合材料不同載荷下的磨損率.由圖可以看出，3種復(fù)合材料的磨損率都隨外加載荷的增加而增加，但SiCP/Al20Si復(fù)合材料的磨損率隨載荷增大而增大幅度小于其他兩種復(fù)合材料，同時(shí)在相同載荷下SiCP/Al20Si復(fù)合材料的磨損率也小于其它兩種復(fù)合材料.在載荷小于100 N時(shí)，SiCP/Al7Si和SiCP/Al13Si復(fù)合材料的磨損率的變化基本相近：在載荷為10～50 N時(shí)，磨損率隨載荷的增加先慢慢增大；在載荷為50～100 N時(shí)，磨損率幾乎保持不變.當(dāng)載荷增加至120 N時(shí)，SiCP/Al7Si復(fù)合材料的磨損率突然增大，此時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重粘著磨損.當(dāng)載荷為100～200 N時(shí)，SiCP/Al13Si復(fù)合材料的磨損率仍保持平穩(wěn)增長(zhǎng)，并在200 N時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重粘著磨損.故SiCP/Al7Si和SiCP/Al13Si復(fù)合材料的最大實(shí)驗(yàn)載荷分別定為120 N和200 N.載荷在小于200 N時(shí)，SiCP/Al20Si復(fù)合材料的磨損率變化與載荷的增加幾乎呈線性關(guān)系.當(dāng)載荷為220 N時(shí)，SiCP/Al20Si復(fù)合材料的磨損率也突然增大，此時(shí)出現(xiàn)輕微粘著磨損.由圖3可以看出，隨著復(fù)合材料基體Si含量的增加，其臨界轉(zhuǎn)變載荷也逐漸增加.在復(fù)合材料中大量的初晶硅起到耐磨和支撐載荷的作用，從而保護(hù)“軟”基體免受對(duì)磨材料的磨損；隨著基體中Si含量的增加，復(fù)合材料由輕微磨損階段向嚴(yán)重磨損階段的臨界轉(zhuǎn)變載荷增大，造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于細(xì)小的初晶硅顆粒的均勻分布提高了材料的硬度，阻礙磨損表面在外力作用下產(chǎn)生塑性流變的速度，降低了復(fù)合材料和對(duì)磨環(huán)之間的粘著作用，從而使磨損由輕微磨損階段向嚴(yán)重磨損階段轉(zhuǎn)變明顯推遲.

載荷/N

2.3 磨損表面和磨屑分析

復(fù)合材料磨擦表面形貌如圖4所示.從圖4（a），（c）可以看出，在低載荷（50 N）時(shí)，處于輕微磨損階段，復(fù)合材料磨損表面存在大量的犁溝，并沿著干滑動(dòng)摩擦方向分布.這是由于此時(shí)以輕微磨粒磨損為主，對(duì)磨鋼的硬質(zhì)點(diǎn)嵌入到基體的軟質(zhì)點(diǎn)中，造成犁削作用，產(chǎn)生的磨屑進(jìn)入摩擦表面對(duì)基體產(chǎn)生切削.另外從圖4（a）中還可以看出，磨損表面裂紋的生長(zhǎng)方向與干滑動(dòng)方向相垂直，增大載荷時(shí)，將造成更多的碎片從基體中分離出來(lái)，導(dǎo)致磨損率進(jìn)一步增大，這與圖3中的曲線相吻合.在圖4（b），（d）中，可以觀測(cè)到磨損表面發(fā)生了塑性變形，說(shuō)明磨損由輕微磨損階段轉(zhuǎn)為嚴(yán)重磨損階段.圖4（f）中的磨損表面較平滑，并帶有許多小孔洞.

磨屑的形貌如圖5所示.在低載荷下，SiCP/Al7Si和SiCP/Al13Si復(fù)合材料存在長(zhǎng)桿狀的磨屑（圖5（a），（c）），這是因?yàn)樵谳p微磨損階段以磨粒磨損為主，由磨粒的邊緣切削材料所形成的磨屑.SiCP/Al20Si復(fù)合材料的磨屑為小塊狀（圖5（e）），磨損情況較好.在高載荷下，磨屑形貌為帶有銳邊的片狀顆粒（圖5（b），（d），（f）），是典型的的粘著磨損，表明復(fù)合材料存在塑性形變.

（a） SiCP/Al7Si at 50 N； （b） SiCP/Al7Si at 120 N

（c） SiCP/Al13Si at 50 N； （d） SiCP/Al13Si at 200 N

（e） SiCP/Al20Si at 50 N； （f） SiCP/Al20Si at 220 N

2.4 磨損機(jī)制

研究表明^{[13-14]鋁基復(fù)合材料與鋼質(zhì)對(duì)偶摩擦過(guò)程中，粘著磨損至復(fù)合材料嚴(yán)重粘附在鋼質(zhì)摩擦對(duì)偶表面是導(dǎo)致復(fù)合材料摩擦磨損失效的一個(gè)主要機(jī)制.基體中的硬質(zhì)顆粒如初晶硅、碳化硅顆粒主要起承接摩擦載荷和保護(hù)基體的作用，同時(shí)在一定程度上阻止基體的變形.從圖4和圖5可知3種復(fù)合材料在輕微磨損階段，磨粒磨損是其主要的磨損機(jī)制.同時(shí)在低載荷時(shí)，從圖6（a），（c），（e）可以很清楚地觀測(cè)到存在一定的氧含量，外露的磨損表面發(fā)生了氧化磨損，所以輕微磨損階段氧化磨損是另一種主要磨損機(jī)制.隨著摩擦載荷的增加，3種復(fù)合材料表現(xiàn)出不同的磨損特征.SiCP/Al7Si和SiCP/Al13Si復(fù)合材料由于硅含量相對(duì)較低，其組織中初晶硅數(shù)量較少，對(duì)基體的保護(hù)作用較弱，復(fù)合材料摩擦表面易發(fā)生較嚴(yán)重的塑性變形，如圖4（b），（d）和圖5（b），（d）所示.另外，摩擦表面的氧含量明顯減少（圖6（b），（d））也意味著摩擦層穩(wěn)定性較差，此時(shí)SiCP/Al7Si和SiCP/Al13Si復(fù)合材料以粘著磨損為主，并出現(xiàn)復(fù)合材料向?qū)ε疾牧系霓D(zhuǎn)移，如圖7（a），（b）所示.SiCP/Al20Si復(fù)合材料基體中初晶硅含量高，對(duì)基體的保護(hù)和延緩基體變形的能力較強(qiáng)，即使在嚴(yán)重磨損階段，其摩擦表面仍未出現(xiàn)嚴(yán)重的塑性變形，向摩擦對(duì)偶轉(zhuǎn)移的程度大大降低，如圖7（c）所示.此時(shí)SiCP/Al20Si復(fù)合材料存在輕微的粘著磨損，磨損表面的氧含量高（圖6（f）），圖4（f）中存在的孔洞也說(shuō)明存在著氧化磨屑[15].因此SiCP/Al20Si復(fù)合材料在嚴(yán)重磨損階段仍以氧化磨損為主，并伴有輕微的粘著磨損.}

（a） SiCP/Al7Si at 50 N； （b） SiCP/Al7Si at 120 N

（c） SiCP/Al13Si at 50 N； （d） iCP/Al13Si at 200 N

（e） SiCP/Al20Si at 50 N； （f） SiCP/Al20Si at 220 N

3 結(jié) 論

由噴射沉積法制備出SiCP/AlSi復(fù)合材料，并經(jīng)熱擠壓加工，經(jīng)T6熱處理后，對(duì)復(fù)合材料的干滑動(dòng)磨損性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析，得出以下結(jié)論：

1） 由于噴射沉積法冷卻速度快，制備出的SiCP/AlSi復(fù)合材料中的初晶硅晶粒細(xì)小，2 μm左右，增強(qiáng)顆粒分布均勻.

2） 隨著基體中Si含量的增加，SiCP/AlSi復(fù)合材料的磨損率隨著減小，并且磨損由輕微磨損階段向嚴(yán)重磨損階段的臨界載荷值增大.SiCP/Al20Si復(fù)合材料在所有相同試驗(yàn)載荷下磨損率都最低.

3） 在輕微磨損階段，SiCP/AlSi復(fù)合材料磨損機(jī)制以磨粒磨損和氧化磨損為主；在嚴(yán)重磨損階段，SiCP/Al7Si和SiCP/Al13Si復(fù)合材料存在嚴(yán)重的塑性形變，磨損機(jī)制以粘著磨損為主，而對(duì)于SiCP/Al20Si復(fù)合材料磨損機(jī)制則以氧化磨損為主并伴有輕微的粘著磨損.

參考文獻(xiàn)

[1] 王宏雁，高衛(wèi)民，潘玲玲，等.輕質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)罩設(shè)計(jì)研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，34（8）：1098-1104.

WANG Hongyan，GAO Weimin，PAN Lingling， et al. Lightweight structure of engine hood[J].Journal of Tongji University：Natural Science，2006，34（8）：1098-1104.（In Chinese）

[2] PRASAD S V，ASTHANAB R. Aluminum metalmatrix composites for automotive applications： tribological considerations[J]. Tribology Letters， 2004， 17（3）：445-453.

[3] BASAVARAIAPPA S， CHANDRAMOHAN G， SUBRAMANIAN R， et al. Dry sliding wear behaviour of Al2219/SiC metal matrix materials[J].SciencePoland，2006， 24 （2/1）：357-366.

[4] 陳志鋼.大尺寸噴射沉積鋁合金管坯的制備及楔壓致密化研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2009.

CHEN Zhigang. Researches on preparation and wedge pressing densification of largescale spray deposited aluminum alloy tubular preform[D]. Changsha： College of Materials Science and Engineering， Hunan University， 2009. （In Chinese）

[5] 盧德宏，蔣業(yè)華.內(nèi)部因素對(duì)金屬基復(fù)合材料磨損性能的影響[J].材料導(dǎo)報(bào)，2000，14（8）：17-18.

LU Dehong， JIANG Yehua. Intrinsic factors influeneing wear performances of metal matrix composites review and discussion[J].Materials Review，2000，14（8）：17-18.（In Chinese）

[6] LI X Y，TANDON K N. Microstructural characterization of mechanically mixed layer and wear debris in sliding wear of an Al alloy and an Al based composite[J]. Wear， 2000， 245：148-161.

[7] LI W， CHEN Z H， CHEN D， et al. Lowcycle fatigue behavior of SiCp/AlSi composites produced by spray deposition[J]. Materials Science and Engineering A，2010， 527：7631-7637.

[8] 金云學(xué)，LEE Jungmoo， KANG Sukbong，等.T6態(tài)A356/SiC與semimetallic pad的干滑動(dòng)摩擦磨損特性[J].稀有金屬材料與工程，2008，37（12）：2147-2152.

JIN Yunxue， LEE Jungmoo， KANG Sukbong，et al. Wear characteristics of dry sliding friction between the T6 treated A356/SiC composite and semimetallic pad[J].Rare Metal Materials and Engineering，2008，37（12）：2147-2152. （In Chinese）

[9] WILSON S， ALPAS A T. Wear mechanism maps for metal matrix composites[J]. Wear， 1997， 212：41-49.

[10]CHEN Zhenhua，TENG Jie，YAN Hongge，et al. A novel spray deposition technology for the preparation of aluminum alloy and aluminum alloy matrix composite rings with large dimensions[J].Materials Science Forum，2005，475/479：2799—2802.

[11]CHEN Zhenhua， TENG Jie， CHEN Gang， et al. Effect of the silicon content and thermomechanical treatment on the dry sliding wear behavior of spraydeposited AlSi/SiCp composites[J]. Wear，2007， 262：362-368.

[12]ELMADAGLI M， PERRY T， ALPAS A T. A parametric study of the relationship between microstructure and wear resistance of AlSi alloys[J]. Wear，2007， 262： 79-92.

[13]MEHMET A， FERHAT G. Effect of the applied load， sliding distance and oxidation on the dry sliding wear behaviour of Al10Si/SiCp composites produced by vacuum infiltration technique[J]. Materials and Design，2004， 25：209-217.

[14]KAUR K， PANDEY O P. Dry sliding wear behavior of zircon sand reinforced AlSi alloy[J]. Tribol Lett， 2010，38：377-387.

[15]KAUR K， PANDEY O P. Dry sliding wear behavior of Zircon sand reinforced AlSi Alloy[J]. Tribol Lett， 2010，38：377-387.