体育器械用SiC改性铝基复合材料组织与性能研究

齐佳 周红燕

摘要：文章主要是对SiC改性铝基复合材料的组织和性能进行研究，为了得到体积分数不同的SiC改性铝基复合材料，借助粉末挤压法来参与本次试验。着重分析了复合材料本身硬度、在显微镜下的形状外貌、摩擦系数和磨损程度受体积分数不同的SiC的影响。结果发现SiC/2024铝基复合材料中SiC颗粒体积分数与复合材料硬度呈正比，前者增加，后者硬度也增大。但当0.7-0.8为平均摩擦系数时，出现减小的是磨损体积、短轴宽度、磨痕长轴宽度以及表面磨痕深度。椭球面状为所形成的磨损形貌。

关键词：体育器械;SiC;复合材料;耐磨性能;磨损形貌

中图分类号：TQ050.4+3

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2019）08-0024-04

体育器械以轻便为佳，科技的发展带动了体育器械的创新。体育器械正向着高密度和高强度的方向转变。比如合金类的体育器械。近年来铝合金在体育器械中使用率不断攀升[1]。为了提高促进体育器械的进一步发展，国内外开始向铝基复合材料方向研究。以下就是笔者借助试验的方式对SiC改性铝基复合材料组织与性能的分析情况。

l 试验材料分析

本次试验所用材料为2024铝合金粉末（粒径在45μm）、SiC颗粒。其中构成铝合金粉末的成分主要是4.2%的Cu、1.3%的Mg、0.56%的Mn、0.1%的Fe、0.13%的Si、0.05%的Zn，剩下的为Al。SiC颗粒外观缺少规则性，平均出尺寸在15.25μm之间，3.2g/cm³为SiC颗粒的密度。

2 试验方法分析

为了获取体积分数不一样的SiC铝基复合材料，采用粉末热挤压方法。规格如表l所示。

砂纸打磨体积分数不一样的铝基复合材料，砂纸型号为60-2000#，后行抛光处理，工具为金刚石研磨膏。随后行腐蚀处理，试剂为Keller，观察时借助光学显微镜。行硬度测试时需要借助的设备为HB-3000型布氏硬度计，加载荷载和保持荷载时间在一定范围内，分别为62.5kg、30s[2]。随后行磨损试验，妥善设置荷载、频率、振幅和对磨时间。磨损外形测量采用表面形貌仪，型号为Form Talysurf PGI 800。

3 试验结果分析

体积分数不一样的SiC/2024铝基复合材料的金相组织如图1所示。

从上图中可以看出，黑灰色SiC颗粒出现最多的情况是在SiC体积分数为10时，此时SiC颗粒呈现出相对均匀的分布特点，显微空隙没有被发现[3]。显微空隙呈现增加的情况是在SiC体积分数增加到15%时，显微空隙出現在SiC颗粒团聚位置（上图箭头所指位置）。当SiC颗粒体积分数不断增加时，原有的显微空隙数量和SiC颗粒团聚数量也呈现增加趋势。SiC颗粒体积分数为25%时，显微空隙和SiC颗粒团聚数量增加到最大。

硬度测试结果如图2所示。

由上图2可以发现，硬度是86HB时，此时铝基材料中没有添加SiC颗粒。经过处理后，不同SiC体积分数对应的硬度如表2所示。

上述表格可见，SiC/2024铝基复合材料中SiC颗粒体积分数与复合材料硬度呈正比，前者增加，后者硬度也增大。其原因在于增加了SiC颗粒体积分数，材料抗局部形变能力提升，硬度提升。

图3为不同体积分数下SiC/2024铝基复合材料的摩擦系数。

上图发现不同梯度的SiC/2024铝基复合材料，所保持的摩擦系数均在0.7-08之间，变化不明显。这对有关文献显示铝基复合材料硬度增加时，摩擦系数出现明显变化存在一定差异性，只是发生了较小变化，呈现出硬度增加，摩擦系数相对减少的趋势[4]。但是伴随不断增多的SiC颗粒数量，整体的摩擦系数表现出来的变化幅度不明显。

统计体积分数不同下的SiC/2024铝基复合材料的磨损体积，发现总体的磨损体积呈现逐渐减小的变化，其原因在于复合材料硬质SiC相在体积分数不断增加的情况下，含量也不断增加，铝基体和SiC颗粒在不断增大的界面面积下，对磨损力的抵抗作用越来越强[5]。

图4为体积分数不一样的数SiC/2024铝基复合材料的磨损宽度和深度情况。

上图4发现SiC颗粒体积分数与磨损宽度和深度成负相关关系，前者增大，后者会出现降低。并且当SiC颗粒体积分数同15%增加到20%时，期间磨痕深度减小的程度稍稍变缓。其磨痕深度变化与磨损体积的变化存在相似性，都与SiC颗粒体积分数变化相一致。

观察不同体积分数下铝基复合材料的磨损外貌，结果发现椭球面状是不同体积分数下铝基复合材料的主要磨损外貌。其中根据形态好颜色的不同，可以分成不同的区域[6]。其中磨痕中心部位的区域I，该区域成黑色块状突起状，外表光滑，可能与塑性变形和重复性碾压有关。区域I的附近就是区域Ⅱ，其该区域表面是不平滑的，并且有小凹坑存在。两侧磨痕位置为区域Ⅲ，出现犁沟，呈平行方向分布。分析其原因与刮擦和犁削有关。如图5所示。

4 结语

综上所述，SiC/2024铝基复合材料中SiC颗粒体积分数与复合材料硬度呈正比，前者增加，后者硬度也增大;SiC/2024铝基复合材料中SiC颗粒体积分数的增加，呈现出来的磨损体积不断减小，且不同体积分数下的铝基复合材料，摩擦系数均保持在0.7～0.8[7]，在SiC颗粒体积不断增大的情况下，出现减小的不仅是磨损体积，还有短轴宽度、磨痕长轴宽度以及表面磨痕深度。此外最终所形成的磨损外模为椭球面状。

参考文献

[1]江伟，张敏，体育器械用SiC改性铝基复合材料组织与性能研究[J].铸造技术，2018，39（1）：163-165+169.

[2]童慧，胡正飞，张振，等.SiC改性及其在铝基复合材料中的应用[J].金属功能材料，2015，22（1）：53-60.

[3]王小红，叶宇，汪姝，等.钻杆用铝基复合材料中SiC/Al界面润湿性研究进展[J].新技术新工艺，2017，（4）：1—6.

[4]吴星平，石锦罡，吴昊，等，真空搅拌铸造制备SiC颗粒增强ADC12铝基复合材料及其力学性能表征[J].材料工程，2014，（1）：6-11.

[5]刘君，唐鑫，胡坤，等.A206铝基复合材料钨极惰气保护焊接研究[J].热加工工艺，2018，47（2）：162-165，169.

[6]李勋，柏帆，付余，等.高体积比铝基SiC复合材料的铣磨试验研究[J].航空制造技术，2017，（ 1）：24-28.

[7]梁星海，李晓谦，黎正华，等.SiCp/7085复合材料制备工艺及实验研究[J].热加工工艺，2016，45（4）：104-107.