鈦活化預(yù)制坯制備Al2O3p/45鋼復(fù)合材料的摩擦磨損性能

王 健，盧德宏，賀小剛，蔣業(yè)華

（昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，昆明650093）

0 引 言

Al2O3粉體價(jià)格低廉，且具有優(yōu)異的高溫耐磨、抗氧化性能，所以，近年來(lái) Al2O3顆粒增強(qiáng)鋼（Al2O3p/鋼）基復(fù)合材料的研究逐漸被重視［1］，并在金屬熱塑性加工模具（軋輥、模具）、液態(tài)金屬加工用工具、管道、閥門(mén)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，由于Al2O3p/鋼復(fù)合材料中Al2O3顆粒與基體的界面潤(rùn)濕性、結(jié)合性能較差，阻礙了該復(fù)合材料性能的進(jìn)一步提高。因此，改善界面結(jié)合性能成為提高Al2O3顆粒增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料性能的研究重點(diǎn)。有學(xué)者［2-3］采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)在Al2O3顆粒表面制備TiN及鎳涂層，使Al2O3p/鋼復(fù)合材料的耐磨性能明顯提高，但這種方法效率低、成本高，所以在工業(yè)上推廣具有一定困難。

Kuebler等［4］發(fā)明了鈦活化的無(wú)壓浸漬技術(shù)，該技術(shù)利用鈦粉活化Al2O3預(yù)制坯，在1 600℃鋼液中成功制備了Al2O3p/鋼復(fù)合材料，改善了復(fù)合材料界面的結(jié)合性能，使其耐磨性能得到提高?；谏鲜鲅芯?，作者課題組以45鋼為基體，嘗試?yán)脭D壓鑄造技術(shù)，在Al2O3顆粒預(yù)制坯中加入5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的鈦粉制備了Al2O3p/45鋼復(fù)合材料。前期研究結(jié)果表明，該復(fù)合材料中的Al2O3顆粒表面形成了一層TiC包覆層，同時(shí)也使得基體從珠光體轉(zhuǎn)變成鐵素體。但有關(guān)此材料摩擦磨損性能的研究還未見(jiàn)報(bào)道，鑒于此，作者研究了5%鈦活化預(yù)制坯Al2O3p/45鋼復(fù)合材料的摩擦磨損性能，并與無(wú)鈦活化復(fù)合材料的進(jìn)行了對(duì)比，探討了鈦對(duì)Al2O3p/45鋼復(fù)合材料耐磨性能的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

采用擠壓鑄造法分別制備了Al2O3p/45鋼復(fù)合材料和5%Ti-Al2O3p/45鋼復(fù)合材料。Al2O3顆粒粒徑為120～180μm，鈦粉粒徑為48μm，在JS14S型球磨機(jī)中加入水玻璃混合2h，取出，在3～5MPa壓力下壓制成預(yù)制坯?；w材料45鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為 0.48%C，0.28%Si，0.56%Mn，≤0.25%Cr，≤0.3%Ni。

擠壓鑄造的工藝流程為：自制光滑致密的保溫層，并隨保溫層外金屬模具預(yù)熱至250～300℃，保溫層由石英砂、棕剛玉和鋯英粉按一定比例與硅溶膠混合制得；用YQ32-160型液壓機(jī)分別制備尺寸均為φ90mm×6mm的Al2O3預(yù)制坯和5%Ti-Al2O3預(yù)制坯，并預(yù)熱至1 000℃；將預(yù)制坯放入帶有保溫層的金屬模具擠壓鑄造室中，如圖1所示，然后澆入45鋼液，以常規(guī)擠壓鑄造的方法使金屬液滲入增強(qiáng)相預(yù)制坯中制成復(fù)合材料。擠壓鑄造工藝參數(shù)：壓力12MPa，澆注溫度為1 600℃，開(kāi)始加壓時(shí)間為5s，保壓時(shí)間為40s。

圖1 擠壓鑄造裝置Fig.1 Schematic illustrations of squeeze casting system

在室溫下采用MMU-5G型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行干摩擦磨損試驗(yàn)，對(duì)磨形式為銷-盤(pán)式，試驗(yàn)時(shí)間為7 200s。銷試樣尺寸為φ3.9mm×15mm，對(duì)磨盤(pán)為φ43mm×3mm的3Cr2W8V熱作模具鋼（經(jīng)淬火、回火后的硬度為50HRC）。具體試驗(yàn)參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速為150r·min-1，壓力分別為2.79，5.58，8.38，11.17，13.96MPa；壓力為8.38MPa，主軸轉(zhuǎn)速分別為100，150，200，250，300r·min-1。

每次磨損試驗(yàn)均用三個(gè)銷試樣。磨損前后，用精度為0.000 1g的電子天平分別稱取試樣的質(zhì)量，試驗(yàn)前后的質(zhì)量差即為磨損量，取三個(gè)銷試樣磨損量的平均值作為每組試樣的磨損量。

采用Leica光學(xué)顯微鏡觀察不同復(fù)合材料的組織，腐蝕溶液為4%（體積分?jǐn)?shù)）硝酸酒精溶液；采用Philips XL30型掃描電鏡觀察不同復(fù)合材料磨損前后的表面形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖2可見(jiàn)，兩種復(fù)合材料中Al2O3顆粒分布得都比較均勻，用ImageJ軟件計(jì)算其體積分?jǐn)?shù)約為56%；Al2O3p/45鋼復(fù)合材料的基體組織為珠光體和鐵素體。而5%Ti-Al2O3p/45鋼復(fù)合材料則全部為鐵素體。這是因?yàn)榧尤氲拟佋叵牧酥楣怏w中的碳，同時(shí)鈦也是擴(kuò)大鐵-碳相圖中鐵素體區(qū)域的元素，因此較多鈦的存在將基體組織全部轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體。此外，在預(yù)制坯中加入的鈦元素與基體中的碳元素發(fā)生反應(yīng)，生成了大塊團(tuán)絮狀的TiC，并且其在Al2O3顆粒周圍形成包覆層，與基體具有較高的結(jié)合力［6］，有助于改善復(fù)合材料的界面結(jié)合。

2.2 轉(zhuǎn)速和壓力對(duì)磨損量的影響

由圖3（a）可見(jiàn)，隨著轉(zhuǎn)速增加，兩種復(fù)合材料的磨損量均幾乎呈線性增大。這是因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速增加，相同時(shí)間內(nèi)磨損距離增加，磨損量隨之增大，并且磨損表面的熱效應(yīng)也急劇增加，熱效應(yīng)一方面產(chǎn)生氧化磨損，氧化物的磨屑起到降低磨損的作用，另一方面使得基體硬度降低；同時(shí)，較高的轉(zhuǎn)速更容易使Al2O3顆粒從基體中脫落，從而加劇磨損［7］。但后者的作用更加明顯，因此磨損量隨轉(zhuǎn)速的增加而增大。由圖3（b）可見(jiàn)，磨損量也隨著壓力的增加而增大，而且當(dāng)壓力低于11.17MPa時(shí)，兩種復(fù)合材料的磨損量均緩慢增加，并與壓力呈線性關(guān)系，但當(dāng)壓力超過(guò)11.17MPa后，磨損量均顯著增加。這與梁高飛等［8］的研究結(jié)果一致。原因是在低壓力工況下，隨著試樣磨損，基體逐漸流失，使裸露出的Al2O3顆粒作為承載體承受摩擦作用，并且隨著壓力增大，摩擦過(guò)程中發(fā)生接觸的微凸體的數(shù)量增多，致使摩擦副實(shí)際接觸面積增大，使磨損量隨著壓力的增大而增加；在高壓力工況下，承載體承受大應(yīng)力作用，外力的水平分量大于基體對(duì)Al2O3顆粒的支撐作用，從而使Al2O3顆粒發(fā)生剝落或破碎，而不能發(fā)揮其在低壓力工況下的作用，結(jié)果使得磨損量顯著增加。對(duì)比兩種復(fù)合材料可知，5%Ti-Al2O3p/45鋼復(fù)合材料在不同的轉(zhuǎn)速和壓力下的磨損量均比Al2O3p/45鋼復(fù)合材料的略低，可見(jiàn)復(fù)合材料加鈦后，其耐磨性能提高得并不十分顯著。這是因?yàn)閺?fù)合材料的耐磨性能除了受增強(qiáng)相顆粒的硬度、含量、尺寸以及與基體的結(jié)合強(qiáng)度影響外，還與基體組織密切相關(guān)［9］。研究表明［10］，在增強(qiáng)相顆粒含量與尺寸一定的條件下，提高基體的硬度及其對(duì)顆粒的支撐能力，可避免或減輕顆粒在磨損過(guò)程中的剝落，從而進(jìn)一步提高材料的耐磨性能。所以，即使TiC對(duì)微觀界面的結(jié)合性能起到了一定的強(qiáng)化作用，增強(qiáng)了Al2O3顆粒與45鋼基體的界面結(jié)合性能，提高了基體對(duì)顆粒的支撐能力，但鈦的加入又使基體組織全部轉(zhuǎn)變成鐵素體，降低了基體的硬度，兩者綜合作用的結(jié)果是，5%Ti-Al2O3p/45鋼復(fù)合材料的磨損量相對(duì)于Al2O3p/45鋼復(fù)合材料有一定程度的下降。

圖2 兩種復(fù)合材料的顯微組織及界面成分分布Fig.2 Microstructure and interfacial component distribution of two kinds of composites：（a）microstructure of Al2O3p/45 steel matrix composite；（b）microstructure of 5% Ti-Al2O3p/45 steel matrix composite；（c）interface morphhology of 5% Ti-Al2O3p/steel matrix composite and（d）interfacial component distribution of 5%Ti-Al2O3p/steel matrix

圖3 轉(zhuǎn)速和壓力對(duì)兩種復(fù)合材料磨損量的影響Fig.3 Influence of rotate speed（a）and pressure（b）on wear loss of two kinds of composites

從圖4（a）可以看出，Al2O3p/45鋼復(fù)合材料中的部分Al2O3顆粒發(fā)生剝落，并形成了小孔洞，基體組織發(fā)生了一定的塑性變形。在磨損開(kāi)始階段，Al2O3p/45鋼復(fù)合材料中的Al2O3顆粒對(duì)45鋼基體起到了保護(hù)作用，并逐漸突出于45鋼基體之上；隨著磨損的進(jìn)行，特別是在磨損后期，一些微觀界面結(jié)合強(qiáng)度比較薄弱的Al2O3顆粒首先發(fā)生脫落，并且隨著溫度升高，45鋼基體的硬度降低，從而導(dǎo)致基體對(duì)Al2O3顆粒的支撐作用減弱，因此Al2O3顆粒剝落的機(jī)會(huì)增加，磨損量增大。從圖4（b）中可以發(fā)現(xiàn)，5%Ti-Al2O3p/45鋼復(fù)合材料的基體組織發(fā)生了劇烈的塑性變形，但是并未出現(xiàn)明顯的孔洞，說(shuō)明Al2O3顆粒剝落的現(xiàn)象不及Al2O3p/45鋼復(fù)合材料中的嚴(yán)重。這應(yīng)該是由于Al2O3顆粒表面生成了TiC包覆層，改善了界面結(jié)合性能所致，但全部為鐵素體的基體組織對(duì)Al2O3顆粒的支撐作用減弱，因此導(dǎo)致5%Ti-Al2O3p/45鋼復(fù)合材料的耐磨性能只是略優(yōu)于Al2O3p/45鋼復(fù)合材料的。

圖4 兩種復(fù)合材料在300r·min-1、8.38MPa下磨損后的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of two kinds of composites after wearing at 300r·min-1 and 8.38MPa.（a）Al2O3p/45 steel matrix composite and（b）5% Ti-Al2O3p/45 steel matrix composite

2.3 轉(zhuǎn)速和壓力對(duì)摩擦因數(shù)的影響

由圖5和圖6可知，在磨損初期，兩種復(fù)合材料摩擦因數(shù)的波動(dòng)均較大，但隨著摩擦的進(jìn)行，波動(dòng)逐漸趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)樵谀Σ脸跗?，?duì)磨面的粗糙度較大，實(shí)際接觸面積小且分布不均勻，從而導(dǎo)致摩擦因數(shù)不穩(wěn)定；隨著摩擦的進(jìn)行，對(duì)磨面粗糙度逐漸減小，且粗糙度的變化不再明顯，實(shí)際接觸面積也趨于穩(wěn)定，摩擦進(jìn)入穩(wěn)定階段，因而摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定。

由圖7（a）可知，與低轉(zhuǎn)速相比，兩種復(fù)合材料在高轉(zhuǎn)速下的平均摩擦因數(shù)均較低；在8.38MPa和試驗(yàn)轉(zhuǎn)速下，Al2O3p/45鋼復(fù)合材料的摩擦因數(shù)為0.65～0.92，5%Ti-Al2O3p/45鋼復(fù)合材料的為0.58～0.8；在相同轉(zhuǎn)速下，后者的摩擦因數(shù)更低。分析認(rèn)為，轉(zhuǎn)速影響摩擦因數(shù)的主要原因是其引起摩擦表面發(fā)熱，使表面溫度升高，改變了磨損表面層的性質(zhì)以及摩擦過(guò)程中表面的相互作用和破壞條件［6］，在高轉(zhuǎn)速下，溫度越高，基體發(fā)生塑性變形的抗力越小，因而摩擦因數(shù)減??；鈦的加入使基體全部轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，減小了摩擦力，因而5%Ti-Al2O3p/45鋼復(fù)合材料的摩擦因數(shù)更低。

由圖7（b）可知，與低壓力相比，兩種復(fù)合材料在高壓力下的平均摩擦因數(shù)均較小，并均在0.64～0.92之間，而且低壓力下5%Ti-Al2O3p/45鋼復(fù)合材料的摩擦因數(shù)更小，而高壓力（13.96MPa）下Al2O3p/45鋼復(fù)合材料的更小。

圖5 轉(zhuǎn)速和壓力對(duì)Al2O3p/45鋼復(fù)合材料摩擦因數(shù)-時(shí)間曲線的影響Fig.5 Effects of rotate speed（a）and pressure（b）on friction coefficient-time curves of Al2O3p/45 steel matrix composite

圖6 轉(zhuǎn)速和壓力對(duì)5%Ti-Al2O3p/45鋼復(fù)合材料摩擦因數(shù)-時(shí)間曲線的影響Fig.6 Effects of rotate speed（a）and pressure（b）on friction coefficient-time curves of 5% Ti-Al2O3p/45 steel matrix composite

圖7 轉(zhuǎn)速及壓力對(duì)兩種復(fù)合材料摩擦因數(shù)的影響Fig.7 Effects of rotate speed（a）and pressure（b）on friction coefficient of two kinds of composites

μ＝Aγτ/p （1）

Aγ＝kp2/3（2）

μ＝kτp-1/3（3）

式中：μ為摩擦因數(shù)；Aγ為實(shí)際接觸面積；τ為摩擦副材料單位面積上的剪切力；p為正壓力。

由式（1）所示的摩擦因數(shù)公式和式（2）所示的赫茲接觸理論［11］可以得到式（3）?？梢?jiàn)，圖7（b）所示的試驗(yàn)結(jié)果與式（3）一致。因?yàn)槟Σ烈驍?shù)反映的是材料性能、表面形貌、載荷、接觸方式、相對(duì)滑動(dòng)速率、溫度等諸多因素間的相互作用［12］。鈦的加入一方面軟化了基體，另一方面使界面結(jié)合強(qiáng)度得到了提高，在低壓力下界面結(jié)合強(qiáng)度在影響摩擦因數(shù)的諸多因素中占主要作用，而高壓力下因Al2O3顆粒易剝落或破碎而導(dǎo)致基體的硬度占主要作用，所以在低壓力下5%Ti-Al2O3p/45鋼復(fù)合材料的摩擦因數(shù)更小，而高壓力下Al2O3p/45鋼復(fù)合材料的更小。

3 結(jié) 論

（1）Al2O3p/45鋼復(fù)合材料和5%Ti-Al2O3p/45鋼復(fù)合材料的磨損量均隨轉(zhuǎn)速和壓力的增加而增大，但后者的磨損量稍小，這是因?yàn)殁佋贏l2O3顆粒表面生成了TiC涂覆層，增強(qiáng)了Al2O3顆粒與45鋼基體的結(jié)合性能。

（2）鈦的加入改善了復(fù)合材料的界面結(jié)合，磨損時(shí)Al2O3p/45鋼界面的孔洞相對(duì)減少，耐磨性提高。

（3）兩種復(fù)合材料的摩擦因數(shù)相當(dāng)，均在0.58～0.92范圍內(nèi)，并且都隨轉(zhuǎn)速和壓力的增大而減?。辉谙嗤D(zhuǎn)速下，5%Ti-Al2O3p/45鋼復(fù)合材料的摩擦因數(shù)更小；在低壓力（不大于11.17MPa）下5%Ti-Al2O3p/45鋼復(fù)合材料的摩擦因數(shù)更小，在高壓力下Al2O3p/45鋼復(fù)合材料的更小。

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