體育器材用Ti₂AlC復合材料的磨損性能研究

劉敏

摘要：運用變動加載載荷與滑動速度的方式，達到在現實工作中的使用要求，分析研究了體育器材用Ti₂AIC復合材料的摩擦磨損性能，對表面磨損形態(tài)開展觀察研究，同時研究了它的作用機理。試驗現象表明，這種復合材料的摩擦系數根據滑動速度的升高或者載荷的增加而變小;隨著滑動速度的升高，這種復合材料的磨損率會先減小然后逐漸增加，在滑動速度為4.9m/s時獲得磨損率的最小值;并且這種材料的磨損形式一般為層狀剝落與氧化磨損。

關鍵詞：體育器材;Ti₂AIC復合材料;磨損;形態(tài)

中圖分類號：TQ050.4⁺3文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）07-0027-04

隨著我們國家的經濟快速發(fā)展，體育用品領域產值每年都在不斷增加，每年的綜合增長率為18%，并且每年的增加值占體育行業(yè)整體的79%以上，是世界第二大的體育用品消費市場，行業(yè)競爭異常激烈。現在體育器材都朝著輕型化方向開發(fā)改進，綜合性能良好的復合材料受到了人們的青睞，但磨損性能偏差限制了它更深入的應用。本篇文章把經常使用的TiAIC復合材料作為研究討論的對象，模擬現實中的工作環(huán)境，分析了不一樣的載荷滑動速度下的摩損性能，希望能對制造出性能更好的體育器材提供一定的參考。

1 測試材料與測試方式

通過運用燃燒合成法（英文簡稱為SHS）制備了體育器材用TiAIC復合材料，測試原材料是Ti粉、鋁粉與炭黑這三種材料相結合，遵循2：1：1的比例在球磨機里面進行混料融合，直到原料粉末融合地足夠均勻之后，放置于燃燒合成器里面，我們通過使用電阻絲引燃產生自蔓延反應生成TiAIC復合材料。一般通過燃燒合成法得到的體育器材用TiAIC復合材料經過破碎之后就能夠取得TiAIC粉末。得到的這種粉末的掃描電鏡顯微組織形態(tài)如圖1，它的粉末顆粒一般都表現出片狀或者顆粒狀，平均粒度大約為6.8um。

我們利用在XTXD-2010-80型真空熱壓爐里面對TiAIC粉末實施熱壓燒結處理，其熱壓溫度一般為情況下為900℃，保持溫度的時間為60min，之后隨著真空熱壓爐的自然冷卻至室溫。對進行熱壓燒結生成的體育器材用TiAIC復合材料進行機械加工，機械加工階段一般包含粗加工與精細加工，讓這種復合材料達到成品的使用條件。摩擦磨損測試我們運用SEARCHING賽成摩擦試驗機開展試驗，一般摩擦形式是銷一盤滑動磨損的方法，要注意在摩擦磨損實驗過程過程里面，要求精確控制滑動速度，可以控制在0.4～1.6m/s、載荷一般控制在20、40、60N等其他一些參數數據，摩擦副材料是GCrl5軸承鋼，硬度為62HRC，摩擦磨損后的形態(tài)在inTouchScope觸控式系列掃描電鏡上開展觀測記錄;物相分析研究我們通過帕納科出產的CubiX PROX射線衍射儀開展相關的分析。

2 測試結果與測試分析

體育器材用Ti₂AIC復合材料在不同載荷與不同滑動速度下的摩擦系數測量結果為：我們首先使載荷分別施加20N、40N、60N，滑動速率我們控制在0.8-6.4m/s。能夠明顯得到，當施加的載荷分別為20N、40N、60N時，隨著滑動速度的提升，這種體育器材用復合材料的摩擦系數表現出慢慢變小的趨勢，載荷越小在不變的滑動速度下的摩擦系數就越高，相應的，假如在不變的載荷下的滑動速度越高則摩擦系數就越小。當滑動速度在0.9m/s提高至6.3m/s時，在20N載荷條件下的這種體育器材用復合材料的摩擦系數從0.63減小到減小到0.35;在40N載荷條件下這種體育器材用復合材料的摩擦系數從0.71較小的0.28;在60N載荷條件下的體育器材用Ti₂MIC復合材料的摩擦系數從0.56較小到0.25。我們基于這種情況可以看出，Ti₂AIC這種復合材料的摩擦系數會根據滑動速度的提高或者載荷的提高而慢慢減小。

我們設定載荷為40N不變的測試條件，運用變動滑動速度與滑動距離的辦法，試驗了摩擦系數一滑動距離曲線。我們通過觀察在剛開始的滑動距離環(huán)節(jié)，在不一樣的滑動速度情況下，這種體育器材用復合材料的摩擦系數對急劇升高，之后就會逐漸變得平緩。在摩擦系數趨于平穩(wěn)階段，滑動速度保持在0.8m/s的測試條件下摩擦系數大致都在0.5～0.6的范圍之間，波動振幅相對比較大;當滑動速度設定在1.5m/s時的測試條件下的摩擦系數一般都在0.44左右，波動幅度相對比較小;我們把滑動速度設定在3.1m/s、4.7m/s、6.3m/s時測試環(huán)境下摩擦系數的波動振幅都非常小，這幾種滑動速度測試條件下的的摩擦系數分別在0.3、0.27、0.23左右。這其中的原因一般是因為在剛開始摩擦階段，Ti₂AIC體育器材用復合材料與摩擦副處在磨合時期，在這種條件下的摩擦系數將急劇升高，直到到達穩(wěn)態(tài)摩擦環(huán)節(jié)之后，就會隨著滑動速度的提升，摩擦系數的波動幅度將迅速較小，所以就能達到穩(wěn)態(tài)磨合的階段。

我們通過觀察不一樣的滑動速度荷載測試條件下體育器材用Ti₂AIC復合材料的磨損率變化曲線。隨著滑動速度的的提高，這種體育器材用復合材料的磨損率表現出明顯的先減小然后逐漸升高的趨勢，當滑動速度設定在4.7m/s的測試條件下其獲得了磨損率的最小值。當滑動速度設定在0.7m/s，載荷為20N、40N、60N的測試條件這種體育器材用復合材料的磨損率各為39x 10^-3mm³/m、28×10^-5mm³/m、17×10^-5mm³/m;但滑動速度設定為4.7m/s，載荷為20N、40N、60N的測試條件下，這種體育器材用復合材料的磨損率各為4.1x10^-5mm³/m、3.0×10^-5mm³/m、2.7×10^-5mm³/m;當滑動速度設定在6.3m/s、載荷為20N、40N、60N的測試條件下這種體育器材用復合材料的磨損率各為7.0×10^-5mm³/m、3.1x10^-5mm³/m、3.8×10^-5mm³/m。我們通過結合摩擦系數的試驗結果能夠明顯了解到，當滑動速度與載荷的設定不一樣時，體育器材用Ti₂AIC復合材料的磨損率與摩擦系數的變動幅度都相對很大，但是詳細地摩擦磨損機理還需要更深入的研究。

我們通過設置固定滑動速度為0.7m/s保持不變，運用單獨變動載荷的方式觀察了體育器材用Ti₂AIC復合材料的表面磨損情況，結果如圖2所示。當載荷設定為20N的測試條件下時，這種體育器材用復合材料表面產生了相對比較嚴重的剝落與分層的形貌，在表面局部區(qū)域也能夠看到分層裂紋;我們把在和逐漸提高至40N，在這種測試條件下，局部區(qū)域有很明顯的剝落現象，在這樣的剝落區(qū)域附近還能夠觀察到白色的顆粒狀物質;當載荷提高至60N時，在這樣的測試環(huán)境下，這種體育器材用復合材料表面一般為斷續(xù)的剝落，其中因為每個剝落產生的一個個小坑的尺寸都比較小、并且沒有連接形成片狀，這個時候的剝落磨損程度相比較40N時的磨損程度時輕。我們通過對不同載荷條件下體育器材用Ti₂AIC復合材料的磨損形態(tài)開展觀察可以比較明顯的了解到，磨損形態(tài)的觀察結果和不同滑動速度與載荷測試條件下磨損率曲線的試驗結果是一致的。

對載荷為40N、滑動速度為0.7m/s的測試環(huán)境下體育器材用Ti₂AIC復合材料表面開展能譜分析研究，打點位置如果5（b）。在標明1的位置處能譜分析結果顯示出其主要包括C、O、Fe、Al、Ti與Cr元素，在這里面O元素含量相對最高;在標明2的位置處能譜分析結果顯示出其同樣包括C、O、Fc、Al、Ti與Cr元素，但是需要注意的是氧元素含量相對來說偏低。從標明1的位置處與標明2的位置處進行能譜分析，再結合表面磨損形態(tài)能夠知道，這種體育器材用復合材料在摩擦磨損的過程里面出現了一定程度的氧化現象，并且Fe元素絕大部分來自于摩擦副材料里面。在摩擦速度相對偏低的情況下，這種體育器材用復合材料的磨損形式主要為剝落磨損，在摩擦磨損剛剛開始的階段，起摩擦系數急劇升高，出現了比較多的熱量，所以就導致這種體育器材用復合材料與摩擦副材料之間出現了氧化磨損。我們要注意的是，因為這種體育器材用復合材料本身具有很強的抗氧化性能，像這樣的氧化程度并不是很嚴重。

圖3為不同真空環(huán)境下，GCrl5作為摩擦副，Ti₂AIC的穩(wěn)定摩擦系數改變情況，在這里面兩條曲線各自在0.8m/s與4.8m/s的滑動速度下進行繪制，載荷測試條件為40N，可以看到在不一樣的速度環(huán)境下，摩擦系數都表現為隨著真空程度增加先減小之后增加的趨勢，值得一提的是這樣的變化情況在Ma等關于Ti₃AIC₂的摩擦磨損行為的分析里面也產生過。相比較于Ma等采用的測試要求相比（滑動速度為0.115m/s，3N載荷，摩擦磨損形式為球盤式），本篇文章所使用的速度與載荷等測試條件都相對偏大，所采用的摩擦方法為銷盤式滑動摩擦。在這種情況下，0.8m/s滑動速度的測試條件，其不同真空程度下的摩擦系數為0.57、0.41、0.54，而在4.8m/s滑動速度測試條件下，摩擦系數各自為0.29、0.19、0.30。在摩擦系數一滑動距離曲線里面也明顯的表明，在一致的滑動速度下整體的滑動距離之內，摩擦系數會隨著真空度的增加表現為先減小而后逐漸增加的趨勢。在常規(guī)的大氣環(huán)境下以及高真空度測試環(huán)境下摩擦系數整體水平接近。

3 結語

我們通過實驗可以知道當載荷測試條件各自為20N、40N、60N時，隨著滑動幅度的提升，體育器材用Ti₂AIC復合材料的摩擦系數表現出持續(xù)減小的趨勢，載荷越小在相同的滑動速度下就會出現摩擦系數也越大的情況;隨著滑動速度的提高，體育器材用Ti₂AIC復合材料的磨損率表現出先減小之后逐漸增加的趨勢，在滑動速度為4.7m/s時會獲得磨損率的最小值;體育器材用Ti₂AIC復合材料很重要的特點是其磨損形式絕大多數都為層狀剝落與氧化磨損。