Si含量对铝基复合材料摩擦性能的影响

 董志翔1,2,3  杨  茜1,2,3  杨永顺1,2,3

（1．河南科技大学材料科学与工程学院；2．有色金属共性技术河南省协同创新中心；3．河南省有色金属材料科学与加工技术重点实验室）

摘要采用粉末冶金法制备Si颗粒增强铝基复合材料，在不同的载荷条件下进行干摩擦试验，研究增强相Si含量对材料摩擦性能的影响。结果表明，增强相Si的加入有效提高了复合材料的摩擦性能；随着Si含量的增加，摩擦因数和磨损量均先减小后增大，当Si含量达到12%时，其摩擦性能最好。通过SEM和EDX分析铝基复合材料磨损表面，其磨损机制主要为磨粒磨损和氧化磨损。

关键词  铝基复合材料，颗粒增强，摩擦磨损

中图分类号  TG146. 21; TB3 31 DOI:10. 15980/j．tzzz. 2016. 05. 022

 颗粒增强铝基复合材料具有低密度、高比强度和比刚度、低热膨胀系数的特点，在汽车工业、航天工业等领域得到广泛应用。复合材料中添加增强相不仅能优化材料的力学性能，还使得材料具有优异的耐磨性能。已经有公司将颗粒增强复合材料应用在刹车盘、活塞等高速摩擦器件上，如日本丰田汽车和德国高铁，不仅效果好，而且寿命长。美国Duraican公司研制出的Si C。增强铝基复合材料汽车制动盘，在汽车减重的同时，提高了其耐磨性，而且噪声明显减小，得到广泛好评。徐向阳等、付俊波等采用快速凝固技术制备铝基复合材料制造的汽车发动机活塞和汽缸，应用到解放牌汽车上，取得了良好效果。陈跃等研制的颗粒增强铝基复合材料刹车摩擦盘的耐磨性比基体合金提高了3个数量级。

 颗粒增强材料的增强相有Si C、Si、B4C、WC、TiB2等，增强颗粒镶嵌在基体中，能够细化晶粒，阻碍晶粒长大，提高其强度和耐磨性能。其中Si不仅价格低廉，在摩擦过程中表层Si颗粒细化能够稳定摩擦因数，还使得机械混合层的硬度提高而使材料耐磨性增强，所以得到最多的研究。本课题重点研究了Si含量对铝基复合材料摩擦性能的影响，为铝基材料的应用提供参考。

1  试验方法

1.1材料制备

 试验合金采用粉末冶金法制备。基体材料选用6061AI粉，颗粒大小为200目，成分见表1。增强相Si粒度大小为200目，纯度为99. 9%，Si颗粒形貌见图1，呈多面体块状的不规则形状。增强相Si含量分别为0、4%、8%、12%、16%、20%。

 采用Y型混料机混料，球料比为5:1，混粉时间为8h，将混合粉末在500 M Pa压力下进行冷压，制成尺寸为ɸ32 mm×25 mm的试样，随后放入管式炉中烧结，烧结温度为853 K，烧结时间为3h，烧结过程通人保护气体。烧结后将试样进行热挤压，挤压温度为733K，挤压速度为1mm/s，挤压比为4:1，随后进行T6热处理。

1.2性能测试

 将试样块加工成尺寸为≠5 mm×15 mm的圆柱形试样。对磨盘45号钢的尺寸为+75 mm×10 mm。采用QG~700型摩擦磨损试验机，销一盘式摩擦方式进行干滑动摩擦磨损试验。对磨盘转速为600 r／min，旋转半径为15 mm。试验前用800号砂纸抛光试样和对磨盘表面。采用杠杆机构加载，载荷为10.5、2.5 N。每种工况下进行3次试验，通过扭力传感器测得摩擦力，并计算得到摩擦因数，取稳定部分平均值为平均摩擦因数。试验前后试样用丙酮超声波清洗，吹干后用精度为0. 01 mg的分析天平称量，计算质量损失。采用磨损率(W r)描述待测材料的耐磨性能：

 采用JSM-5610LV型扫描电镜对铝基复合材料磨损表面及亚表面形貌进行分析观察，并通过EDX能谱分析磨损表面及其亚表面的元素组成。

2  试验结果和分析

2.1微观组织和力学性能

 图2是经过挤压和热处理后试样的SEM照片。从图2a可以看出，增强相Si均匀分布在基体材料中，基体和增强相之间的空隙较少，增强相之间无明显团聚。当Si含量为20%时，从图2b看出，增强相Si分布不均匀，部分Si颗粒长大，基体和增强相中有较多的空隙。

 复合材料的抗拉强度和硬度见表2。从表2可以看出，随着增强相Si含量的增加，抗拉强度和硬度均先增加后减小，当Si含量为12%时，力学性能最佳。

2.2 Si含量对复合材料摩擦性能的影响

 图3为不同载荷条件下复合材料与45号钢干摩擦时的摩擦因数和磨损量。从图3a可以看出，低载荷下复合材料的摩擦因数要高于高载荷下的，两种载荷下的摩擦因数随增强相Si含量变化趋势一致。Si含量为0时，摩擦因数最大；随着Si含量的增加，摩擦因数随之减小，当Si含量达到12%时，两种载荷条件下的摩擦因数均达到最小，随着Si含量的继续增加，摩擦因数反而增大。加入Si后摩擦因数比未加入的小，这说明Si对于材料有明显的减摩作用。

从图3b看出，高载荷时的磨损量要大于低载荷时的磨损量；两种载荷下的磨损量随着增强相Si含量增加的趋势相同；磨损量先随着Si含量的增加而降低，当Si含量达到12%时磨损量最小，当Si含量继续增加，磨损量反而增加。

 磨损量与增强相Si含量之间的变化趋势与摩擦因数和增强相Si含量的变化趋势相同，说明增强相Si的加入不仅能提高材料减摩性，也提高了耐磨性。当增强相Si含量为12%时，材料的摩擦性能最好。

2.3磨损表面形貌分析

 颗粒增强复合材料的摩擦磨损实质是复合材料中硬质相对磨盘的刮擦和磨盘微凸体对基体的摩擦作用，复合材料和偶件表面的相互犁削，导致复合材料和对磨盘摩擦表面体积损失。增强相在摩擦过程中暴露在材料表面，有效地承担起垂直压力，减少了软基体与对磨盘的接触，同时增强颗粒也阻碍了基体塑性变形，增强相的增加减少了金属粘结作用，从而提高了材料的摩擦性能。图4为低载荷下不同Si含量的铝基复合材料的磨损表面形貌。从图4a看出，磨损表面有明显的犁沟划痕，这是由对磨盘中硬质相对基体刮蹭引起的，此时磨损类型主要为磨粒磨损。

 但当Si含量超过12%时，摩擦性能降低。这是由于增强相增多，使基体与增强相之间的结合力变差。在摩擦剪切力的作用下，增强相脱离基体，并产生大量碎屑。同时，增强相的增加使得烧结、热处理过程中基体中的Si元素在增强相周围团聚，产生大颗粒的Si，在垂直压力作用下易被压碎，脱离基体，从而降低复合材料的摩擦性能，见图4b、图4c，此时磨损表面基体塑形流动增加，金属粘结作用增多，摩擦因数增大，也使得磨损量增加。

 图5为高载荷下增强相Si含量为12%时复合材料的摩擦表面形貌及能谱。在高载荷条件下，少量的Si颗粒在压力作用下破碎脱离基体，夹杂在试样块和对磨盘中间参与摩擦，在试样和对磨盘中间产生由Fe、Al及其氧化物组成的混合物。混合物被压入较软的铝基体上，形成一层薄而硬的混合物层，称之为机械混合层，见图5b。试样表层含有Fe和O，这是由对磨盘材料、基体材料和其氧化物共同组成的混合层。这种混合层的硬度大，对基体的保护作用更好。高载荷条件下摩擦表面温度高，摩擦垂直压力大，机械混合层更容易产生，所以高载荷时摩擦因数比低载荷时摩擦因数小。但是由于形成机械混合层时产生较多的碎屑，导致体积损失增加，并且由于机械混合层本身脆而硬，容易断裂，所以高载荷条件下磨损量比低载荷条件下的大。

 图6为高载荷下增强相Si含量为20%的铝基复合材料摩擦表面形貌和能谱。随着Si含量增加，机械混合层的保护效果减弱。从图6b可知，表面的O元素含量增大。增强相含量增加导致磨损碎屑增多，机械混合层中氧化物增多，使得混合层脆性增大更易脱落，也会使与之压合在一起的基体剥落，在摩擦表面留下大量的片状脱落层（见图6b），从而导致摩擦性能降低。

3  结  论

 (1)随着Si含量的增加，复合材料的摩擦因数和磨损量先减小后增大；Si含量为12%时，摩擦性能最好。

 (2) Si/6061Al复合材料在高载荷条件下的摩擦因数要小于低载荷条件下的，但磨损量比低载荷条件下大；不同载荷下的摩擦因数随Si含量的变化趋势一致。

 (3) Si／6061Al复合材料的磨损类型主要为磨粒磨损和氧化磨损。随着Si含量和载荷的增加，磨损类型由磨粒磨损变为氧化磨损，当在高载荷条件下Si含量为20%的Si/6061AI复合材料摩擦表面氧化最严重。