鋼纖維和硅酸鋁纖維混雜增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的摩擦磨損性能

王發(fā)輝，劉 瑩

（南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，南昌330031）

0 引 言

纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料因具有優(yōu)異的耐高溫、抗氧化性、耐磨損及熱穩(wěn)定性能［1］，作為高溫摩擦材料具有廣闊的應(yīng)用前景。增強(qiáng)纖維是摩擦材料中重要的組元之一，其對(duì)摩擦材料的力學(xué)性能和摩擦磨損性能具有重要影響［2］。目前，摩擦材料中常用的增強(qiáng)纖維主要為鋼纖維，其在半金屬摩擦材料、甚至是銅基粉末冶金摩擦材料中也取得了良好的效果［3－6］。但鋼纖維存在易生銹、銹蝕后出現(xiàn)粘著或刮傷對(duì)偶的問(wèn)題，使得摩擦材料的制動(dòng)性能不穩(wěn)定，磨損也較大。硅酸鋁陶瓷纖維具有密度低、耐高溫和抗氧化能力強(qiáng)等特點(diǎn)，以其作為增強(qiáng)纖維來(lái)增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的研究受到了眾多學(xué)者的關(guān)注［7］。有研究認(rèn)為添加硅酸鋁纖維能夠降低Al2O3－SiO2系陶瓷基復(fù)合材料的脆性，并提高其強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性能［8］。此外，硅氧鋁陶瓷纖維能夠顯著提高樹脂基摩擦材料的抗熱衰退性能［9］，當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～10%時(shí)，摩擦材料具有較好的摩擦和磨損性能［10］。然而，硅酸鋁陶瓷纖維韌性較差，而鋼纖維作為一種金屬纖維，其韌性較高，如果將鋼纖維和硅酸鋁陶瓷纖維混雜來(lái)增強(qiáng)陶瓷基摩擦材料，就可以起到互補(bǔ)作用，其摩擦磨損性能可能會(huì)更好，但該方面的相關(guān)研究還很少。因此，作者以廉價(jià)且來(lái)源廣泛的氧化鋁、粘土和鉀長(zhǎng)石為原料，采用熱壓燒結(jié)方法制備了鋼纖維和硅酸鋁纖維混雜增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料，考察了硅酸鋁纖維含量對(duì)其摩擦磨損性能的影響，并分析了磨損機(jī)理。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

陶瓷基復(fù)合材料的陶瓷基體原料由氧化鋁（江都市新晶輝特種耐火材料有限公司）、粘土（武鋼集團(tuán)礦業(yè)有限責(zé)任公司焦作礦）和鉀長(zhǎng)石（臨湘市天信礦石有限公司）組成，其顆粒大小分別為120～150，80μm和45μm，質(zhì)量配比為29∶20∶15，以45μm碳化硅（淄博國(guó)凱鋁業(yè)有限公司）、75μm鱗狀石墨（山東省南墅石墨礦）和還原鐵粉（上海紀(jì)東粉末冶金廠生產(chǎn)并過(guò)200目篩）作為摩擦調(diào)節(jié)劑，其質(zhì)量配比為1∶1∶1；以鋼纖維（珠海大正金屬纖維有限公司，D3－52F型，等效直徑為60～180μm，長(zhǎng)度為1～3mm）和硅酸鋁纖維（山東魯陽(yáng)有限公司，直徑5～10μm，長(zhǎng)度3～5mm）作為增強(qiáng)材料。

在保持陶瓷基體組分、鋼纖維及摩擦調(diào)節(jié)劑相對(duì)比例不變（16∶6∶3）的前提下，分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%，8%，16%，24%的硅酸鋁陶瓷纖維。用精密天平稱量各組分后，用LVH－0.1型高速混料機(jī)混料，混料時(shí)間為15min，然后在混料中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.7%的聚乙烯醇溶液，攪拌均勻，最終將混料烘干。用YX32－500型油壓機(jī)在25MPa壓制力下壓制成尺寸為200mm×100mm×10mm的樣塊，并在氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)氣氛的DGNL－300型多功能燒結(jié)爐中于1 100℃燒結(jié)，壓力為2MPa，保溫2h，最后將燒結(jié)體機(jī)加工成尺寸為25mm×25mm×6mm的試樣。

1.2 試驗(yàn)方法

采用XD－MSM型自動(dòng)控制定速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)摩擦磨損性能，對(duì)偶摩擦盤為45鋼，其硬度為35～45HRC，轉(zhuǎn)速恒定為480r·min－1，載荷為1 225N，依照 GB 5763—2008 測(cè)定在100，150，200，250，300，350 ℃的摩擦因數(shù)和磨損率；利用HR－150DT型洛氏硬度計(jì)測(cè)試樣的硬度；試樣切割成尺寸為20mm×20mm×10mm的板材，按照GB／T 2611—2007，采用 WAW型液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)抗剪強(qiáng)度；將磨損后試樣的磨損表面在108MANUAL型真空鍍膜儀上鍍金，時(shí)間為40s，采用ZEISS型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察磨損表面的形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 硬度與抗剪強(qiáng)度

由表1可見，隨硅酸鋁纖維含量的增加，復(fù)合材料的硬度逐漸增大，而其抗剪強(qiáng)度則先升后降，在硅酸鋁纖維含量為8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）時(shí)達(dá)到最大值，與未加硅酸鋁纖維的相比提高了50%；當(dāng)硅酸鋁含量達(dá)到24%時(shí)，抗剪強(qiáng)度最低，與未加入硅酸鋁纖維的相比降低了18.7%。

由圖1可以看出，當(dāng)硅酸鋁纖維含量為8%時(shí)，纖維與陶瓷基體界面結(jié)合較好，所以復(fù)合材料的抗剪強(qiáng)度較高；硅酸鋁纖維含量增大至24%時(shí)，纖維在基體中分散不均勻，出現(xiàn)局部聚積，與陶瓷基體界面結(jié)合弱，因此纖維的增強(qiáng)效果減弱，復(fù)合材料的抗剪強(qiáng)度降低。

表1 不同硅酸鋁纖維含量復(fù)合材料的硬度與抗剪強(qiáng)度Tab.1 Hardness and shear strength of composites with different aluminium－silicate fibers contents

2.2 摩擦磨損性能

從圖2可以看出，硅酸鋁纖維含量對(duì)復(fù)合材料摩擦因數(shù)的影響較為明顯，添加了硅酸鋁纖維的復(fù)合材料在各個(gè)溫度下的摩擦因數(shù)均高于未添加硅酸鋁纖維復(fù)合材料的，且其摩擦因數(shù)隨硅酸鋁纖維含量的增加而增大。值得注意的是，當(dāng)硅酸鋁纖維含量為8%時(shí)，其摩擦因數(shù)隨溫度升高先降后升，且在100℃時(shí)為0.44，而到350℃時(shí)就恢復(fù)到了0.42，這表明該材料具有較好的高溫抗熱衰退性能。

由圖2還可知，當(dāng)摩擦溫度在100～250℃時(shí)，不同硅酸鋁纖維復(fù)合材料的磨損率均隨溫度升高以緩慢的速度增大，且磨損量均低于0.6×10－7cm3·（N·m）－1，屬輕微磨損；當(dāng)摩擦溫度超過(guò)250℃后，磨損率都劇烈增加，說(shuō)明發(fā)生了嚴(yán)重磨損。需要注意的是，摩擦溫度低于200℃時(shí)，添加了硅酸鋁纖維復(fù)合材料的磨損率均低于未添加硅酸鋁纖維復(fù)合材料的；摩擦溫度高于250℃后，添加了硅酸鋁纖維復(fù)合材料的磨損率均高于未添加硅酸鋁纖維復(fù)合材料的，這說(shuō)明添加硅酸鋁纖維能夠提高陶瓷基復(fù)合材料在低溫下的耐磨性能，但對(duì)其在較高溫度下的耐磨性能不利。

由圖3對(duì)比可以看出，隨著硅酸鋁纖維含量的增加，復(fù)合材料的磨損表面逐漸變得粗糙不平。在摩擦過(guò)程中，復(fù)合材料磨損表面上的高強(qiáng)度增強(qiáng)纖維起主要的承載作用［11］。未添加硅酸鋁纖維時(shí)，磨損表面上的鋼纖維起主要承載作用，磨合一段時(shí)間后，鋼纖維產(chǎn)生塑性變形，并涂覆、鑲嵌在磨損表面上，使磨損表面相對(duì)較平滑［12］，因此摩擦表面相對(duì)滑動(dòng)阻力減小，摩擦因數(shù)較低。當(dāng)加入硅酸鋁纖維后，磨損表面上鋼纖維與硅酸鋁纖維共同承擔(dān)載荷作用，由于硅酸鋁纖維脆性大，不易塑性變形，在摩擦力作用下易發(fā)生脆性斷裂、脫落，從而使得磨損表面變得粗糙，摩擦表面相對(duì)滑動(dòng)阻力增大，摩擦因數(shù)增大，且硅酸鋁含量越大，斷裂、脫落的纖維越多，其摩擦因數(shù)增大越明顯。

從圖3（a）還可以看出，其摩擦表面除了出現(xiàn)平行于摩擦方向的犁溝痕跡外，還存在較大的剝落凹坑，并且剝落凹坑周圍產(chǎn)生了較明顯的微裂紋。分析認(rèn)為，在摩擦壓力和溫度的連續(xù)作用下，摩擦表面將形成不穩(wěn)定的壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)［13］；又由于復(fù)合材料中各組分的熱膨脹系數(shù)有所差異，使得受熱摩擦表面層、亞表層中不同區(qū)域的熱膨脹率不同，導(dǎo)致摩擦表面產(chǎn)生了熱應(yīng)力微裂紋。微裂紋的存在將使摩擦表面在摩擦力作用下被撕裂并且局部剝落，形成剝落坑，從而加速材料的脆性脫落，部分脫落后的顆粒在摩擦表面起到磨料作用，刮擦摩擦表面，出現(xiàn)犁溝痕跡。因此，對(duì)未含有硅酸鋁纖維的復(fù)合材料，其磨損形式主要是脆性脫落和疲勞磨損，并伴有磨粒磨損。

由圖3還可見，當(dāng)添加8%硅酸鋁纖維時(shí)，摩擦表面上存在粘著坑，這意味著此時(shí)摩擦材料產(chǎn)生了明顯的粘著磨損。當(dāng)硅酸鋁纖維含量為16%時(shí)，摩擦表面上出現(xiàn)了一些大小不等的剝落坑，并且摩擦表面有少量裸露的纖維存在。當(dāng)硅酸鋁纖維含量增至24%時(shí)，摩擦表面除了有較明顯的剝落坑之外，裸露的纖維增多；由于硅酸鋁纖維較脆，在摩擦力作用下，裸露于摩擦表面上的纖維易剝落，尤其是與摩擦表面平行的增強(qiáng)纖維更易從陶瓷基體中剝落，并與周圍發(fā)生塑性變形的陶瓷基體一起剝落，從而產(chǎn)生剝落坑。隨著硅酸鋁纖維含量的增加，其在陶瓷基體中分散得越不均勻，更易團(tuán)聚，使得硅酸鋁纖維與陶瓷基體界面結(jié)合性能弱，剝落出現(xiàn)的可能性增大，從而因纖維剝落引起的磨損也越大。此外，硅酸鋁纖維的導(dǎo)熱性低于鋼纖維的，添加硅酸鋁纖維必定會(huì)減少摩擦表面鋼纖維的相對(duì)含量，導(dǎo)致復(fù)合材料熱傳導(dǎo)性能降低，摩擦溫度越高，摩擦表面瞬間溫度相對(duì)也越高，根據(jù)“相親相容”原則［14］，摩擦表面中鋼纖維與對(duì)偶摩擦盤越易發(fā)生粘著而形成粘著磨損，材料的抗粘著磨損能力降低，加劇了材料的磨損。綜合分析可知，高溫下粘著磨損為含硅酸鋁纖維復(fù)合材料的主要磨損形式。

3 結(jié) 論

（1）隨硅酸鋁纖維含量的增加，復(fù)合材料的硬度逐漸增大，抗剪強(qiáng)度先增大后減??；纖維的積聚造成陶瓷基體界面的結(jié)合變?nèi)?，是鋼纖維和硅酸鋁纖維混雜增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)性能降低的主要原因。

（2）隨著硅酸鋁纖維含量的增加，陶瓷基復(fù)合材料的摩擦因數(shù)增大；硅酸鋁纖維的加入能夠提高陶瓷基復(fù)合材料在低溫下的耐磨性能，但對(duì)其在高溫下的耐磨性不利。

（3）未添加硅酸鋁纖維陶瓷基復(fù)合材料的磨損形式主要表現(xiàn)為脆性脫落和疲勞磨損，并伴有磨粒磨損；添加硅酸鋁纖維的陶瓷基復(fù)合材料均以粘著磨損為主。

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