體育器械用SiC改性鋁基復(fù)合材料組織與性能研究

齊佳 周紅燕

摘要：文章主要是對SiC改性鋁基復(fù)合材料的組織和性能進(jìn)行研究，為了得到體積分?jǐn)?shù)不同的SiC改性鋁基復(fù)合材料，借助粉末擠壓法來參與本次試驗(yàn)。著重分析了復(fù)合材料本身硬度、在顯微鏡下的形狀外貌、摩擦系數(shù)和磨損程度受體積分?jǐn)?shù)不同的SiC的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)SiC/2024鋁基復(fù)合材料中SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)與復(fù)合材料硬度呈正比，前者增加，后者硬度也增大。但當(dāng)0.7-0.8為平均摩擦系數(shù)時(shí)，出現(xiàn)減小的是磨損體積、短軸寬度、磨痕長軸寬度以及表面磨痕深度。橢球面狀為所形成的磨損形貌。

關(guān)鍵詞：體育器械;SiC;復(fù)合材料;耐磨性能;磨損形貌

中圖分類號(hào)：TQ050.4+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2019）08-0024-04

體育器械以輕便為佳，科技的發(fā)展帶動(dòng)了體育器械的創(chuàng)新。體育器械正向著高密度和高強(qiáng)度的方向轉(zhuǎn)變。比如合金類的體育器械。近年來鋁合金在體育器械中使用率不斷攀升[1]。為了提高促進(jìn)體育器械的進(jìn)一步發(fā)展，國內(nèi)外開始向鋁基復(fù)合材料方向研究。以下就是筆者借助試驗(yàn)的方式對SiC改性鋁基復(fù)合材料組織與性能的分析情況。

l 試驗(yàn)材料分析

本次試驗(yàn)所用材料為2024鋁合金粉末（粒徑在45μm）、SiC顆粒。其中構(gòu)成鋁合金粉末的成分主要是4.2%的Cu、1.3%的Mg、0.56%的Mn、0.1%的Fe、0.13%的Si、0.05%的Zn，剩下的為Al。SiC顆粒外觀缺少規(guī)則性，平均出尺寸在15.25μm之間，3.2g/cm³為SiC顆粒的密度。

2 試驗(yàn)方法分析

為了獲取體積分?jǐn)?shù)不一樣的SiC鋁基復(fù)合材料，采用粉末熱擠壓方法。規(guī)格如表l所示。

砂紙打磨體積分?jǐn)?shù)不一樣的鋁基復(fù)合材料，砂紙型號(hào)為60-2000#，后行拋光處理，工具為金剛石研磨膏。隨后行腐蝕處理，試劑為Keller，觀察時(shí)借助光學(xué)顯微鏡。行硬度測試時(shí)需要借助的設(shè)備為HB-3000型布氏硬度計(jì)，加載荷載和保持荷載時(shí)間在一定范圍內(nèi)，分別為62.5kg、30s[2]。隨后行磨損試驗(yàn)，妥善設(shè)置荷載、頻率、振幅和對磨時(shí)間。磨損外形測量采用表面形貌儀，型號(hào)為Form Talysurf PGI 800。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

體積分?jǐn)?shù)不一樣的SiC/2024鋁基復(fù)合材料的金相組織如圖1所示。

從上圖中可以看出，黑灰色SiC顆粒出現(xiàn)最多的情況是在SiC體積分?jǐn)?shù)為10時(shí)，此時(shí)SiC顆粒呈現(xiàn)出相對均勻的分布特點(diǎn)，顯微空隙沒有被發(fā)現(xiàn)[3]。顯微空隙呈現(xiàn)增加的情況是在SiC體積分?jǐn)?shù)增加到15%時(shí)，顯微空隙出現(xiàn)在SiC顆粒團(tuán)聚位置（上圖箭頭所指位置）。當(dāng)SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)不斷增加時(shí)，原有的顯微空隙數(shù)量和SiC顆粒團(tuán)聚數(shù)量也呈現(xiàn)增加趨勢。SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)為25%時(shí)，顯微空隙和SiC顆粒團(tuán)聚數(shù)量增加到最大。

硬度測試結(jié)果如圖2所示。

由上圖2可以發(fā)現(xiàn)，硬度是86HB時(shí)，此時(shí)鋁基材料中沒有添加SiC顆粒。經(jīng)過處理后，不同SiC體積分?jǐn)?shù)對應(yīng)的硬度如表2所示。

上述表格可見，SiC/2024鋁基復(fù)合材料中SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)與復(fù)合材料硬度呈正比，前者增加，后者硬度也增大。其原因在于增加了SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)，材料抗局部形變能力提升，硬度提升。

圖3為不同體積分?jǐn)?shù)下SiC/2024鋁基復(fù)合材料的摩擦系數(shù)。

上圖發(fā)現(xiàn)不同梯度的SiC/2024鋁基復(fù)合材料，所保持的摩擦系數(shù)均在0.7-08之間，變化不明顯。這對有關(guān)文獻(xiàn)顯示鋁基復(fù)合材料硬度增加時(shí)，摩擦系數(shù)出現(xiàn)明顯變化存在一定差異性，只是發(fā)生了較小變化，呈現(xiàn)出硬度增加，摩擦系數(shù)相對減少的趨勢[4]。但是伴隨不斷增多的SiC顆粒數(shù)量，整體的摩擦系數(shù)表現(xiàn)出來的變化幅度不明顯。

統(tǒng)計(jì)體積分?jǐn)?shù)不同下的SiC/2024鋁基復(fù)合材料的磨損體積，發(fā)現(xiàn)總體的磨損體積呈現(xiàn)逐漸減小的變化，其原因在于復(fù)合材料硬質(zhì)SiC相在體積分?jǐn)?shù)不斷增加的情況下，含量也不斷增加，鋁基體和SiC顆粒在不斷增大的界面面積下，對磨損力的抵抗作用越來越強(qiáng)[5]。

圖4為體積分?jǐn)?shù)不一樣的數(shù)SiC/2024鋁基復(fù)合材料的磨損寬度和深度情況。

上圖4發(fā)現(xiàn)SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)與磨損寬度和深度成負(fù)相關(guān)關(guān)系，前者增大，后者會(huì)出現(xiàn)降低。并且當(dāng)SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)同15%增加到20%時(shí)，期間磨痕深度減小的程度稍稍變緩。其磨痕深度變化與磨損體積的變化存在相似性，都與SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)變化相一致。

觀察不同體積分?jǐn)?shù)下鋁基復(fù)合材料的磨損外貌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)橢球面狀是不同體積分?jǐn)?shù)下鋁基復(fù)合材料的主要磨損外貌。其中根據(jù)形態(tài)好顏色的不同，可以分成不同的區(qū)域[6]。其中磨痕中心部位的區(qū)域I，該區(qū)域成黑色塊狀突起狀，外表光滑，可能與塑性變形和重復(fù)性碾壓有關(guān)。區(qū)域I的附近就是區(qū)域Ⅱ，其該區(qū)域表面是不平滑的，并且有小凹坑存在。兩側(cè)磨痕位置為區(qū)域Ⅲ，出現(xiàn)犁溝，呈平行方向分布。分析其原因與刮擦和犁削有關(guān)。如圖5所示。

4 結(jié)語

綜上所述，SiC/2024鋁基復(fù)合材料中SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)與復(fù)合材料硬度呈正比，前者增加，后者硬度也增大;SiC/2024鋁基復(fù)合材料中SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加，呈現(xiàn)出來的磨損體積不斷減小，且不同體積分?jǐn)?shù)下的鋁基復(fù)合材料，摩擦系數(shù)均保持在0.7～0.8[7]，在SiC顆粒體積不斷增大的情況下，出現(xiàn)減小的不僅是磨損體積，還有短軸寬度、磨痕長軸寬度以及表面磨痕深度。此外最終所形成的磨損外模為橢球面狀。

參考文獻(xiàn)

[1]江偉，張敏，體育器械用SiC改性鋁基復(fù)合材料組織與性能研究[J].鑄造技術(shù)，2018，39（1）：163-165+169.

[2]童慧，胡正飛，張振，等.SiC改性及其在鋁基復(fù)合材料中的應(yīng)用[J].金屬功能材料，2015，22（1）：53-60.

[3]王小紅，葉宇，汪姝，等.鉆桿用鋁基復(fù)合材料中SiC/Al界面潤濕性研究進(jìn)展[J].新技術(shù)新工藝，2017，（4）：1—6.

[4]吳星平，石錦罡，吳昊，等，真空攪拌鑄造制備SiC顆粒增強(qiáng)ADC12鋁基復(fù)合材料及其力學(xué)性能表征[J].材料工程，2014，（1）：6-11.

[5]劉君，唐鑫，胡坤，等.A206鋁基復(fù)合材料鎢極惰氣保護(hù)焊接研究[J].熱加工工藝，2018，47（2）：162-165，169.

[6]李勛，柏帆，付余，等.高體積比鋁基SiC復(fù)合材料的銑磨試驗(yàn)研究[J].航空制造技術(shù)，2017，（ 1）：24-28.

[7]梁星海，李曉謙，黎正華，等.SiCp/7085復(fù)合材料制備工藝及實(shí)驗(yàn)研究[J].熱加工工藝，2016，45（4）：104-107.