王 娟，許小軍，邢文超，王大亮

1.廣東省材料與加工研究所，廣東 廣州 510650；2.廣東東方鋯業(yè)科技股份有限公司，廣東 汕頭 515000；3. 河北坤騰實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，河北 衡水 053000；4. 江蘇雙發(fā)機(jī)械有限公司，江蘇 興化 225700

目前，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料耐磨性的理論研究仍不成熟．本研究通過(guò)擠壓鑄滲法制備了ZTA/A356復(fù)合材料，并對(duì)其耐磨性能及其磨損機(jī)制進(jìn)行了研究．

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原 料

制備復(fù)合材料所選基體為A356鋁合金．ZTA陶瓷微米粉由江蘇宜興購(gòu)得(表1)，將其在1550 ℃下燒結(jié)，最終獲得ZTA陶瓷，其顯微硬度可達(dá)1400 HV、斷裂韌性KIC大于9.0 MPa·m1/2．將ZTA陶瓷進(jìn)行破碎，使其粒度分別為800～400，400～100，100～50和50～2 μm．

表1 ZTA陶瓷粉成分Table 1 Chemical compositions of ZTA powder

1.2 復(fù)合材料制備

首先將ZT陶瓷顆粒通過(guò)熱壓燒結(jié)制備成預(yù)制體，然后采用熔體壓力浸滲的工藝將其與鋁合金進(jìn)行復(fù)合．

圖1為擠壓模具裝置示意圖．首先在模具預(yù)熱爐中預(yù)熱陶瓷預(yù)制體，溫度控制在500～600 ℃，然后將一段鋁合金放置在陶瓷預(yù)制體上，升溫至800 ℃，在外加壓力55～70 MPa下，依靠外加壓力和毛細(xì)管力使熔融液態(tài)金屬沿著預(yù)制體內(nèi)的通道浸滲入陶瓷縫隙內(nèi)部，冷卻后即得到ZTA/A356復(fù)合材料．

圖1 擠壓模具裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the extrusion die device

1.3 檢測(cè)方法

摩擦磨損試驗(yàn)前需對(duì)試樣進(jìn)行處理，用砂紙去除試樣表面的加工痕跡，使其平整、光滑．磨損試驗(yàn)開(kāi)始前先進(jìn)行10 min的預(yù)磨損，目的是使試樣磨合．每次完成磨損試驗(yàn)后的試樣在酒精中超聲清洗、干燥，并用分析天平稱重．摩擦磨損后的復(fù)合材料試樣清洗干凈，在掃描電鏡下觀察其損傷表面形貌．

用UMT-3多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(美國(guó)CETR公司)測(cè)試ZTA/A356復(fù)合材料的耐磨性能，用SEM掃描電鏡觀察摩擦磨損后復(fù)合材料的表面形貌．

2 結(jié)果及討論

2.1 耐磨性能

通過(guò)往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)來(lái)測(cè)試復(fù)合材料的耐磨性能，圖2為不同粒度ZTA/A356復(fù)合材料的體積損失量．從圖2可見(jiàn)：當(dāng)陶瓷粒度分別為800～400，400～100，100～50和50～2 μm時(shí)，ZTA/A356復(fù)合材料的體積損失量分別為3.08，4.85，5.42和1.86 mm3；隨著ZTA顆粒粒度的減小，復(fù)合材料體積損失量呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)，在ZTA增強(qiáng)顆粒粒度為50～2 μm時(shí)，ZTA/A356復(fù)合材料的體積損失量最小，表明材料的耐磨性能好．相比A356鋁合金的體積損失量12.23 mm3，不同ZTA粒度復(fù)合材料的平均體積損失量大約是鋁合金體積損失量的四分之一，表明復(fù)合材料的耐磨性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于鋁合金的．

圖2 不同ZTA粒度的復(fù)合材料體積磨損量1-800～400 μm；2- 400～100 μm；3-100～50 μm；4-50～2 μm Fig.2 Volume wear of composites with different ZTA particle sizes

2.2 摩擦系數(shù)

動(dòng)摩擦系數(shù)與滑動(dòng)摩擦力的大小和彼此接觸物體的相互間的正壓力成正比，其與接觸物的材料、表面光滑程度、干濕程度、表面溫度及相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度等有關(guān)系．

采用主成分法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的三個(gè)變量進(jìn)行因子分析，按照輸出結(jié)果中特征值和貢獻(xiàn)率的大小提取出兩個(gè)公共因子F1和F2。由表2可知，兩個(gè)公共因子的特征值均大于1，且方差累計(jì)貢獻(xiàn)率為100%，大于85%，符合提取公共因子的原則；最后將旋轉(zhuǎn)后的公共因子的方差貢獻(xiàn)率視為權(quán)重，與兩個(gè)公共因子的得分值相乘得出因子綜合得分，該得分作為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)水平的綜合評(píng)價(jià)體系的指標(biāo)值F，計(jì)算公式如公式（1）所示：

圖3 不同粒度的ZTA/A356復(fù)合材料的摩擦系數(shù)1-800～400 μm；2-400～100 μm；3-100～50 μm；4-50～2 μm Fig.3 The friction coefficient of ZTA/A356 composites with different ZTA particle size

圖3為不同粒度的ZTA/A356復(fù)合材料的摩擦系數(shù)．從圖3可見(jiàn)，ZTA粒度為800～400，400～100，100～50及50～2 μm的ZTA/A356復(fù)合材料的摩擦系數(shù)分別為0.526，0.507，0.537和0.340．不同工況下對(duì)ZTA/A356復(fù)合材料的耐磨性要求也不同，有的工況要求耐磨件材料具有高的摩擦系數(shù)和低的磨損量，這時(shí)可選取ZTA粒度為800～400 μm的ZTA/A356復(fù)合材料；而對(duì)于活塞-缸套等耐磨系統(tǒng)，其要求耐磨件材料具有低的摩擦系數(shù)和低的磨損量，此時(shí)可選取ZTA粒度為50～2 μm的ZTA/A356復(fù)合材料．

2.3 摩擦磨損形貌

復(fù)合材料的磨損機(jī)制可以分粘著摩擦磨損、疲勞摩擦磨損和磨粒磨損三個(gè)階段．

圖4為ZTA/A356復(fù)合材料和鋁合金的摩擦磨損形貌．從圖4(a)可以看出：鋁合金基體磨損量遠(yuǎn)大于ZTA顆粒的磨損量，突出表現(xiàn)為ZTA顆粒周圍基體下凹而ZTA顆粒凸出(圖4中A區(qū)域的放大SEM形貌所示)；ZTA表面的犁痕很淺且有很明顯的方向性，而A356鋁合金表面的犁痕很深，磨損量很大，說(shuō)明主要的耐磨承載體是ZTA顆粒．試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，隨著磨損時(shí)間增加，ZTA/A356復(fù)合材料的耐磨性也隨之提高，磨損率也緩慢降低．這是因?yàn)閯傞_(kāi)始磨損時(shí)主要承載體是ZTA顆粒和鋁基體，由于ZTA顆粒的硬度相比鋁基更高，因此在相同時(shí)間內(nèi)，鋁合金基體磨損量遠(yuǎn)大于ZTA顆粒的磨損量，磨損一段時(shí)間后，磨損的主要承載體變?yōu)閆TA顆粒．從圖4(b)可見(jiàn)，A356鋁合金表面含有大量的深的磨損凹槽，而且A356鋁合金摩擦表面的磨損碎粒和歪曲形貌遠(yuǎn)超圖4(a)中ZTA/A356復(fù)合材料表面的磨損碎粒和歪曲形貌(圖4中B區(qū)域的放大SEM形貌所示)．這些歪曲的表面形貌和碎粒是在基體斷裂之后形成的，這是由于在鋼銷與摩擦試樣接觸面形成的碎粒使試樣在摩擦磨損過(guò)程中存在一定的磨粒磨損，且主要是通過(guò)摩擦副接觸面上的剪切行為在試樣表面開(kāi)槽，進(jìn)而加劇了材料的磨損．

從磨損形貌上看，磨損碎粒和歪曲形貌對(duì)材料表面磨損起重要作用，材料的磨損隨磨損碎粒和歪曲形貌的形成和長(zhǎng)大而加?。鄬?duì)于A356鋁合金，ZTA/A356復(fù)合材料的磨損表面只存在輕微的磨粒磨損，因而磨損率小很多．

圖4 不同材料表面摩擦磨損后的SEM形貌(a)粒度為800～400 μm的ZTA/A356復(fù)合材料；(b)A356鋁合金Fig.4 SEM morphology after friction and wear of different materials (a)800～400μm ZTA/A356 composites；(b)A356 aluminium alloy

3 結(jié) 論

ZTA/A356鋁基復(fù)合材料的摩擦磨損性能遠(yuǎn)好于A356鋁合金．隨著ZTA顆粒粒度的減小，ZTA/A356復(fù)合材料的摩擦磨損性能先下降再提高；當(dāng)ZTA顆粒粒度為800～400，400～100，100～50及50～2 μm 時(shí)，ZTA/A356復(fù)合材料的體積損失量分別為3.08，4.85，5.42和1.86 mm3，復(fù)合材料的體積損失量大約是A356鋁合金體積損失量的四分之一．ZTA/A356復(fù)合材料和A356鋁合金的磨損形貌表明，ZTA/A356復(fù)合材料的摩擦磨損性能遠(yuǎn)高于A356鋁合金．

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