熔铸-原位合成TiC7075复合材料的摩擦磨损性能

材料
磨损体积△V(10-6m3)
磨损率
7075 3%TiC/7075 5%TiC/7075 8%TiC/7075
4.775 2.20 1.923 1.43
28.65 13.20 11.54 8.58
图4（a）和（b）给出了7075铝合金及TiC/7075复合材料在恒定的施加载荷(20N)、磨损 时间(10min)及滑动速度(0.3m/s)下体积磨损量和体积磨损率随着TiC颗粒含量的变化曲线。 从图中可以明显的看出， 复合材料的体积磨损量和磨损率均随着TiC颗粒含量的增加而降低。 复合材料硬度的变化造成了其磨损率的变化。根据经典的Archard磨损理论，材料的磨损率 与其硬度成反比。 所以, 本研究中随着TiC颗粒含量的增加， 复合材料的硬度升高, 其体积磨 损率逐渐降低。8%TiC/7075复合材料与7075铝合金相比，其磨损体积量减少了70% ，前者 硬度比后者提高了72%。分析认为，一方面基体随着TiC颗粒含量的增加，材料的硬度明显 提高（表1）。另一方面原位生成的TiC颗粒减少了摩擦表面上基体合金被粘着区域的面积， 而且还可以承载大部分的载荷。所以TiC颗粒强化基体和阻碍材料塑性变形的能力在一定范 围内随着颗粒含量的增加而增加。
w w V = 2πR r 2 sin −1 − 4r 2 − w 2 2r 4
(
)
0.5

（1）
式中，V－样品的磨损量（体积损失），m3；R－磨痕半径，mm；r－球的半径，mm；w－ 磨痕的宽度，mm。磨损率以单位时间内的磨损量表示，即磨损率＝磨损体积(m3)/磨损时间 (h)。
S.P. Ringer 等人[10]分析了增强颗粒对复合材料晶界的钉扎作用， 得出平均晶粒尺寸 D 可 表示为：
D= 1 d ⋅ K f
（2）
式中 K 为颗粒的影响系数， d 为颗粒尺寸， f 为颗粒的体积分数。可见，TiC颗粒的尺寸 d 愈小、颗粒的体积分数 f 愈大，最终得到的基体晶粒尺寸愈小。
3. 试验结果及讨论
3.1 材料的硬度
7075铝合金及3、5、8%TiC/7075复合材料的硬度如表1所示。从表1中可以明显的看出， 与未加颗粒的合金相比，TiC/7075复合材料的硬度随着TiC颗粒含量的增加而增加。这是由 于：（1）随TiC颗粒含量的增加，基体晶粒变细（图1）；（2）TiC颗粒阻碍了位错的运动， 使位错产生塞积，导致变形抗力增加。
1. 引 言
颗粒增强铝基复合材料以优良的综合力学性能在汽车、高速机械、飞机、航天、运输以 及运动器材中得到广泛的应用[1-6]。TiC/7075 复合材料的抗拉强度、弹性模量等力学性能优 异[7-8]，作为抗磨材料或减摩材料使用时，在航空航天、汽车结构件等领域都具有非常广阔 的应用前景。本文主要研究了熔铸-原位合成 TiC/7075 复合材料的耐磨性，以期揭示原位合 成 TiC 颗粒含量以及施加载荷、滑动速度等外部摩擦磨损因素对材料耐磨性能的影响。
2.2.2 载荷对 TiC/7075 复合材料摩擦磨损性能的影响 图 5 为 7075 铝合金及 8% TiC/7075 复合材料的磨损率在恒定的滑动速度(0.2m/s)、摩擦 时间(10min)的情况下随着施加载荷变化的关系曲线。从图 5 可以看出，无论是 7075 铝合金 还是 TiC/7075 复合材料的体积磨损量和体积磨损率均随着施加载荷的增加而增加。图中显 示，从 10N 到 40N 的施加载荷，7075 铝合金体积磨损的增加量要小于复合材料体积磨损的 增加量。通过比较还可以看出，在 10N 的低载荷下，TiC/7075 复合材料的磨损率低于 7075 铝合金， 而在 40N 的高载荷下， TiC/7075 复合材料的磨损率却高于 7075 铝合金。 这是因为， 随着载荷的增加，材料的温度有所升高，导致材料软化，所以体积磨损量增加；而且随着载 荷的增加， 能够使摩擦表面金属的塑性流动和转移增加， 试样和对磨件真实接触面积和接触 的微凸体数增加，使得粘着磨损增加。同时 TiC 颗粒在较高的载荷下可能破碎。这些破碎的
(a)
(b)
(c)
(d)
图 3 7075 铝合金和不同颗粒含量的 铝合金和不同颗粒含量的 TiC/7075 复合材料磨痕的 复合材料磨痕的 SEM 形貌
-3-

（a）7075（b）3%TiC/7075（c）5%TiC/7075（d）8%TiC/7075 Fig.3 Grinding crack SEM images of 7075 alloy and TiC/7075 composites with different TiC contents （a）7075（b）3%TiC/7075（c）5%TiC/7075（d）8%TiC/7075 表 2 7075 铝合金和不同颗粒含量的 TiC/7075 复合材料的磨损数据 Table 2 Wear data of 7075 alloy and TiC/7075 composites with different TiC contents
50
40
Volume wear rate
30
20
10
0 0 2 4 6 8
TiC Content(wt.%)
图4
7075 铝合金和TiC/ 7075复合材料的体积磨损率随TiC颗粒含量的变化曲线 颗粒含量的变化曲线
Fig.4 The volume wear rate of TiC/7075 composites as a function of TiC contents
-4-

TiC 颗粒失去了支撑载荷的能力，增强了磨损粒子的磨损作用。由于材料的表层和亚表层的 塑性变形增大，表面损伤增加，最终导致了材料磨损率的增加。与此同时，在铝基体近磨面 的区域产生了很大的应力，导致表面下裂纹源的产生。在滑动磨损过程中，这些裂纹扩展并 连接在一起形成了裂纹。破碎的 TiC 颗粒加速了这种表面下的破坏过程。
60
50
Diameter ( μm )
40
30
20
10
0 0 2 4 6 8
TiC Content(wt.%)
图 2 熔铸-原位 TiC/7075 复合材料的晶粒尺寸随 TiC 颗粒含量的变化曲线 Fig.2 The grain size of TiC/7075 composites as a function of TiC contents
2. 试验材料及方法
采用纯度≥99.5wt%、粒度分别＜45µm，＜45µm 和＜75µm 的工业钛粉，碳粉，铝粉为 原位合成材料。按 Ti：C：Al＝16：4：1 的比例（质量比）称取 Ti、C、Al 粉末，在自制 的倾斜式混料机中混合至均匀。室温下单向压制成直径 20mm，高为 30mm 的预制块，压制 压力约 50MPa。压块随后放入 101-2 型电热鼓风干燥箱内 200℃烘干除气 1h。 基体选用 7075 铝合金，成分（质量分数）为：Al-5.59%Zn-2.44%Mg-1.62%Cu。在中频 感应电炉内熔化 5kg 的 7075 铝合金， 过热度约为 200℃。 用石墨钟罩分别将占基体重量 3%、 5%、8%的 Ti-C-Al 预制块压入基体熔体中，使其反应生成 3、5、8%TiC/Al 的复合熔体。随 后，复合材料熔体经充分搅拌并降温至 730℃时用六氯乙烷（C2Cl6）精炼除气，最后用金属 模浇铸成铸锭。铸锭经机加工后进行热挤压，挤压温度为 410℃，挤压速度为 5m/min，挤 压比为 25:1，最终挤压成φ20mm 棒材。热处理工艺：固溶温度为 475℃，保温 1.5h，水淬 冷却后采用 120℃保温 24h 的时效处理制度。 球-盘滑动摩擦磨损实验在 UMT 显微力学测试仪 （Universal Micro-Tribometres） 上进行。 盘型样品由 3、 5、 8%TiC/7075 复合材料和未加颗粒的 7075 铝合金制成。 样品被加工成 Φ20mm ____________________________________

原位合成 TiC/7075 复合材料的摩擦磨损性能
孙淼 ，杨滨 ，许存官 ，崔向中 ，王锋
1
2 3
1
1, 2
1
1
3
北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京 (100083) 中国科学院国际材料物理中心，沈阳 (110016)
北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点实验室，北京 (100083) E-mail: byang@
摘 要：本文采用熔铸-原位合成法制备了 3-8%TiC/7075 复合材料（质量百分数，下同）， 并对其摩擦磨损性能进行了研究。结果表明，TiC 颗粒的形成具有细化晶粒的作用，对基体 的硬度和耐磨性有很大的改善作用。 随着 TiC 颗粒含量的增加， 复合材料的体积磨损率减少 （耐磨性提高）。在低载荷下（10N），熔铸-原位合成 8%TiC/7075 复合材料的耐磨性优于 7075 铝合金。然而，在高载荷下（40N），8%TiC/7075 复合材料的耐磨性却低于 7075 铝合 金， 表明附加载荷对颗粒增强金属基复合材料的耐磨性有很大的影响。 研究表明， 固定载荷， 增 加 滑动 速度 ， 7075 铝 合 金 和 8%TiC/7075 复 合 材料 的耐 磨 性均 呈下 降 的趋 势， 但 8%TiC/7075 复合材料的耐磨性下降幅度低于 7075 铝合金。 关键词： 关键词：原位合成，TiC/7075 复合材料，硬度，摩擦磨损 中图分类号： 中图分类号：TG302.3
(a)
(b)
(c)
(d)
图 1 7075 铝合金和不同颗粒含量 TiC/7075 复合材料的 SEM 形貌
-2-

（a）7075（b）3%TiC/7075（c）5%TiC/7075（d）8%TiC/7075 Fig.1 SEM images of 7075 alloy and TiC/7075 composites with different TiC contents （a）7075（b）3%TiC/7075（c）5%TiC/7075（d）8%TiC/7075