原位颗粒对铝基复合材料组织及磨损性能的影响

原位颗粒对铝基复合材料组织及磨损性能的影响
许萍;王峰;王彦青;刘慧敏
【摘要】采用原位反应近液相线铸造法制备铝基复合材料,分析其铸态组织,测试不同条件下铝基合金的滑动磨损特性.结果表明,原位TiC和Al2O3颗粒对铝合金的铸态组织均具有细化作用.在同等条件下(转速或压力相同)复合材料的磨损性能优于基体材料,这说明原位颗粒的加入显著提高了材料的磨损性能,复合材料比基体的磨损性能提高了1.5～4倍;且复合材料的磨损量随着载荷的增加而增大,随着转速的升高而减小,它在高速低载条件下表现出较好的摩擦磨损特性.
【期刊名称】《轻合金加工技术》
【年(卷),期】2011(039)005
【总页数】5页(P58-62)
【关键词】原位颗粒;铝基复合材料;摩擦磨损
【作者】许萍;王峰;王彦青;刘慧敏
【作者单位】内蒙古工业大学,材料科学与工程学院,内蒙古,呼和浩特,010051;内蒙古工业大学机械学院,内蒙古,呼和浩特,010051;内蒙古工业大学,材料科学与工程学院,内蒙古,呼和浩特,010051;内蒙古工业大学,材料科学与工程学院,内蒙古,呼和浩特,010051
【正文语种】中文
【中图分类】TG146.2;TB331
金属基复合材料通常是把金属材料的优良塑性和增强体承受载荷的能力结合起来［1－4］。

在各种金属基复合材料中，颗粒增强铝基复合材料受到青睐并获得了
长足发展，这是由于颗粒增强铝基复合材料具有高的比强度、比刚度，优良的高温力学性能和耐磨性，并且价格便宜，适于批量生产等优点，在航空航天及汽车工业中得到了广泛应用［5－10］。

颗粒增强铝基复合材料主要应用于汽车部件，如刹车系统(包括刹车盘、刹车片等)、发动机活塞、控制杆、汽缸套、汽缸盖等，这些零件对磨损性能都有一定的要求。

试验采用原位反应近液相线铸造法制备含有原位TiC及Al2O3颗粒的铝基复合材
料［11］，研究其组织变化，探索原位颗粒对铝合金摩擦磨损性能的影响规律。

1 试验材料与方法
1.1 材料的制备
选用的铝基合金为7075和Al-Cu铝合金，对应的原位颗粒分别为TiC和Al2 O3。

采用原位反应近液相线铸造法制备试验用的两种复合材料及其基体合金，其具体过程如下。

(1)将 Ti粉(小于50μm)，石墨粉(小于75 μm)，Al粉(小于75μm)按一定比例在
混粉机内混合均匀，并压制成20 mm×20 mm×15 mm的预制块备用;将坩埚中
的7075铝合金升温至990℃，用石墨钟罩将规定量的预热的预制块压入此合金熔体中，通过原位反应生成TiC颗粒，适当搅拌使其更加均匀地分布于合金熔体中。

待反应完成后降温至730℃并用六氯乙烷和氟硅酸钠精炼除气;当温度降至液相线
温度时，则立即浇入预热的模具中，冷却后就得到TiC/7075复合材料。

采用相同的熔铸工艺参数，制备不含TiC颗粒的7075铝合金作为对比基准。

(2)制备Al2 O3/Al-Cu复合材料及Al-Cu合金的方法同上。

其中发生原位反应生
成Al2O3颗粒的粉末为CuO粉与Al粉，并加入作为引爆剂的Mg粉(以促进
CuO粉与Al粉在高温熔融状态下能自发高效的反应)，混合均匀后压制成预制块备用。

1.2 试验条件
磨损试验在MMW-1型立式万能摩擦磨损试验机上进行。

试验前将两组材料进行固溶+时效处理后，机加工成Ф4.8 mm ×12.7 mm，其中端部半径为4.75 mm 的球冠圆棒状的销试样。

摩擦工作盘由45钢制造，经淬火处理，表面硬度为HRC44，其外径为Φ31.7 mm，内径为Φ16 mm，厚度10 mm。

采用感量为0.1 mg的SP2001电子分析天平称量测定销试样的磨损质量损失。

磨损试验所用的正压力分别是10 N、20 N、30 N、40 N，速度分别是 100
r/min、200 r/min、300 r/min、400 r/min。

2 试验结果与分析
2.1 微观组织
图1 近液相线铸态材料的组织
图1为7075铝合金、TiC/7075复合材料及Al-Cu合金、Al2O3/Al-Cu复合材料的近液相线铸态组织。

图1a是基体7075铝合金的近液相线铸造的铸态组织，其晶粒大，呈蔷薇状，且大小不均;而图1b是经原位反应近液相线铸造所得的
TiC/7075复合材料的铸态组织，其晶粒比图1a的明显细小些，属等轴晶，且大小均匀。

其组织被细化的机制是:因为Ti与Al均为面心立方晶格，所以Ti可作为晶核，使形核率大大增加，所以使晶粒细化。

可见增强相的加入提高了复合材料的磨损性能。

图1c可观察到未加原位颗粒的Al-Cu基体合金组织，基本由蔷薇形晶粒组成，其中含有少量的等轴晶。

如图1d所示，当在合金中加入原位Al2 O3颗粒后，合金组织中等轴晶数量有所增多，表明原位Al2O3颗粒对合金组织具有一定的细化作用，但对合金组织球化的效果不显著。

表明晶粒形貌还与浇注温度及凝固前沿的温度梯度、散热条件等有关。

在相同的温度进行浇注时，加入原位
Al2O3颗粒的Al-Cu合金中的形核数量较单纯的Al-Cu合金要多，但是原位颗粒的加入不能改变晶核的长大方式，也即固液前沿的温度梯度及散热条件没有改变，所以长大以后的晶粒组织的形貌基本相似。

比较图1b与图1d可见，图b的晶粒更细小，且基本呈等轴晶，说明原位颗粒TiC对组织的细化作用比Al2O3的细化
作用强。

图2 TiC/7070及Al2 O3/Al-Cu复合材料XRD衍射图
图2所示是TiC/7075复合材料及Al2O3/Al-Cu复合材料的XRD衍射图。

图2a
是TiC/7075复合材料的X射线衍射谱，根据衍射谱中各衍射峰值所对应的2θ角，查PDF卡片后发现，其中主要是Al、TiC两种物相的X射线衍射特征峰;图2b所
示是Al2O3/Al-Cu复合材料的X射线衍射谱，根据衍射谱中各衍射峰值所对应的2θ角，查PDF卡片后发现，其中主要是Al、CuAl2及Al2 O3等3种物相的X
射线衍射特征峰。

说明原位反应确实生成了TiC颗粒及Al2 O3颗粒。

2.2 颗粒TiC和Al2O3对材料磨损性能的影响
图3为颗粒TiC对材料磨损性能的影响，图3a为未加TiC颗粒时转速和载荷对7075铝合金磨损量的影响，由此图可见，随着转速的增加，7075铝合金的磨损
量逐渐增高，这说明随着转速的增加，基体材料的磨损量均增大，基体材料的磨损性能较差。

图3 转速和载荷对材料磨损量的影响(颗粒为TiC)
图3b为加入TiC颗粒后转速和载荷对TiC/7075复合材料磨损量的影响，由此图
可看到，对于TiC/7075复合材料在4种不同载荷的情况下，其磨损量随转速的变化趋势基本相同，即磨损量先随转速的提高而增加，当转速增加到200 r/min左
右时，磨损质量损失增加到最大值，此时其磨损性能最差;其后随转速的继续增加
磨损量急剧降低，在400 r/min时磨损量最小，此时其磨损性能最好，这说明
TiC/7075复合材料在高速下表现出较好的摩擦磨损特性。

由此可见，TiC/7075
复合材料在高速的情况下磨损性能较好。

分析认为，在干摩擦条件下，大量摩擦热使摩擦副接触表面的形变区域发生回复和再结晶，硬度下降，从而抵消形变强化作用，导致磨损质量损失增大(转速在100 r/min～200 r/min)，在200 r/min时磨
损量达到峰值;随着转速继续增大，磨损表面温度升至足够高，形成氧化膜，完整
而致密的氧化膜作为保护层可隔离摩擦副的直接接触，从而使磨损量随转速的进一步增加而降低。

氧化加剧，氧化层增厚，隔离摩擦副接触的作用进一步增强，故磨损量进一步降低。

图4 转速和载荷对材料磨损量的影响(颗粒为Al2O3)
图4为颗粒Al2 O3对材料磨损性能的影响，图4a为未加Al2O3颗粒时转速和载荷对Al-Cu合金磨损量的影响，由此图可见，随着转速的增加，基体合金的磨损
量逐渐增高，这说明随着转速的增加，基体材料的磨损量均增大，基体材料的磨损性能较差。

图4b为加入Al2O3颗粒后转速和载荷对Al2O3/Al-Cu复合材料磨损量的影响，由此图可看到，对于Al2O3/Al-Cu复合材料，其磨损量随转速的增加基本呈下降趋势(除40 N、300 r/min条件外)，而且在相同条件(相同载荷)下，
Al2O3/Al-Cu复合材料的磨损量始终低于基体的磨损量。

这说明相同磨损条件下，Al2 O3/Al-Cu复合材料的磨损性能要优于Al-Cu合金的，且转速越高，这种优势越明显。

由图3和图4可看出，在相同转速下载荷对7075合金、TiC/7075复合材料及
Al-Cu合金、Al2O3/Al-Cu复合材料磨损量的影响。

随着载荷的增加，四种材料
的磨损量均呈上升趋势。

这是因为低载荷时，复合材料中的硬质颗粒具有承载属性，当软基体在外力作用下被磨损后，颗粒将凸显在试样表面上，承受大部分载荷，有利于阻止软基体直接参与摩擦过程，所以低载荷时复合材料具有较好的磨损性能，但随着载荷的增大，磨面上的颗粒将在高的表面切应力作用下发生破碎，同时表层上一些与基体结合不牢固的颗粒也会从接触面上剥落下来，颗粒因断裂或者脱落不
能承受载荷，导致摩擦面直接与基体合金接触，使得磨损加剧。

由此表明复合材料适合在低载荷摩擦条件下应用。

由图3、图4还可看出，复合材料始终比基体合金的磨损量小，而且基体合金磨损量的上升幅度明显比复合材料的大得多。

譬如由图3可见，当转速为100 r/min 时，基体7075铝合金的磨损量约是TiC/7075复合材料的1.5倍(此转速下取任一状态:如载荷为10 N时，基体材料的磨损量达7.1 mg，而复合材料的磨损量为4.5 mg，基体的磨损量是复合材料的1.58倍;再如载荷为40 N时，基体材料的磨损量达10.4 mg，而复合材料的磨损量为 7.1 mg，基体的磨损量是复合材料的1.46倍);同样由图可见，当转速为400 r/min时，基体7075铝合金的磨损量大约是TiC/7075复合材料的2～4倍，这再次说明复合材料的磨损性能优于基体合金的，这是因为增强颗粒TiC和Al2O3的引入减少了复合材料与对磨件之间的有效接触面积，有效地削弱了粘着磨损;而且增强相的加入使组织均匀细小，提高了复合材料的磨损性能。

可见，原位反应近液相线铸造法生成的TiC、Al2O3颗粒能够有效地提高基体合金的耐磨性能。

3 结论
(1)原位TiC和Al2O3颗粒对铝合金的铸态组织均具有细化作用;在TiC/7075及Al2 03/Al-Cu复合材料的磨损过程中，原位颗粒起支撑作用，使复合材料的磨损性能优于基体合金的磨损性能。

(2)随着外加载荷的增大，TiC/7075及Al2 03/Al-Cu复合材料与基体合金的磨损量均增大，但复合材料磨损量的增大幅度远小于基体合金的;随着转速的升高，复合材料的磨损量减小。

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