顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料摩擦磨損性能的研究.pdf

1、本論文結(jié)合863計劃項(xiàng)目“鋁基梯度復(fù)合材料的制備技術(shù)及其在制動部件中的應(yīng)用研究”，研究SiC顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料的制備過程和摩擦磨損特性，為研究和拓展顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用提供參考。研究采用Al-Si系合金作為基體，SiC顆粒作為復(fù)合材料的增強(qiáng)相，采用新型噴射沉積裝置，制備了SiCp/Al-7Si，SiCp/Al-17Si，SiCp/Al-20Si，SiCp/Al-20Si3Cu和SiCp/Al-20Si4.5Cu五種梯度復(fù)合材

2、料，并對沉積錠坯進(jìn)行熱壓致密化，以改善材料的各種性能，材料中SiC顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0％-30％之間連續(xù)梯度分布。采用MG-2000型高速高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，對比研究了不同硅含量和不同銅含量的梯度復(fù)合材料在不同外加載荷和滑動轉(zhuǎn)速下沉積與熱壓坯件的室溫摩擦磨損性能；在此基礎(chǔ)上研究了SiCp/Al-17Si和SiCp/Al-20Si3Cu梯度復(fù)合材料在不同環(huán)境溫度(50℃、100℃、150℃、200℃)下的磨損性能；并通過掃描電子顯微鏡研究了

3、梯度復(fù)合材料的表面及次表面的磨損形貌。
　　 通過系統(tǒng)的試驗(yàn)研究得到如下結(jié)論：
　　 (1)采用新型噴射沉積技術(shù)所制備的梯度復(fù)合材料中，SiC顆粒的分布沿錠坯軸向從底部到頂部逐漸增多，呈梯度分布；沉積坯錠經(jīng)過熱壓致密化后，硬度和耐磨性都有所上升。隨著SiC顆粒含量的逐漸增加，材料的硬度也逐漸增大，梯度變化明顯。
　　 (2)室溫條件下，所制備的梯度復(fù)合材料的摩擦系數(shù)都不同程度的隨轉(zhuǎn)速和載荷的增大而減小，在同一載荷

4、和轉(zhuǎn)速下，材料的摩擦系數(shù)隨SiC含量的梯度變化不太明顯；摩擦系數(shù)與SiC顆粒和基體的結(jié)合強(qiáng)度相關(guān)，表明熱壓材料的摩擦系數(shù)一般都比沉積材料的高；硅含量對材料摩擦系數(shù)的影響不是太明顯，而銅的添加使得材料的硬度和摩擦系數(shù)都有所提高。
　　 (3)室溫條件下，外加載荷和轉(zhuǎn)速對材料磨損率的影響都比較顯著，存在明顯的從輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變的臨界轉(zhuǎn)變值；各復(fù)合材料的磨損率在同一轉(zhuǎn)速和載荷情況下都會隨SiC含量的逐漸增多而依次減小，與SiC顆

5、粒的含量變化一致。不同基體硅含量的材料相比，當(dāng)硅含量為17wt％，銅含量為0wt％時，該梯度復(fù)合材料不管沉積態(tài)還是熱壓態(tài)，磨損率都是最小的；不同基體銅含量的材料相比，當(dāng)硅含量為20wt％，銅含量為3wt％時，該梯度復(fù)合材料的磨損性能是最好的。
　　 (4)環(huán)境溫度對SiCp/Al-17Si和SiCp/Al-20Si3Cu兩種梯度復(fù)合材料耐磨性能的影響比較相似，實(shí)驗(yàn)溫度從50℃～200℃，兩種梯度復(fù)合材料的摩擦系數(shù)都隨溫度的增加先

6、降低后增大，且兩種材料摩擦系數(shù)的轉(zhuǎn)變都是在溫度150℃的情況下，SiC含量的梯度變化對材料的摩擦系數(shù)影響不太明顯。兩種梯度復(fù)合材料的磨損率隨溫度的增加先增大后減小，最后又增大，在溫度150℃時，兩種材料的磨損率都出現(xiàn)突增，都存在著明顯的從輕微磨損到嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變。兩種梯度復(fù)合材料的磨損率與SiC顆粒的梯度含量相關(guān)，隨著SiC含量的增加材料的磨損率相應(yīng)降低，梯度變化非常明顯。
　　 (5)室溫條件下，梯度復(fù)合材料的磨損過程可以分為

7、三個階段：首先是輕微磨損，此階段主要以磨粒磨損為主；其次是機(jī)械混合層(MML)的形成，這一階段由于混合層的保護(hù)，材料的磨損率有所降低，主要以粘著磨損為主，伴隨有輕微的氧化磨損；最后是機(jī)械混合層的剝落期，此階段磨損率出現(xiàn)突增，主要以剝層磨損為主。高溫條件下，磨損形式與室溫相似，但是材料發(fā)生嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變值有所提前，在前期主要是磨粒磨損和粘著磨損共同作用，后期以氧化磨損和剝層磨損為主。經(jīng)過一段時間的摩擦實(shí)驗(yàn)后，不同材料次表面形成的機(jī)械混合層