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【高新金属材料(21)】原位铝基复合材料的磨损性能
2020-09-14 09:20:32   来源:中国有色金属报    点击:

来源:中国有色金属报
责编·作者:王祝堂
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图1  MM-2000型摩擦磨损试验机原理示意图
 
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图2 Al-22Si基体分金及其复合材料的磨损试验
 
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图3 Al-22Si基体合金和复合材料的耐磨性能与外加载荷的关系
 
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图4  载荷对基体合金与复合材料摩擦系数的影响
 
  原位铝基复合材料是一种新型的耐磨材料,已获得较为广泛的应用,如发动机活塞、气缸套、转动轴承、汽车刹车盘系统和分油盖等,其中用得较多的是(A12O3+A13Zr)p/Al22Si复合材料。摩擦磨损性能是原位铝基复合材料的重要性能指标,但影响它的因素可不少,有外部因素,也有内部因素。外部因素:载荷、相对滑动速度、滑动距离、温度、表面状态、对磨副和运动形式等;内部因素:原位颗粒种类、颗粒大小、体积分数、基体显微组织等。而且这些因素常常交互作用,互相制约,使得原位铝基复合材料磨损行为研究相当复杂与困难。
 
  ●原位高硅铝基复合材料的摩擦磨损性能
 
  赵玉涛等对这种复合材料耐磨性能作了系统研究,磨损试验用的是国产MM2000型环一块式试验机(图1)。试样尺寸19.5mm×10mm×8mm,对磨面为19.5mm×10mm,对磨副材料为40Cr钢,尺寸Ф50mm×10mm,磨损量以试样磨损前后的质量差表示。
 
  滑动速度0.523m/s,载荷6ON时,(A12O3+A13Zr)/Al-22Si复合材料和Al-22Si铝合金的磨损量和滑动时间的关系见可图2.由图可见,两者的磨损量均随着时间的延长而上升,而且呈线性关系。Al-22Si合金磨损曲线斜率比复合材料的大,说明前者磨损幅度的增加幅度比后者的大。在试验75min后,高Si铝合金的磨损曲线上有一个明显的磨损加剧过程,斜率增大,以后磨损曲线斜率又有所恢复。体积分数5.7%(A12O3+A13Zr)p/Al-22Si复合材料也在75min时出现了此现象,仅是幅度小一些。此现象表明磨损形式发生了变化,剧烈磨损开始了。而其它两种复合材料则直到90 min后才出现此情况,而且幅度甚小。在120min时,体积分数11.2%(A12O3+A13Zr)p/Al-22Si复合材料的磨损量为26.84mg,而Al-22Si合金磨耗量高达60.79mg,为复合材料的2.3倍。这是因为高硅铝合金在磨损后期发生了大块大块的脱落。
 
  ● 载荷对基体合金及其复合材料磨损性能的影响
 
  在滑动速度0.523m/s,每一载荷下滑动磨损60min时,(A12O3+A13Zr)p/Al-22Si复合材料及Al-22Si基体合金的磨损量与外加载荷的关系见图3。由图可见,增加外加载荷,它们的磨损量都随着上升,但是Al-22Si合金的磨损量总大于复合材料的,同时在每一载荷下试验相同时间,后者的磨损量远小于前者的。相应地在同一条件下随原位颗粒体积分数的上升,复合材料磨损量下降。若载荷小于8O N,Al-22Si合金和复合材料磨损量的变化大体呈直线关系,而当载荷大于8O N后,基体Al-22Si合金磨损量急剧增加,试验的三种复合材料也都出现了这样—个临界转变,不过幅度比高硅铝合金的小,而且是颗粒体积分数越大,这种趋势越不明显。
 
  造成上述现象的主要原因有二:一是由于细小原位颗粒的生成和弥散分布提高了复合材料的硬度,阻止磨损亚表面基体合金在外力作用下的塑性流变,降低了复合材料和对磨块之间的黏着作用,导致磨损剧变显著滞后;二是反应生成的增强相颗粒细化且与基体结合紧密,抑制颗粒从基体上脱落,降低了磨粒磨损倾向,加强了复合材料抗黏着和变形能力,从而显著提高了复合材料的耐磨性。当载荷增大到一定程度,大于80N后,高硅铝合金磨面上较大的初生硅在高的表面切应力作用下发生破裂、脱落而不能起到承受载荷功能,导致摩擦面直接与铝基体接触,在高的切应力下发生剥离,引发剧烈磨损。复合材料中的初生硅虽然也发生破碎、脱落,但是还有许多细小的原位颗粒起承载作用,提高了剧变发生所需的载荷。这就是复合材料有优异的耐磨性能的原因。
 
  ● 载荷对Al-22Si合金复合材料摩擦系数的影响
 
  Al-22Si基体合金与(A12O3+A13Zr)p/Al-22Si合金复合材料的摩擦系数与载荷的关系见图4,滑动磨损时间60 min。由图可见,它们的摩擦系数均随着载荷的增加而下降,不过在相同条件下,复合材料的摩擦系数比Al-22Si合金的低。而随着原位颗粒体积分数的上升,(A12O3+A13Zr)p/Al-22Si复合材料的摩擦系数有所下降,但是复合材料摩擦系数的变化幅度小于基体合金的,可见复合材料的摩擦行为比基体合金的稳定。
 
  产生这种情况的原因:载荷增加时,接触面上а-Al微凸体发生塑性变形,初生Si和原位增强颗粒与磨块接触,它们之间的黏着系数比а-Al微凸体的低;当载荷进一步增大时,а-Al微凸体脱落,接触面主要由增强颗粒组成,实际接触面减少,因而基体和复合材料的摩擦材料摩擦系数均随荷上升而下降。再者,随着载荷的增加,原位硬颗粒将钢对磨副磨削所产生的Fe氧化后形成的Fe2O3起润滑作用。原位耐磨增强颗粒引入后,进一步减少了Al合金基体与对磨块之间的接触面积,降低复合材料与对磨副之间的黏着作用,有利于摩擦系数的降低;同时,由于原位颗粒的引入,原位复合材料中初生硅颗粒尺寸也有所减小,因此颗粒对磨副的刮擦作用有较大下降,磨粒磨损对摩擦力的作用就会减小,进而降低摩擦系数。此外,从微观上看,因载荷加大使温度升高而产生的氧比膜增加也对摩擦系数的降低助一臂之力。
 

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