ZTA/A356復(fù)合材料的摩擦磨損性能研究*

王 娟，許小軍，邢文超，王大亮

1.廣東省材料與加工研究所，廣東 廣州 510650；2.廣東東方鋯業(yè)科技股份有限公司，廣東 汕頭 515000；3. 河北坤騰實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，河北 衡水 053000；4. 江蘇雙發(fā)機(jī)械有限公司，江蘇 興化 225700

目前，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料耐磨性的理論研究仍不成熟．本研究通過擠壓鑄滲法制備了ZTA/A356復(fù)合材料，并對其耐磨性能及其磨損機(jī)制進(jìn)行了研究．

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原 料

制備復(fù)合材料所選基體為A356鋁合金．ZTA陶瓷微米粉由江蘇宜興購得(表1)，將其在1550 ℃下燒結(jié)，最終獲得ZTA陶瓷，其顯微硬度可達(dá)1400 HV、斷裂韌性KIC大于9.0 MPa·m1/2．將ZTA陶瓷進(jìn)行破碎，使其粒度分別為800～400，400～100，100～50和50～2 μm．

表1 ZTA陶瓷粉成分Table 1 Chemical compositions of ZTA powder

1.2 復(fù)合材料制備

首先將ZT陶瓷顆粒通過熱壓燒結(jié)制備成預(yù)制體，然后采用熔體壓力浸滲的工藝將其與鋁合金進(jìn)行復(fù)合．

圖1為擠壓模具裝置示意圖．首先在模具預(yù)熱爐中預(yù)熱陶瓷預(yù)制體，溫度控制在500～600 ℃，然后將一段鋁合金放置在陶瓷預(yù)制體上，升溫至800 ℃，在外加壓力55～70 MPa下，依靠外加壓力和毛細(xì)管力使熔融液態(tài)金屬沿著預(yù)制體內(nèi)的通道浸滲入陶瓷縫隙內(nèi)部，冷卻后即得到ZTA/A356復(fù)合材料．

圖1 擠壓模具裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the extrusion die device

1.3 檢測方法

摩擦磨損試驗(yàn)前需對試樣進(jìn)行處理，用砂紙去除試樣表面的加工痕跡，使其平整、光滑．磨損試驗(yàn)開始前先進(jìn)行10 min的預(yù)磨損，目的是使試樣磨合．每次完成磨損試驗(yàn)后的試樣在酒精中超聲清洗、干燥，并用分析天平稱重．摩擦磨損后的復(fù)合材料試樣清洗干凈，在掃描電鏡下觀察其損傷表面形貌．

用UMT-3多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(美國CETR公司)測試ZTA/A356復(fù)合材料的耐磨性能，用SEM掃描電鏡觀察摩擦磨損后復(fù)合材料的表面形貌．

2 結(jié)果及討論

2.1 耐磨性能

通過往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)來測試復(fù)合材料的耐磨性能，圖2為不同粒度ZTA/A356復(fù)合材料的體積損失量．從圖2可見：當(dāng)陶瓷粒度分別為800～400，400～100，100～50和50～2 μm時(shí)，ZTA/A356復(fù)合材料的體積損失量分別為3.08，4.85，5.42和1.86 mm3；隨著ZTA顆粒粒度的減小，復(fù)合材料體積損失量呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢，在ZTA增強(qiáng)顆粒粒度為50～2 μm時(shí)，ZTA/A356復(fù)合材料的體積損失量最小，表明材料的耐磨性能好．相比A356鋁合金的體積損失量12.23 mm3，不同ZTA粒度復(fù)合材料的平均體積損失量大約是鋁合金體積損失量的四分之一，表明復(fù)合材料的耐磨性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于鋁合金的．

圖2 不同ZTA粒度的復(fù)合材料體積磨損量1-800～400 μm；2- 400～100 μm；3-100～50 μm；4-50～2 μm Fig.2 Volume wear of composites with different ZTA particle sizes

2.2 摩擦系數(shù)

動(dòng)摩擦系數(shù)與滑動(dòng)摩擦力的大小和彼此接觸物體的相互間的正壓力成正比，其與接觸物的材料、表面光滑程度、干濕程度、表面溫度及相對運(yùn)動(dòng)速度等有關(guān)系．

采用主成分法對標(biāo)準(zhǔn)化處理后的三個(gè)變量進(jìn)行因子分析，按照輸出結(jié)果中特征值和貢獻(xiàn)率的大小提取出兩個(gè)公共因子F1和F2。由表2可知，兩個(gè)公共因子的特征值均大于1，且方差累計(jì)貢獻(xiàn)率為100%，大于85%，符合提取公共因子的原則；最后將旋轉(zhuǎn)后的公共因子的方差貢獻(xiàn)率視為權(quán)重，與兩個(gè)公共因子的得分值相乘得出因子綜合得分，該得分作為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級水平的綜合評價(jià)體系的指標(biāo)值F，計(jì)算公式如公式（1）所示：

圖3 不同粒度的ZTA/A356復(fù)合材料的摩擦系數(shù)1-800～400 μm；2-400～100 μm；3-100～50 μm；4-50～2 μm Fig.3 The friction coefficient of ZTA/A356 composites with different ZTA particle size

圖3為不同粒度的ZTA/A356復(fù)合材料的摩擦系數(shù)．從圖3可見，ZTA粒度為800～400，400～100，100～50及50～2 μm的ZTA/A356復(fù)合材料的摩擦系數(shù)分別為0.526，0.507，0.537和0.340．不同工況下對ZTA/A356復(fù)合材料的耐磨性要求也不同，有的工況要求耐磨件材料具有高的摩擦系數(shù)和低的磨損量，這時(shí)可選取ZTA粒度為800～400 μm的ZTA/A356復(fù)合材料；而對于活塞-缸套等耐磨系統(tǒng)，其要求耐磨件材料具有低的摩擦系數(shù)和低的磨損量，此時(shí)可選取ZTA粒度為50～2 μm的ZTA/A356復(fù)合材料．

2.3 摩擦磨損形貌

復(fù)合材料的磨損機(jī)制可以分粘著摩擦磨損、疲勞摩擦磨損和磨粒磨損三個(gè)階段．

圖4為ZTA/A356復(fù)合材料和鋁合金的摩擦磨損形貌．從圖4(a)可以看出：鋁合金基體磨損量遠(yuǎn)大于ZTA顆粒的磨損量，突出表現(xiàn)為ZTA顆粒周圍基體下凹而ZTA顆粒凸出(圖4中A區(qū)域的放大SEM形貌所示)；ZTA表面的犁痕很淺且有很明顯的方向性，而A356鋁合金表面的犁痕很深，磨損量很大，說明主要的耐磨承載體是ZTA顆粒．試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，隨著磨損時(shí)間增加，ZTA/A356復(fù)合材料的耐磨性也隨之提高，磨損率也緩慢降低．這是因?yàn)閯傞_始磨損時(shí)主要承載體是ZTA顆粒和鋁基體，由于ZTA顆粒的硬度相比鋁基更高，因此在相同時(shí)間內(nèi)，鋁合金基體磨損量遠(yuǎn)大于ZTA顆粒的磨損量，磨損一段時(shí)間后，磨損的主要承載體變?yōu)閆TA顆粒．從圖4(b)可見，A356鋁合金表面含有大量的深的磨損凹槽，而且A356鋁合金摩擦表面的磨損碎粒和歪曲形貌遠(yuǎn)超圖4(a)中ZTA/A356復(fù)合材料表面的磨損碎粒和歪曲形貌(圖4中B區(qū)域的放大SEM形貌所示)．這些歪曲的表面形貌和碎粒是在基體斷裂之后形成的，這是由于在鋼銷與摩擦試樣接觸面形成的碎粒使試樣在摩擦磨損過程中存在一定的磨粒磨損，且主要是通過摩擦副接觸面上的剪切行為在試樣表面開槽，進(jìn)而加劇了材料的磨損．

從磨損形貌上看，磨損碎粒和歪曲形貌對材料表面磨損起重要作用，材料的磨損隨磨損碎粒和歪曲形貌的形成和長大而加?。鄬τ贏356鋁合金，ZTA/A356復(fù)合材料的磨損表面只存在輕微的磨粒磨損，因而磨損率小很多．

圖4 不同材料表面摩擦磨損后的SEM形貌(a)粒度為800～400 μm的ZTA/A356復(fù)合材料；(b)A356鋁合金Fig.4 SEM morphology after friction and wear of different materials (a)800～400μm ZTA/A356 composites；(b)A356 aluminium alloy

3 結(jié) 論

ZTA/A356鋁基復(fù)合材料的摩擦磨損性能遠(yuǎn)好于A356鋁合金．隨著ZTA顆粒粒度的減小，ZTA/A356復(fù)合材料的摩擦磨損性能先下降再提高；當(dāng)ZTA顆粒粒度為800～400，400～100，100～50及50～2 μm 時(shí)，ZTA/A356復(fù)合材料的體積損失量分別為3.08，4.85，5.42和1.86 mm3，復(fù)合材料的體積損失量大約是A356鋁合金體積損失量的四分之一．ZTA/A356復(fù)合材料和A356鋁合金的磨損形貌表明，ZTA/A356復(fù)合材料的摩擦磨損性能遠(yuǎn)高于A356鋁合金．

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