SiC含量對SiCp/Al復合材料摩擦性能的影響

徐保海，劉聯(lián)軍?，車明超，李 利

西安航空制動科技有限公司粉末冶金廠，興平 713100

隨著科學技術與社會的發(fā)展，因具有優(yōu)異的力學性能，金屬基復合材料的應用逐漸從航空航天領域向汽車、高速列車等交通領域過渡。在鋁基復合材料中加入SiC、Al2O3等陶瓷顆粒，可提高鋁基復合材料的綜合性能，可替代質量偏大的鐵基摩擦材料或銅基摩擦材料，成為新一代輕型摩擦材料。鋁基復合材料還被用于軌道交通和車輛制動盤的研究中，降低制動過程中產生的剎車能量[1–2]。

SiCp/Al復合材料因具有密度低、比剛度高、比強度高、耐腐蝕、耐磨損以及導熱性能優(yōu)異等特點得到長遠發(fā)展[3–6]。目前，制備SiCp/Al復合材料的方法主要包括固相法和液相法，但都存在一些不足，如攪拌熔鑄技術制備的SiCp/Al復合材料界面結合性差，SiC顆粒增強體在鋁基體中分布不均勻，且材料性能差；離心鑄造技術工藝成熟度低，不適于批量化生產；噴射沉積技術等新型制備技術均存在技術不成熟，工藝過程無法控制等缺點[7–10]。相較而言，粉末冶金技術制備SiCp/Al復合材料技術成熟。本文采用粉末冶金技術制備SiCp/Al復合材料，對材料微觀結構及摩擦磨損性能進行研究，探討SiC含量（質量分數(shù)）對鋁基復合材料性能的影響，為拓展鋁基復合材料的應用提供參考。

1 實驗材料及方法

1.1 試樣制備

實驗采用鋁粉、碳化硅、硅粉、電解銅粉和錳粉為主要原材料。按表1配比配制4種混合粉料，在雙錐形混合機中混合4～6 h，將混合均勻的粉料制成尺寸為20 mm×15 mm×5 mm的壓坯。將壓坯置于鐘罩式加壓燒結爐內并在氫氣保護氣氛中進行加壓燒結，燒結溫度580 ℃，燒結壓力為0.5～0.8 MPa，保溫時間為2～2.5 h，燒結完成后冷卻至≤60 ℃，出爐。

表1 SiCp/Al復合材料的配比組成（質量分數(shù)）Table 1 Composition of the SiCp/Al samples %

1.2 性能表征

采用X射線衍射儀（X-ray diffraction，XRD；SHIMADZU 7000S，日本）對試樣的物相進行分析；使用TG328B型分析天平和HRF-150型洛氏硬度計分別測定試樣的密度和硬度；利用德國威格（VEGA）公司的TS5136型掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀測試樣的微觀形貌；在MM-3000型摩擦磨損性能試驗臺上進行摩擦磨損性能試驗，試驗條件為慣量0.15 kg·m2，壓力0.7 kN，轉速3583 r·min?1，制動盤材料為HT200灰鑄鐵。

2 結果與討論

2.1 物相分析

圖1為SiCp/Al復合材料的X射線衍射圖譜。從圖中可看出，在不同含量SiC摻雜Al基復合材料中Al的衍射峰均都尖銳且很高，說明Al的結晶度高，純度較好；X射線衍射圖譜還表明少量的Al和SiC反應可生成新物質Al4C3。當SiC質量分數(shù)為10%時，Al4C3衍射峰較低，并且峰型較寬，說明生成Al4C3較少且結晶程度不高；隨著SiC質量分數(shù)逐漸增加至20%時，Al4C3衍射峰明顯變高，峰型尖銳，表明Al4C3結晶程度得到了明顯的改善，含量也較多；當SiC質量分數(shù)增加至25%時，出現(xiàn)了較多的雜峰，Al4C3衍射峰無明顯的變化。同時從圖中還可以看出，當SiC質量分數(shù)為15%～25%時，衍射峰無明顯的變化，這可能是由于大量的Al4C3物質聚集在SiC顆粒的表面，具有一定的厚度，導致X射線無法深度穿透，產生了無明顯變化的衍射峰。

圖1 SiCp/Al復合材料的X射線衍射圖譜Fig.1 XRD patterns of the SiCp/Al composites

2.2 密度分析

圖2為SiCp/Al復合材料的密度曲線。從圖中可以看出，當SiC質量分數(shù)為10%時，試樣的密度為2.815 g·cm?3，隨著SiC含量繼續(xù)增加，試樣密度沒有明顯變化。當SiC質量分數(shù)增加至25%時，密度呈現(xiàn)下降的趨勢，這是因為當SiC超過一定量時，SiC不能再完全被鋁基體包裹，且在混料過程中，SiC顆粒易于同塑性較好的鋁基體粘附形成“勁圈”[11]，增大SiC顆粒團聚的可能性，導致在壓制過程中阻礙了鋁基體的變形流動，無法填充顆粒之間的空隙，從而降低了SiCp/Al復合材料的密度。因此，在本研究條件下，鋁基復合材料選擇SiC質量分數(shù)不宜超過20%。

圖2 SiCp/Al復合材料的密度曲線Fig.2 Density curve of the SiCp/Al composites

2.3 硬度分析

圖3為SiCp/Al復合材料的硬度曲線。從圖中可以看出，SiCp/Al復合材料的布氏硬度隨著SiC含量的增加呈先增長后減小的趨勢。當SiC質量分數(shù)為20%時，硬度達到最大值（HBW 114），這可能是由于適量SiC顆?？稍鰪婁X基復合材料的硬度，而且粉末冶金法制備的SiCp/Al復合材料混合料均勻度高，在加壓燒結過程中，能有效約束鋁基體和SiC顆粒的流動形變，使鋁基體形成回復、再結晶過程，同時SiC顆粒的釘扎效應會阻礙晶粒的長大，細化晶粒，從而提高SiCp/Al復合材料的硬度[12]。當SiC顆粒質量分數(shù)為25%時，試樣的密度較低，基體形變的能力增強，孔隙率增加，從而使試樣的硬度值降低。

圖3 SiCp/Al復合材料的硬度曲線Fig.3 Hardness curve of the SiCp/Al composites

2.4 微觀形貌分析

圖4為SiCp/Al復合材料微觀形貌圖。當SiC質量分數(shù)為10%時，SiC顆粒在鋁基體中非均勻分布，存在少量團聚現(xiàn)象，且SiC之間也沒有Al潤濕其中，這是由于SiC顆粒的粒徑小于Al，較少的含量也降低了流動性而導致的。當SiC質量分數(shù)為15%時，鋁基體能包裹住SiC顆粒，但由于SiC顆粒表面張力大，與熔融態(tài)的Al潤濕行為差而存在明顯的界面。從圖4（c）中可看出，當SiC質量分數(shù)為20%時，SiC顆粒較好地與鋁基體鑲嵌在一起，顆粒分布均勻，致密性良好，無明顯的孔洞，且在SiC表面附著一種連續(xù)性物質，這種物質被證明是一種C和Al組成的Al4C3化合物，這與X射線衍射能譜分析結果表述一致。當SiC質量分數(shù)增加至25%時，鋁基體呈片狀結構，試樣內部孔隙明顯，脫落的SiC孔洞與Al呈現(xiàn)出非連續(xù)性的表面，這可能是因為在燒結過程中，鋁基體顆粒逐漸黏合，邊緣處過量的SiC顆粒被推移在一起，使孔隙率增加，密度降低，從而導致SiC顆粒與基體結合性變差。通過微觀形貌分析認為SiC質量分數(shù)20%為最佳含量。

圖4 添加不同質量分數(shù)SiC的SiCp/Al復合材料的掃描電子顯微形貌：（a）10%；（b）15%；（c）20%；（d）25%Fig.4 SEM images of the SiCp/Al composites with different mass fraction of SiC: (a) 10%; (b) 15%; (c) 20%; (d) 25%

2.5 摩擦磨損性能分析

圖5為SiCp/Al復合材料與HT200制動盤組成摩擦副的平均摩擦系數(shù)曲線。從圖中可以看出，當SiC質量分數(shù)為10%時，平均摩擦系數(shù)約為0.2866；隨著SiC含量的增加，平均摩擦系數(shù)逐漸增大，在SiC含量為20%時達到最大，約為0.3425。這與適量的SiC質量分數(shù)和微觀組織有關，摩擦組元SiC能緊密地鑲嵌在鋁基體中，在摩擦過程中防止鋁基體的劃傷，從而提高了平均摩擦系數(shù)。當SiC質量分數(shù)為25%時，摩擦系數(shù)不穩(wěn)定且降低至0.3018左右。分析認為，密度越低，結構越松散，SiC顆粒越易于脫落，摩擦過程中磨粒磨損越嚴重，顆粒摩擦作用不顯著，使磨損量增加。圖6為SiCp/Al復合材料的磨損量曲線，從圖中可以看出，當SiC質量分數(shù)在10%～20%變化時，磨損量基本保持不變，其中當質量分數(shù)為20%時，磨損量為0.034 cm3·MJ?1，但當質量分數(shù)增加至25%時，磨損量急劇增加，這與上述分析結構保持一致。

圖5 添加不同質量分數(shù)SiC的SiCp/Al復合材料的摩擦系數(shù)曲線Fig.5 Friciton coefficient curves of the SiCp/Al composites with different mass fraction of SiC

圖6 SiCp/Al復合材料的磨損量曲線Fig.6 Wear rate curve of the SiCp/Al composites

2.6 摩擦磨損形貌分析

圖7為SiCp/Al復合材料摩擦磨損后表面形貌。從圖7（a）中可以看出，摩擦表面較為平整，以淺細劃痕為主，耐磨性較好，這是由于SiC顆粒含量較少，對鋁基體形成的切削能力較弱。圖7（b）中摩擦表面比較粗糙，犁溝淺且寬度較窄，表面不平整，出現(xiàn)了SiC顆粒剪切被剝落的痕跡，質量磨損率未增加的原因可能是摩擦磨損過程中磨屑在機械力的作用下粘附在材料表面所致。圖7（c）中犁溝少而淺，摩擦表面平整且逐漸趨于光滑，表明了SiC顆粒鑲嵌于鋁基體比較合理，結合強度很高，很難被摩擦過程的剪切力拔出，因而平均摩擦系數(shù)穩(wěn)定且較高。圖7（d）中磨損表面的犁溝劃痕很深且很寬，刮削作用顯著，這是由于不規(guī)則的SiC顆粒易于團聚且質量分數(shù)較大而導致的，同時還可能與伴有其他物質的產生有關，但目前還未有相關報道指出這類物質的化學組分，這有待進一步的研究。

圖7 添加不同質量分數(shù)SiC的SiCp/Al復合材料的摩擦表面形貌：（a）10%；（b）15%；（c）20%；（d）25%Fig.7 Wear surface morphology of SiCp/Al composites with different mass fraction of SiC: (a) 10%; (b) 15%; (c) 20%; (d) 25%

3 結論

（1）利用粉末冶金法制備SiCp/Al復合材料時，SiC顆粒表面明顯形成Al4C3化合物，隨著SiC質量分數(shù)增加，SiCp/Al復合材料的密度沒有明顯的變化，當SiC質量分數(shù)增加至25%時，密度明顯下降；

（2）隨著SiC質量分數(shù)的增加，SiCp/Al復合材料的布氏硬度呈先增長后減小的變化趨勢，當SiC質量分數(shù)為20%時，硬度達到最大值（HBW 114），此時材料的密度最高，綜合性能達到最佳；

（3）當SiC質量分數(shù)為20%時，SiCp/Al復合材料與HT200制動盤組成摩擦副，在慣量0.15 kg·m2、壓力 0.7 kN、轉速 3583 r·min?1條件下，平均摩擦系數(shù)可達到 0.3425，磨損量為 0.034 cm3·MJ?1，摩擦后試樣表面形貌平整且犁溝較淺，SiC顆粒未出現(xiàn)明顯剝落。