攪拌摩擦加工鋁基復(fù)合材料的高溫摩擦磨損性能

李敬勇，劉 濤，郭宇文

(江蘇科技大學(xué) 先進(jìn)焊接技術(shù)省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

?

攪拌摩擦加工鋁基復(fù)合材料的高溫摩擦磨損性能

李敬勇，劉 濤，郭宇文

(江蘇科技大學(xué) 先進(jìn)焊接技術(shù)省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

通過(guò)在鋁合金表面一定深度添加顆粒度為10μm的B4C粉末，采用攪拌摩擦加工方法制備成鋁基復(fù)合材料。采用SEM、EDS、高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)其摩擦磨損性能進(jìn)行研究；分析加工方法和環(huán)境溫度對(duì)摩擦因數(shù)和磨痕形貌的影響，并探討磨損機(jī)制。結(jié)果表明:高溫磨損條件下，攪拌摩擦加工制備的鋁基復(fù)合材料能明顯改善鑄態(tài)ZL109鋁合金的耐磨性；復(fù)合材料表現(xiàn)出較好的磨損性能和較低的摩擦磨損因數(shù)。攪拌摩擦加工制備的鋁基復(fù)合材料在100℃時(shí)磨損以氧化磨損和磨粒磨損為主，隨著溫度的升高，300℃時(shí)復(fù)合材料的磨損機(jī)理由氧化磨損轉(zhuǎn)變?yōu)轲ぶp。

攪拌摩擦加工；鋁基復(fù)合材料；磨損性能

金屬基復(fù)合材料具有硬度高、強(qiáng)度大、耐磨性好、熱膨脹因數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，是一種先進(jìn)的結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、汽車等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。鋁基復(fù)合材料是金屬基復(fù)合材料的典型代表，是在純鋁或鋁合金中分散有特殊第二相的多相材料，具有特殊物理力學(xué)性能的第二相極大地增強(qiáng)了材料的強(qiáng)度、硬度、耐磨、耐熱等性能。通過(guò)將不同性能的鋁基體和強(qiáng)化相復(fù)合在一起，可使材料的性能顯著提高[1]。

攪拌摩擦加工技術(shù)(Friction Stir Processing，F(xiàn)SP)是基于攪拌摩擦焊原理的一種新型材料改性與制備新技術(shù)[2,3]。攪拌摩擦加工過(guò)程中，加工區(qū)在摩擦熱及機(jī)械攪拌的共同作用下，經(jīng)歷了劇烈的塑性變形及組織的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，從而實(shí)現(xiàn)了加工組織顯著致密化和均勻化[4，5]。攪拌摩擦加工利用加工區(qū)金屬劇烈的塑性變形和流動(dòng)，通過(guò)加入一定體積分?jǐn)?shù)的元素或第二相可以進(jìn)行微觀組織的改性[6，7]，在耐磨表面復(fù)合材料制備[8，9]等方面是一種非常有效的加工技術(shù)。

顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是目前較為成熟、應(yīng)用較多的金屬基復(fù)合材料[10]，其制備工藝主要有擠壓鑄造、 噴霧沉積、粉末冶金等方法。擠壓鑄造、噴霧沉積等方法適合制備顆粒含量較低的鋁基復(fù)合材料, 粉末冶金方法可以制備高體積分?jǐn)?shù)的鋁基復(fù)合材料, 但設(shè)備及生產(chǎn)成本較高[11]。國(guó)內(nèi)外有關(guān)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料摩擦磨損性能的研究報(bào)道不少[12-15]。本研究選用廣泛應(yīng)用的ZL109鋁合金為基體，通過(guò)加入一定體積分?jǐn)?shù)的B4C顆粒作為強(qiáng)化相，利用攪拌摩擦加工技術(shù)制備鋁基復(fù)合材料，并對(duì)其顯微組織和磨損性能進(jìn)行探索研究，以期為顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的進(jìn)一步研究和實(shí)際應(yīng)用提供可靠的理論與技術(shù)積累。

1 實(shí)驗(yàn)

采用共晶型Al-Si-Cu-Mg系ZL109鑄造鋁合金，該合金是常用的鋁合金活塞材料。添加粉末為顆粒度10μm的B4C顆粒。實(shí)驗(yàn)在FSW2.4CX-006龍門式數(shù)控?cái)嚢枘Σ梁笝C(jī)上進(jìn)行。攪拌頭材料為H13熱作模具鋼，軸肩摩擦面為雙圓環(huán)，軸肩直徑φ12mm，攪拌針形狀為帶螺紋的圓臺(tái)型，攪拌針直徑φ3.6mm，長(zhǎng)度5.2mm。

攪拌摩擦加工試樣的尺寸為150mm×150mm×6mm，加工區(qū)域表面采用金相砂紙研磨，使其具有相同的表面粗糙度。試板表面采用機(jī)械加工方法加工深3mm、寬1.5mm的矩形溝槽，開(kāi)槽后用酒精或丙酮清理。將粉末均勻地添加于溝槽，先用無(wú)針平軸肩攪拌頭封堵粉末，再用圓臺(tái)型螺紋攪拌針進(jìn)行四道次重復(fù)加工，每道中間間隔20min。攪拌摩擦加工參數(shù)為：攪拌頭轉(zhuǎn)動(dòng)速率為1000r/min，前進(jìn)速率為100mm/min，傾角為2°。

將攪拌摩擦加工區(qū)域在UMT-2型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行球盤式干摩擦滑動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)，摩擦副為直徑9.38mm的不銹鋼球，摩擦半徑為5mm。磨損實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：磨損載荷為50N，磨損轉(zhuǎn)速為150r/min，磨損時(shí)間為20min。摩擦因數(shù)由與摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)相連的電腦直接讀出。采用SEM觀察其磨痕形貌。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1為不同溫度下ZL109鑄態(tài)和攪拌摩擦加工制備鋁基復(fù)合材料的摩擦因數(shù)-時(shí)間關(guān)系摩擦磨損曲線。圖2為兩種不同狀態(tài)材料摩擦因數(shù)隨溫度變化曲線?？梢钥闯?，摩擦因數(shù)的變化趨勢(shì)均為隨著磨損溫度的增大而增大。兩種狀態(tài)材料的摩擦磨損曲線均存在較大的波動(dòng)，但其變化趨勢(shì)均表現(xiàn)為先上升，然后相對(duì)平穩(wěn)，最后再上升。鑄態(tài)材料本身硬度較低，且組織不均勻，因此，隨著磨損溫度的升高，其磨損曲線的波動(dòng)較大(見(jiàn)圖1(a))；不同溫度下攪拌摩擦加工制備的復(fù)合材料在磨損初期的摩擦因數(shù)曲線整體比較平緩，隨時(shí)間變化的波動(dòng)較小(見(jiàn)圖1 (b))，從摩擦因數(shù)的數(shù)據(jù)的均方差值來(lái)看，摩擦因數(shù)的分散度較小，所以摩擦性能相對(duì)較穩(wěn)定。因?yàn)樘蓟鸬募尤?，材料的表面硬度比較高，在磨損過(guò)程中，碳化硼承擔(dān)了部分載荷，隨著磨損的進(jìn)行，形成了機(jī)械混合層又強(qiáng)化了磨損面，所以表現(xiàn)出較好的磨損性能。

圖1 不同溫度下的摩擦磨損曲線 (a)鑄造鋁合金；(b)攪拌摩擦加工復(fù)合材料Fig.1 Friction coefficient curves at various temperatures (a)as-cast Al alloy;(b)friction stir processed composite

圖2 不同溫度下的平均摩擦磨損因數(shù)Fig.2 Average friction coefficient curves at various temperatures

圖3為不同溫度下兩種狀態(tài)材料磨損表面的形貌。由圖3可以看出，鑄態(tài)未處理材料的磨損面除出現(xiàn)較淺的犁溝外，還有磨屑脫落后留下的犁溝凹坑(見(jiàn)圖3(a-1))。200℃時(shí)的磨損面塑性變形痕跡開(kāi)始比較明顯，并出現(xiàn)剝離痕跡(見(jiàn)圖3(b-1))，300℃時(shí)，鑄態(tài)未處理材料的磨損面更粗糙，塑性流動(dòng)更加嚴(yán)重，且存在明顯的波浪紋(見(jiàn)圖3(c-1))。這是因?yàn)樵谀p過(guò)程中，鑄態(tài)材料表面的微凸在對(duì)磨材料不銹鋼球和旋轉(zhuǎn)力矩的切削作用下，產(chǎn)生塑性變形，并從其表面脫落形成磨屑，導(dǎo)致磨損面上出現(xiàn)凹坑。產(chǎn)生的磨屑附在對(duì)磨材料不銹鋼球的接觸表面，形成三體磨損，犁削復(fù)合材料的表面而成；隨著磨損的進(jìn)行，復(fù)合材料的表面開(kāi)始產(chǎn)生細(xì)粉狀磨屑，經(jīng)過(guò)反復(fù)地切削磨損作用，破碎為更細(xì)小的顆粒，并被碾壓平鋪于磨痕表面，而且部分被碾壓堆積的磨屑剝落。300℃時(shí)，在高溫磨損載荷作用下，磨損形成的磨屑由于高溫影響在新的表面產(chǎn)生黏著、“焊合”，隨后又被切斷、轉(zhuǎn)移，使磨損表面形成犁溝，產(chǎn)生較大的塑性變形，產(chǎn)生大量塊狀磨屑。同時(shí)由于高溫作用使基體材料變軟，鋁合金的塑性增加，摩擦因數(shù)增加，同時(shí)極易造成試樣與表層粘附著的磨屑的黏合，磨損量也大幅度增加，形成大量塊狀的磨屑。根據(jù)判斷可以分析出此階段以黏著磨損為主。100℃時(shí)，攪拌摩擦加工制備復(fù)合材料的磨損表面光潔完整(見(jiàn)圖3(a-2))，由于少許脫落的碳化硼顆粒殘留在對(duì)磨材料上，犁削復(fù)合材料表面形成較淺的犁溝。此時(shí)的磨損機(jī)理主要為磨粒磨損。隨著溫度升高到200℃時(shí)復(fù)合材料的磨損表面塑性變形痕跡開(kāi)始比較明顯(見(jiàn)圖3(b-2))，磨損過(guò)程中脫落的碳化硼顆粒相對(duì)較多，犁溝也比較深，凹坑逐漸變大。在磨損載荷的作用下，磨屑和脫落的細(xì)小的碳化硼顆粒形成一定的機(jī)械復(fù)合層。300℃的磨損表面變得粗糙，出現(xiàn)一定的塑性流動(dòng)痕跡，而且也出現(xiàn)較大的塊狀磨屑脫落的痕跡(見(jiàn)圖3(c-2))。所以此階段的磨損主要為黏著磨損。

圖3 不同溫度下的磨損表面形貌 1-鑄造鋁合金;2-攪拌摩擦加工復(fù)合材料 (a)100℃;(b)200℃;(c)300℃Fig.3 SEM morphologies of worn surface at different temperatures 1-as-cast Al alloy;2-friction stir processed composite (a)100℃;(b)200℃;(c)300℃

圖4為不同溫度下的磨屑形貌及其EDS圖譜。在磨損溫度較低(100℃)時(shí)，攪拌摩擦加工制備的鋁基復(fù)合材料磨損過(guò)程中形成的磨屑，宏觀上體現(xiàn)為非常細(xì)小的黑色粉末狀(見(jiàn)圖4 (a))，此時(shí)磨損處于輕微磨損階段。隨著磨損的溫度升高，在溫度300℃時(shí)，磨屑宏觀上呈銀白色的粗大的塊狀(見(jiàn)圖4 (b))，同時(shí)伴隨著一些比較小的粉末狀磨屑，但其所占體積分?jǐn)?shù)甚小。

圖4 不同溫度下的磨屑形貌(1)及其EDS圖譜(2) (a)100℃;(b)300℃Fig.4 Morphology (1) and EDS (2) of wear debris at different temperatures (a)100℃;(b)300℃

從能譜分析結(jié)果可知，復(fù)合材料在溫度為100℃的條件下磨損形成的黑色細(xì)小磨屑尺寸均在10μm以下，除了材料基體中所含有的Al、Si元素外，還存在較多的O元素。分析認(rèn)為主要來(lái)自磨損過(guò)程中復(fù)合材料表面氧化形成的Al2O3。由此可以表明，這個(gè)階段的磨損以氧化磨損為主。當(dāng)溫度達(dá)到300℃時(shí)形成的磨屑，其形狀為大塊狀，尺寸約500μm。從圖示的能譜圖中可以清晰地看到，磨屑中同樣含有Al、Si和O三種元素，但其中O元素的含量較少。由此可說(shuō)明，隨著溫度升高，復(fù)合材料的磨損機(jī)理由氧化磨損轉(zhuǎn)變?yōu)轲ぶp，同時(shí)伴隨著少量的氧化磨損。

3 結(jié)論

(1)鑄態(tài)情況下的摩擦因數(shù)高于攪拌摩擦加工制備的鋁基復(fù)合材料，并且兩種材料的摩擦因數(shù)都隨磨損溫度的升高而增大。

(2)鑄態(tài)情況下的摩擦因數(shù)比攪拌摩擦加工制備的鋁基復(fù)合材料的波動(dòng)大，所以復(fù)合材料的摩擦性能更穩(wěn)定。

(3)攪拌摩擦加工制備的鋁基復(fù)合材料在100℃的磨損以氧化磨損和磨粒磨損為主，隨著溫度的升高，300℃時(shí)復(fù)合材料的磨損機(jī)理由磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)轲ぶp。

[1] 趙玉濤, 戴起勛, 陳剛. 金屬基復(fù)合材料[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.6

ZHAO Y T, DAI Q X, CHEN G. Metal Matrix Composite [M]. Beijing: China Machine Press, 2007.

[2] MISHRA R S, MAHONEY M W, MCFADDEN S X, et al. High strain rate superplasticity in a friction stir processed 7075 Al alloy [J]. Scripta Materialia, 1999, 42(2):163-168.

[3] MISHRA R S, MUKHERJEE A K. An analysis of the role of grain size on superplasticity of γ titanium aluminides [J]. Journal of Materials Science, 2000, 35(1):147-151.

[4] 劉峰超, 馬宗義. 攪拌摩擦加工對(duì)鑄態(tài) 7075 鋁合金顯微組織的影響[J]. 金屬學(xué)報(bào), 2008, 44(3): 319-324.

LIU C F, MA Z Y. Effect of friction stir processing on the microstructure of as-cast 7075 aluminum alloy[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2008, 44(3): 319-324.

[5] 李敬勇, 卓炎.攪拌摩擦加工對(duì)活塞用鑄鋁微觀組織的影響[J]. 航空材料學(xué)報(bào), 2013, 33(3): 60-65.

LI J Y, ZHUO Y. Effect of friction stir processing on the microstructure of cast aluminum alloy applied to plunger [J]. Journal of Aeronautical Materials, 2013, 33(3): 60-65.

[6] NI D R, WANG D, FENG A H, et al. Enhancing the high-cycle fatigue strength of Mg-9Al-1Zn casting by friction stir processing[J]. Scripta Materialia, 2009, 61(6): 568-571.

[7] DIXIT M, NEWKIRT J W, MISHRA R S. Properties of friction Stir-processed Al 1100-NiTi composite [J]. Scripta Materialia, 2007, 56: 541-544.

[8] LEE I S, KAO P W, HO N J. Microstructure and mechanical properties of Al-Fe in situ nanocomposite produced by stir processing [J]. Intermetallics，2008, 16: 1104-1108.

[9] MISHRA R S, MA Z Y, CHARIT I. Friction stir processing: a novel technique for fabrication of surface composite [J]. Materials Science and Engineering A, 2003, 341(1-2): 307-310.

[10] 呂亮, 朱華, TANG Feng. 碳化硼增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的摩擦磨損性能[J]. 機(jī)械工程材料, 2007, 31(10): 64-66.

LV L, ZHU H, TANG F. Friction and wear properties of aluminum matrix composites reinforced by B4C particulates [J]. Materials for Mechanical Engineering, 2007, 31(10): 64-66.

[11] 王文明, 潘復(fù)生, 曾蘇民, 等. 碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的研究現(xiàn)狀[J]. 兵器材料科學(xué)與工程, 2004, 27(3): 61-67.

WANG W M, PAN F S, ZENG S M, et al. Current status of development and application in SiCp/Al composites [J]. Ordnance Material Science and Engineering, 2004, 27(3): 61-67.

[12] MIYAJIMA T, IWAI Y. Effect of reinforcements on sliding wear behavior of aluminum matrix composite [J]. Wear, 2003, 255(1-6): 606-616.

[13] 盧德宏, 顧明元, 施忠良, 等. SiC 含量對(duì)混雜復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響[J]. 材料工程, 2000,(3):26-28.

LU D H, GU M Y, SHI Z L, et al. Effect of the fraction of SiC on the wear and friction performance of silicon carbide and graphite particulates reinforcing aluminum matrix composite[J]. Journal of Materials Engineering, 2000,(3): 26-28.

[14] 陳躍, 邢建東, 張永振, 等, 增強(qiáng)顆粒對(duì)鋁基復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報(bào),2001,21(4): 251-255.

CHEN Y, XING J D, ZHANG Y Z, et al. The tribological behavior of aluminum-matrix composites reinforced with ceramic particulates in dry sliding against a semi-metallic frictional material[J]. Tribology, 2001, 21(4): 251-255.

[15] 呂一中, 王寶順, 崔巖, 等. SiCp/Al復(fù)合材料-GCr15鋼干摩擦磨損行為研究[J]. 航空材料學(xué)報(bào), 2008, 28(3): 87-92.

LV Y Z, WANG B S, CUI Y, et al. Friction and wear behavior of SiCp/Al composites dry sliding against GCr15 steel[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2008, 28(3): 87-92.

High-temperature Friction and Wear Properties of Friction Stir Processed Aluminum Matrix Composites

LI Jing-yong,LIU Tao,GUO Yu-wen

(Advanced Welding Technology Provincial Key Laboratory, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003,Jiangsu,China)

Commercial B4C powders (～10μm) were added at a definite depth in the aluminum surface to produce B4C reinforced aluminum matrix composites by friction stir processing (FSP). SEM, EDS, high temperature friction and wear testing machine were used to study the friction and wear properties.The influence of processing method and the environmental temperature on the friction coefficient and wear scar morphologies were analyzed and wear mechanism was discussed.The results show that aluminum matrix composites produced by FSP can significantly improve the wear resistance of as-cast ZL109 Al alloy under high-temperature wear conditions. The composite exhibits better wear resistance and lower friction and wear coefficient. At 100℃, the main wear of the FSPed composite is oxidation and abrasive wear. As the temperature increases to 300℃, the main wear changes from oxidation wear to adhesive wear.

friction stir processing;aluminum matrix composite;wear property

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.06.004

U671.83

A

1001-4381(2015)06-0021-05

江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助(PDAD)

2014-03-29;

2014-11-25

李敬勇(1963—)，男，博士，教授,研究方向?yàn)樾虏牧?、有色金屬及異種金屬連接技術(shù)研究，新型焊接技術(shù),聯(lián)系地址：江蘇省鎮(zhèn)江市夢(mèng)溪路2號(hào)，江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院(212003)， E-mail: jingyong_li@126.com