SiC含量对SiCp/Al复合材料摩擦性能的影响

徐保海，刘联军✉，车明超，李 利

西安航空制动科技有限公司粉末冶金厂，兴平 713100

随着科学技术与社会的发展，因具有优异的力学性能，金属基复合材料的应用逐渐从航空航天领域向汽车、高速列车等交通领域过渡。在铝基复合材料中加入SiC、Al2O3等陶瓷颗粒，可提高铝基复合材料的综合性能，可替代质量偏大的铁基摩擦材料或铜基摩擦材料，成为新一代轻型摩擦材料。铝基复合材料还被用于轨道交通和车辆制动盘的研究中，降低制动过程中产生的刹车能量[1–2]。

SiCp/Al复合材料因具有密度低、比刚度高、比强度高、耐腐蚀、耐磨损以及导热性能优异等特点得到长远发展[3–6]。目前，制备SiCp/Al复合材料的方法主要包括固相法和液相法，但都存在一些不足，如搅拌熔铸技术制备的SiCp/Al复合材料界面结合性差，SiC颗粒增强体在铝基体中分布不均匀，且材料性能差；离心铸造技术工艺成熟度低，不适于批量化生产；喷射沉积技术等新型制备技术均存在技术不成熟，工艺过程无法控制等缺点[7–10]。相较而言，粉末冶金技术制备SiCp/Al复合材料技术成熟。本文采用粉末冶金技术制备SiCp/Al复合材料，对材料微观结构及摩擦磨损性能进行研究，探讨SiC含量（质量分数）对铝基复合材料性能的影响，为拓展铝基复合材料的应用提供参考。

1 实验材料及方法

1.1 试样制备

实验采用铝粉、碳化硅、硅粉、电解铜粉和锰粉为主要原材料。按表1配比配制4种混合粉料，在双锥形混合机中混合4～6 h，将混合均匀的粉料制成尺寸为20 mm×15 mm×5 mm的压坯。将压坯置于钟罩式加压烧结炉内并在氢气保护气氛中进行加压烧结，烧结温度580 ℃，烧结压力为0.5～0.8 MPa，保温时间为2～2.5 h，烧结完成后冷却至≤60 ℃，出炉。

表1 SiCp/Al复合材料的配比组成（质量分数）Table 1 Composition of the SiCp/Al samples %

1.2 性能表征

采用X射线衍射仪（X-ray diffraction，XRD；SHIMADZU 7000S，日本）对试样的物相进行分析；使用TG328B型分析天平和HRF-150型洛氏硬度计分别测定试样的密度和硬度；利用德国威格（VEGA）公司的TS5136型扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）观测试样的微观形貌；在MM-3000型摩擦磨损性能试验台上进行摩擦磨损性能试验，试验条件为惯量0.15 kg·m2，压力0.7 kN，转速3583 r·min−1，制动盘材料为HT200灰铸铁。

2 结果与讨论

2.1 物相分析

图1为SiCp/Al复合材料的X射线衍射图谱。从图中可看出，在不同含量SiC掺杂Al基复合材料中Al的衍射峰均都尖锐且很高，说明Al的结晶度高，纯度较好；X射线衍射图谱还表明少量的Al和SiC反应可生成新物质Al4C3。当SiC质量分数为10%时，Al4C3衍射峰较低，并且峰型较宽，说明生成Al4C3较少且结晶程度不高；随着SiC质量分数逐渐增加至20%时，Al4C3衍射峰明显变高，峰型尖锐，表明Al4C3结晶程度得到了明显的改善，含量也较多；当SiC质量分数增加至25%时，出现了较多的杂峰，Al4C3衍射峰无明显的变化。同时从图中还可以看出，当SiC质量分数为15%～25%时，衍射峰无明显的变化，这可能是由于大量的Al4C3物质聚集在SiC颗粒的表面，具有一定的厚度，导致X射线无法深度穿透，产生了无明显变化的衍射峰。

图1 SiCp/Al复合材料的X射线衍射图谱Fig.1 XRD patterns of the SiCp/Al composites

2.2 密度分析

图2为SiCp/Al复合材料的密度曲线。从图中可以看出，当SiC质量分数为10%时，试样的密度为2.815 g·cm−3，随着SiC含量继续增加，试样密度没有明显变化。当SiC质量分数增加至25%时，密度呈现下降的趋势，这是因为当SiC超过一定量时，SiC不能再完全被铝基体包裹，且在混料过程中，SiC颗粒易于同塑性较好的铝基体粘附形成“劲圈”[11]，增大SiC颗粒团聚的可能性，导致在压制过程中阻碍了铝基体的变形流动，无法填充颗粒之间的空隙，从而降低了SiCp/Al复合材料的密度。因此，在本研究条件下，铝基复合材料选择SiC质量分数不宜超过20%。

图2 SiCp/Al复合材料的密度曲线Fig.2 Density curve of the SiCp/Al composites

2.3 硬度分析

图3为SiCp/Al复合材料的硬度曲线。从图中可以看出，SiCp/Al复合材料的布氏硬度随着SiC含量的增加呈先增长后减小的趋势。当SiC质量分数为20%时，硬度达到最大值（HBW 114），这可能是由于适量SiC颗粒可增强铝基复合材料的硬度，而且粉末冶金法制备的SiCp/Al复合材料混合料均匀度高，在加压烧结过程中，能有效约束铝基体和SiC颗粒的流动形变，使铝基体形成回复、再结晶过程，同时SiC颗粒的钉扎效应会阻碍晶粒的长大，细化晶粒，从而提高SiCp/Al复合材料的硬度[12]。当SiC颗粒质量分数为25%时，试样的密度较低，基体形变的能力增强，孔隙率增加，从而使试样的硬度值降低。

图3 SiCp/Al复合材料的硬度曲线Fig.3 Hardness curve of the SiCp/Al composites

2.4 微观形貌分析

图4为SiCp/Al复合材料微观形貌图。当SiC质量分数为10%时，SiC颗粒在铝基体中非均匀分布，存在少量团聚现象，且SiC之间也没有Al润湿其中，这是由于SiC颗粒的粒径小于Al，较少的含量也降低了流动性而导致的。当SiC质量分数为15%时，铝基体能包裹住SiC颗粒，但由于SiC颗粒表面张力大，与熔融态的Al润湿行为差而存在明显的界面。从图4（c）中可看出，当SiC质量分数为20%时，SiC颗粒较好地与铝基体镶嵌在一起，颗粒分布均匀，致密性良好，无明显的孔洞，且在SiC表面附着一种连续性物质，这种物质被证明是一种C和Al组成的Al4C3化合物，这与X射线衍射能谱分析结果表述一致。当SiC质量分数增加至25%时，铝基体呈片状结构，试样内部孔隙明显，脱落的SiC孔洞与Al呈现出非连续性的表面，这可能是因为在烧结过程中，铝基体颗粒逐渐黏合，边缘处过量的SiC颗粒被推移在一起，使孔隙率增加，密度降低，从而导致SiC颗粒与基体结合性变差。通过微观形貌分析认为SiC质量分数20%为最佳含量。

图4 添加不同质量分数SiC的SiCp/Al复合材料的扫描电子显微形貌：（a）10%；（b）15%；（c）20%；（d）25%Fig.4 SEM images of the SiCp/Al composites with different mass fraction of SiC: (a) 10%; (b) 15%; (c) 20%; (d) 25%

2.5 摩擦磨损性能分析

图5为SiCp/Al复合材料与HT200制动盘组成摩擦副的平均摩擦系数曲线。从图中可以看出，当SiC质量分数为10%时，平均摩擦系数约为0.2866；随着SiC含量的增加，平均摩擦系数逐渐增大，在SiC含量为20%时达到最大，约为0.3425。这与适量的SiC质量分数和微观组织有关，摩擦组元SiC能紧密地镶嵌在铝基体中，在摩擦过程中防止铝基体的划伤，从而提高了平均摩擦系数。当SiC质量分数为25%时，摩擦系数不稳定且降低至0.3018左右。分析认为，密度越低，结构越松散，SiC颗粒越易于脱落，摩擦过程中磨粒磨损越严重，颗粒摩擦作用不显著，使磨损量增加。图6为SiCp/Al复合材料的磨损量曲线，从图中可以看出，当SiC质量分数在10%～20%变化时，磨损量基本保持不变，其中当质量分数为20%时，磨损量为0.034 cm3·MJ−1，但当质量分数增加至25%时，磨损量急剧增加，这与上述分析结构保持一致。

图5 添加不同质量分数SiC的SiCp/Al复合材料的摩擦系数曲线Fig.5 Friciton coefficient curves of the SiCp/Al composites with different mass fraction of SiC

图6 SiCp/Al复合材料的磨损量曲线Fig.6 Wear rate curve of the SiCp/Al composites

2.6 摩擦磨损形貌分析

图7为SiCp/Al复合材料摩擦磨损后表面形貌。从图7（a）中可以看出，摩擦表面较为平整，以浅细划痕为主，耐磨性较好，这是由于SiC颗粒含量较少，对铝基体形成的切削能力较弱。图7（b）中摩擦表面比较粗糙，犁沟浅且宽度较窄，表面不平整，出现了SiC颗粒剪切被剥落的痕迹，质量磨损率未增加的原因可能是摩擦磨损过程中磨屑在机械力的作用下粘附在材料表面所致。图7（c）中犁沟少而浅，摩擦表面平整且逐渐趋于光滑，表明了SiC颗粒镶嵌于铝基体比较合理，结合强度很高，很难被摩擦过程的剪切力拔出，因而平均摩擦系数稳定且较高。图7（d）中磨损表面的犁沟划痕很深且很宽，刮削作用显著，这是由于不规则的SiC颗粒易于团聚且质量分数较大而导致的，同时还可能与伴有其他物质的产生有关，但目前还未有相关报道指出这类物质的化学组分，这有待进一步的研究。

图7 添加不同质量分数SiC的SiCp/Al复合材料的摩擦表面形貌：（a）10%；（b）15%；（c）20%；（d）25%Fig.7 Wear surface morphology of SiCp/Al composites with different mass fraction of SiC: (a) 10%; (b) 15%; (c) 20%; (d) 25%

3 结论

（1）利用粉末冶金法制备SiCp/Al复合材料时，SiC颗粒表面明显形成Al4C3化合物，随着SiC质量分数增加，SiCp/Al复合材料的密度没有明显的变化，当SiC质量分数增加至25%时，密度明显下降；

（2）随着SiC质量分数的增加，SiCp/Al复合材料的布氏硬度呈先增长后减小的变化趋势，当SiC质量分数为20%时，硬度达到最大值（HBW 114），此时材料的密度最高，综合性能达到最佳；

（3）当SiC质量分数为20%时，SiCp/Al复合材料与HT200制动盘组成摩擦副，在惯量0.15 kg·m2、压力 0.7 kN、转速 3583 r·min−1条件下，平均摩擦系数可达到 0.3425，磨损量为 0.034 cm3·MJ−1，摩擦后试样表面形貌平整且犁沟较浅，SiC颗粒未出现明显剥落。