喷射沉积SiCP/Al—Si复合材料干滑动磨损性能的研究

滕杰　赖仕祯　邹金伟　伍豪杰　黄瑞明

摘 要：采用喷射沉积法制备SiCP体积分数为15%，Si质量分数分别为7%，13%和20%的SiCP/AlSi复合材料，并经热挤压致密化加工.采用环块式摩擦试验机对复合材料的干滑动摩擦磨损性能进行了测试分析，滑动速度为1 m/s，外加载荷分别为10，50，100，120，150、200和220 N，同时对摩擦层的显微组织和形貌以及复合材料磨损机制进行了分析.结果表明，随着复合材料基体中Si含量的增加，复合材料的磨损性能增强，在低载荷下，复合材料主要以氧化磨损和磨粒磨损为主，在高载荷下，磨损机制则转变为粘着磨损，但对于SiCP/Al20%Si复合材料仍以氧化磨损为主，并伴有轻微的粘着磨损.

关键词：SiCP/AlSi复合材料；喷射沉积；热挤压；干滑动磨损；磨损机制

中图分类号：TB331 文献标识码：A

Dry Sliding Wear Properties of Spray Formed and Hot

Extruded SiCp /AlSi Composites

TENG Jie，LAI Shizhen， ZOU Jinwei，WU Haojie，HUANG Ruiming

（College of Materials Science and Engineering，Hunan Univ.Changsha，Hunan 410082，China）

Abstract：Aluminiumbased composites containing 7%， 13% ，20%Si contents and 15vol% of SiCp were fabricated by spray deposition technique and followed by hot extrusion. The dry sliding wear performance of SiCP/AlSi composites was investigated. Dry sliding wear tests have been performed using a blockonring type apparatus under different normal loads of 10， 50， 100，120，150，200 and 220 N and at a constant sliding speed of 1 m/s. The microstructures， morphologies and phases of worn Surfaces were analyzed by optical microscope （OM）， scanning electron microscope （SEM） and energydispersive Xray microanalysis （EDX）， respectively.The results have shown that Al20%Si/SiCp composite has better wear properties in the applied load range and the transition load increases with silicon content increasing. At low test load （50 N）， the main wear mechanism is oxidation wear and abrasive wear for three composites. Adhesive wear becomes the main wear mechanism for SiCp/Al7Si at 120 N and SiCp/Al13Si at 200 N. But for SiCp/Al20Si at 220 N， the main wear mechanism is still oxidation wear， and has a minor adhesive wear.

Key words： SiCP/AlSi composite； spray deposition； hot extruded；dry sliding wear； wear mechanism

节能、减排、轻量化的发展趋势大大促进了轻质高强度材料在汽车中的发展和应用^{[1].SiCP/AlSi复合材料具有高比强度、比刚度、优良的耐磨性、低的热膨胀系数和低密度的优点，在汽车的一些耐磨部件上已得到成功应用（如刹车盘、刹车片、发动机活塞和气缸套、连杆等），并受到世界各国研究者越来越多的关注[2].研究发现复合材料的制备技术是影响材料自身耐磨损性能的一个重要因素[3].SiCP/AlSi复合材料的制备方法通常有搅拌铸造法、粉末冶金法和喷射沉积法等.传统的搅拌铸造法制备SiCP/AlSi复合材料时，难以避免初晶硅粗大以及增强颗粒易团聚等问题，严重影响了复合材料的性能.粉末冶金法存在生产过程复杂、成本高，难以在实际生产中得到广泛应用等不足.喷射沉积法作为一种非平衡制备技术，具有快速凝固和近净成形的特点，制备出的SiCP/AlSi复合材料初晶硅颗粒细小、增强颗粒均匀分布.但是通过喷射沉积法制备的复合材料常常存在一些孔隙[4]，需通过热挤压或热扎制等塑性变形的方法来减少或消除孔隙，从而进一步提高复合材料的力学性能和耐磨损性能.增强颗粒的尺寸大小是影响复合材料耐磨损性能的另一个重要因素[5]，过大的增強颗粒在基体内容易产生应力集中，且在外加载荷的作用下，容易开裂破碎，严重影响复合材料的耐磨性能.已有的对于复合材料干滑动摩擦磨损性能的研究，多侧重于常规制备方式以及低Si含量条件下复合材料的摩擦磨损性能及其磨损机制[6-9].}

本论文主要对比研究低Si和高Si含量的SiCP/AlSi复合材料的磨损性能，增强颗粒采用小尺寸的SiC颗粒.通过喷射沉积技术制备出Si质量分数分别为7%，13%，和20%的SiCP/AlSi复合材料，并经热挤压加工，采用SAE5200轴承钢作对偶材料进行干滑动磨损试验.

1 试验方法

1.1 复合材料的制备

实验所用复合材料的基体化学成分见表1，其中SiC增强颗粒体积分数为15%，平均粒度为4.5 μm.采用文献[10]所示的设备制备出直径为160 mm，高为300～400 mm的坯料，然后在1 250 t热挤压机上（温度为723 K，挤压比为17.3∶1）挤压成120 mm×120 mm，厚为10 mm的薄板块，随后取样并进行T6热处理，对热处理后的试样进行力学性能测试和显微组织观察.

1.2 磨损试验

将热处理后的试样机械加工成尺寸为5 mm×10 mm×10 mm的块状试样，摩擦对偶为SAE5200轴承钢环.采用环块对磨方式进行干滑动摩擦磨损试验，外加载荷分别为10，50，100，120，150，200和220 N下，干滑动速度恒为1 m/s，滑动距离4 000 m.每次测试前用600#金相砂纸将试样和对偶环磨面磨至粗糙度Ra 0.15±0.05 μm，并在丙酮溶液中经超声波清洗干净.磨损量以试样磨损前后的质量差来计算，采用电子分析天平测量，精度为0.1 mg.通过OM，SEM，EDX对摩擦层显微组织、形貌和成分进行观察.

2 试验结果和分析

2.1 微观组织和力学性能

3种不同Si含量的复合材料显微组织如图l所示.初晶硅颗粒（亮灰色）尺寸细小且分布较均匀，这是由于喷射沉积技术的冷却速度快，通常达到10～102 K/s，初晶硅相来不及长大，无粗大初晶硅相生成^{[11]，且其数量随基体中硅含量的增加而增加，同时还可以看出SiC颗粒呈无规则分布且无明显团聚.图2为3种复合材料的初晶硅平均颗粒尺寸，由图2可知SiCP/Al7Si，SiCP/Al13Si和SiCP/Al20Si复合材料中初晶硅颗粒的平均尺寸分别为1.72±0.52 μm，2.2±0.88 μm和2.33±0.91 μm.}

表2为复合材料的拉伸强度和硬度，从表中可知，复合材料的的抗拉强度和硬度随着基体中Si含量的增加而增加.其中，SiCP/Al20Si复合材料的抗拉强度和布氏硬度与SiCP/Al7Si复合材料相比，分别提高14%和30%.

2.2 干滑动摩擦磨损性能

正常摩擦状态下，3种复合材料的摩擦系数基本稳定在0.2～0.3之间，低于文献[12]中的摩擦系数0.5～0.6.但SiCP/Al7Si在120 N，SiCP/Al13Si复合材料在200 N时，其摩擦系数急剧上升到0.4～0.5，此时发生严重粘着磨损，并导致较大噪声和振动.

图3为各复合材料不同载荷下的磨损率.由图可以看出，3种复合材料的磨损率都随外加载荷的增加而增加，但SiCP/Al20Si复合材料的磨损率随载荷增大而增大幅度小于其他两种复合材料，同时在相同载荷下SiCP/Al20Si复合材料的磨损率也小于其它两种复合材料.在载荷小于100 N时，SiCP/Al7Si和SiCP/Al13Si复合材料的磨损率的变化基本相近：在载荷为10～50 N时，磨损率随载荷的增加先慢慢增大；在载荷为50～100 N时，磨损率几乎保持不变.当载荷增加至120 N时，SiCP/Al7Si复合材料的磨损率突然增大，此时出现严重粘着磨损.当载荷为100～200 N时，SiCP/Al13Si复合材料的磨损率仍保持平稳增长，并在200 N时出现严重粘着磨损.故SiCP/Al7Si和SiCP/Al13Si复合材料的最大实验载荷分别定为120 N和200 N.载荷在小于200 N时，SiCP/Al20Si复合材料的磨损率变化与载荷的增加几乎呈线性关系.当载荷为220 N时，SiCP/Al20Si复合材料的磨损率也突然增大，此时出现轻微粘着磨损.由图3可以看出，随着复合材料基体Si含量的增加，其临界转变载荷也逐渐增加.在复合材料中大量的初晶硅起到耐磨和支撑载荷的作用，从而保护“软”基体免受对磨材料的磨损；随着基体中Si含量的增加，复合材料由轻微磨损阶段向严重磨损阶段的临界转变载荷增大，造成这种现象的原因可能是由于细小的初晶硅颗粒的均匀分布提高了材料的硬度，阻碍磨损表面在外力作用下产生塑性流变的速度，降低了复合材料和对磨环之间的粘着作用，从而使磨损由轻微磨损阶段向严重磨损阶段转变明显推迟.

载荷/N

2.3 磨损表面和磨屑分析

复合材料磨擦表面形貌如图4所示.从图4（a），（c）可以看出，在低载荷（50 N）时，处于轻微磨损阶段，复合材料磨损表面存在大量的犁沟，并沿着干滑动摩擦方向分布.这是由于此时以轻微磨粒磨损为主，对磨钢的硬质点嵌入到基体的软质点中，造成犁削作用，产生的磨屑进入摩擦表面对基体产生切削.另外从图4（a）中还可以看出，磨损表面裂纹的生长方向与干滑动方向相垂直，增大载荷时，将造成更多的碎片从基体中分离出来，导致磨损率进一步增大，这与图3中的曲线相吻合.在图4（b），（d）中，可以观测到磨损表面发生了塑性变形，说明磨损由轻微磨损阶段转为严重磨损阶段.图4（f）中的磨损表面较平滑，并带有许多小孔洞.

磨屑的形貌如图5所示.在低载荷下，SiCP/Al7Si和SiCP/Al13Si复合材料存在长杆状的磨屑（图5（a），（c）），这是因为在轻微磨损阶段以磨粒磨损为主，由磨粒的边缘切削材料所形成的磨屑.SiCP/Al20Si复合材料的磨屑为小块状（图5（e）），磨损情况较好.在高载荷下，磨屑形貌为带有锐边的片状颗粒（图5（b），（d），（f）），是典型的的粘着磨损，表明复合材料存在塑性形变.

（a） SiCP/Al7Si at 50 N； （b） SiCP/Al7Si at 120 N

（c） SiCP/Al13Si at 50 N； （d） SiCP/Al13Si at 200 N

（e） SiCP/Al20Si at 50 N； （f） SiCP/Al20Si at 220 N

2.4 磨损机制

研究表明^{[13-14]铝基复合材料与钢质对偶摩擦过程中，粘着磨损至复合材料严重粘附在钢质摩擦对偶表面是导致复合材料摩擦磨损失效的一个主要机制.基体中的硬质颗粒如初晶硅、碳化硅颗粒主要起承接摩擦载荷和保护基体的作用，同时在一定程度上阻止基体的变形.从图4和图5可知3种复合材料在轻微磨损阶段，磨粒磨损是其主要的磨损机制.同时在低载荷时，从图6（a），（c），（e）可以很清楚地观测到存在一定的氧含量，外露的磨损表面发生了氧化磨损，所以轻微磨损阶段氧化磨损是另一种主要磨损机制.随着摩擦载荷的增加，3种复合材料表现出不同的磨损特征.SiCP/Al7Si和SiCP/Al13Si复合材料由于硅含量相对较低，其组织中初晶硅数量较少，对基体的保护作用较弱，复合材料摩擦表面易发生较严重的塑性变形，如图4（b），（d）和图5（b），（d）所示.另外，摩擦表面的氧含量明显减少（图6（b），（d））也意味着摩擦层稳定性较差，此时SiCP/Al7Si和SiCP/Al13Si复合材料以粘着磨损为主，并出现复合材料向对偶材料的转移，如图7（a），（b）所示.SiCP/Al20Si复合材料基体中初晶硅含量高，对基体的保护和延缓基体变形的能力较强，即使在严重磨损阶段，其摩擦表面仍未出现严重的塑性变形，向摩擦对偶转移的程度大大降低，如图7（c）所示.此时SiCP/Al20Si复合材料存在轻微的粘着磨损，磨损表面的氧含量高（图6（f）），图4（f）中存在的孔洞也说明存在着氧化磨屑[15].因此SiCP/Al20Si复合材料在严重磨损阶段仍以氧化磨损为主，并伴有轻微的粘着磨损.}

（a） SiCP/Al7Si at 50 N； （b） SiCP/Al7Si at 120 N

（c） SiCP/Al13Si at 50 N； （d） iCP/Al13Si at 200 N

（e） SiCP/Al20Si at 50 N； （f） SiCP/Al20Si at 220 N

3 结 论

由喷射沉积法制备出SiCP/AlSi复合材料，并经热挤压加工，经T6热处理后，对复合材料的干滑动磨损性能进行了试验分析，得出以下结论：

1） 由于喷射沉积法冷却速度快，制备出的SiCP/AlSi复合材料中的初晶硅晶粒细小，2 μm左右，增强颗粒分布均匀.

2） 随着基体中Si含量的增加，SiCP/AlSi复合材料的磨损率随着减小，并且磨损由轻微磨损阶段向严重磨损阶段的临界载荷值增大.SiCP/Al20Si复合材料在所有相同试验载荷下磨损率都最低.

3） 在轻微磨损阶段，SiCP/AlSi复合材料磨损机制以磨粒磨损和氧化磨损为主；在严重磨损阶段，SiCP/Al7Si和SiCP/Al13Si复合材料存在严重的塑性形变，磨损机制以粘着磨损为主，而对于SiCP/Al20Si复合材料磨损机制则以氧化磨损为主并伴有轻微的粘着磨损.

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