挤压铸造法制备粉煤灰增强铝基复合材料及其磨损机理研究

挤压铸造法制备粉煤灰增强铝基复合材料及其磨损机理研挤压铸造法制备粉煤灰增强铝基复合材料及其磨损机理研 究究 挤压铸 造法制备粉煤灰增强铝基复合材料及其磨损机理研究 罗忠民 张 堃 刘东雷 艾凡荣 南昌大学机电工程学院 南昌 摘 要 通过挤压铸造法制备了不同含量粉煤灰增强铝基复合材料 其中粉 煤灰的体积分数可达 以上 采用 金相显微镜对样品的结构与形貌进行了表征 研究了 不同粉煤灰含量试样的摩擦磨损性能 并对其磨损机理进行了分析 实验结果表明 随着复合材料部分粉煤灰相对含量的增加 复合材 料的摩擦磨损性能得到提高 在较低载荷作用下复合材料磨损机制 主要为粘着磨损和磨粒磨损 较高载荷作用下主要呈现剥层磨损与 磨粒磨损 关键词 挤压铸造法 粉煤灰 颗粒增强 铝基复合材料 磨损机理 引 言颗粒增强铝基复合材料因其优异的力学性能 耐磨性和比强度 可以在一般材料所不能承受的压力 温度和腐蚀等恶劣的工作条件 下不被损坏而继续工作 得到了广泛深入的研究 目前 在该材料的增强体的选择上 主要集中在 等颗粒 通常这些颗粒形状不规则 应力作用下与金 属基体复合后易引起应力集中 而粉煤灰颗粒为火力发电后废弃物 具有密度小 强度高的优点 不仅可提高复合材料的性能 而且还能节约成本 绿色环保 国内外相关工作者对颗粒增强铝基复合材料的摩擦磨损特性进行了 广泛深入的研究 然而 对粉煤灰颗粒增强铝基复合材料的摩擦磨 损特性的报告却是非常有限的 研究者们采用挤压铸造的方法制备出粉煤灰颗粒增强 基 复合材料 并且对其在不同的条件下的摩擦磨损行为进行了实验研 究和分析 研究结果发现粉煤灰颗粒的加入能够明显提高铝合金基体的耐磨性 能 复合材料比基体合金摩擦因数更低 而且使用粉煤灰作为基体可以很好的解决 等颗粒易引起的 应力集中问题 而且其价格低廉 降低了复合材料的制作成本 然而 目前有关粉煤灰颗粒增强铝基复合材料的研究大多基于较低 体积分数的粉煤灰颗粒 高体积分数的粉煤灰颗粒增强铝基复合材 料的制备难度成为其主要原因 经过近几十年来国内外学者对颗粒增强铝基复合材料的研究探索 使其制备方法越来越丰富 采用挤压铸造法可以消除铸件内部的气孔 缩松缩孔等缺陷 有效 避免了分散不均 还能使材料产生局部塑性的变形 使铸件的组织 更加致密 而且在压力作用下结晶 使晶粒细化 凝固速度加快和 组织均匀化现象更为明显 最后所得的铸件表面粗糙度较低而且尺 寸精度较高 故本文采用挤压铸造法制备出高粉煤灰体积分数的粉煤灰颗粒增强 铝基复合材料 并对其磨擦磨损机理进行分析 实 验 粉煤灰颗粒增强铝基复合材料的制备实验基体材料选用的是力学性 能良好的 铝合金 密度为 粉煤灰选 用直径为 的微珠颗粒 密度约为 按表 的配比 称取相应质量的铝合金和粉煤灰 把粉煤灰倒入模 具 摇匀后 预热到 铝合金加热到 使其完全熔融 迅速倒入模具中后 通过液 压机对模具施加 的压力保压 后 将复合材料从 模具中压出 制得粉煤灰颗粒增强铝基复合材料 表 实验样品的配比 试样粉煤灰的质量 金属的质量 粉煤灰尺寸 样品的表征采用型号为 环境扫描电子显微镜 在背散色电子模式下 对复合材料样品的表面形貌及界面进行观察 采用 金相显微镜对样品的金相组织进行分析 采用济南益华 多功能摩擦磨损试验机测试复合材料摩 擦磨损性能 罗忠民等挤压铸造法制备粉煤灰增强铝基复合材料及其 磨损机理研究 基金项目国家自然科学基金地区基金资助项目 中国博士后科学基金面上资助项目 江西省博士后科研资助项目 收到初稿日期 收到修改稿日期 通讯作者艾凡荣 作者简介罗忠民 男 南昌人 实验师 硕士 主要从事材料性能 及其实验技术 计算机仿真及数值模拟等研究 结果与讨论 形貌表征如图 分别为所制得的 样品扫描电镜 图及金相图 从图 可看出 虽然粉煤灰颗粒排列比较密集 但没有出现 明显的团聚现象 粉煤灰颗粒依旧为相对独立的个体 图 为复合材料的金相图 其中颜色较亮的部分为合金 较 深部分为粉煤灰 可看出粉煤灰被金属所包裹 且无粗大枝状结构 这是由于无机颗粒的分布阻碍了晶粒的长大 有利于获得细晶化 的组织结构 提升复合材料的性能 另外 通过 软件分析 复合材料的固相含量达到 明显 高于粉末冶金等方法 左右的固相含量 结果说明在 的较大压力下 有助于粉煤灰颗粒在铝合 金基体中的均匀分布 从而改变复合材料的综合性能 图 复合材料在扫描电镜下的形貌及金相图 复合材料摩擦磨损性能分析图 显示了不同载荷摩擦下不同粉煤灰 含量的复合材料与基体的磨损率变化情况 由图 可以看出 在较小载荷 作用下 磨损率相差不 大 随着载荷加大到 以上 基体合金显示出比复合材料更大 的磨损率 且粉煤灰体积分数增加 材料磨损率减小 摩擦磨损性 能越好 这是因为随着粉煤灰体积分数的提高 其硬度提高 摩擦表面抵抗 磨粒犁削的能力随之增强 由于复合材料磨损率降低 脱落到摩擦面间的粉煤灰颗粒减少 由 硬质颗粒引起的对摩擦材料的磨粒磨损减少 故随着粉煤灰体积分 数的增加 摩擦材料的磨损率也下降 图 负载对 铝合金及其复合材料的磨损率的影响 复合材料的摩擦磨损机理分析复合材料的磨损是个非常复杂的过程 主要是粘着磨损 磨粒磨损和剥层磨损共同作用的结果 在较低载荷 作用下 如图 所示 含有粉煤灰的 复合材料摩擦表面呈断断续续的浅沟状 这是由于露出基体的粉煤 灰颗粒承受摩擦副的载荷 粉煤灰极高的硬度与耐磨性 阻断了摩 擦副对基体材料的磨损 从而形成断断续续的摩擦表面形貌 在较低载荷作用下 复合材料的磨损机制主要为粘着磨损和磨粒磨 损 而观察图 可知基体合金主要呈粘着磨损状态 图 复合材料 样品和 铝合金在 负载下摩擦磨损后表 面 图 图 分别表示 合金 在 载荷下摩擦磨后表面的 分析 在较大载荷 作用下 粉煤灰颗粒增强复合材料摩擦表面 有很多细的磨痕 这是由于凸出复合材料的粉煤灰颗粒作为承载单 元承受摩擦带来的法向与切向载荷 不断地向其前下方的基体合金 中压入 粉煤灰颗粒前下方的基体将快速地发生塑性变形而产生硬 化 再加之基 年第 期 卷体中其它颗 粒的阻碍作用 致使硬质颗粒无法向基体深处下陷 直接承受对磨 面的挤压 犁划而发生破碎或者断裂 破碎或者断裂后的碎屑或者排出摩擦面以外 或者滞留在两摩擦面 间成为第三体 在摩擦引起的高温下 铝合金基体的强度降低 更容易发生硬质颗 粒犁削复合材料基体的情况 因此有微珠分布的路线上出现较深的 凹痕 而基体材料由于没有微珠滚动 呈现大片面积的摩擦痕迹 因此 高载荷作用下 复合材料呈现剥层磨损与磨粒磨损 基体合 金主要呈粘着磨损和剥层磨损 图 载荷下不同粉煤灰含量的复合材料和基体合金的摩擦表面 分析 随着复合材料中粉煤灰含量的提升 复合材料的硬度和强度提高 磨粒刺入复合材料基体的深度减小 划痕和犁沟由宽逐渐变细 说 明摩擦表面受磨粒磨损的程度降低 磨损量减少 这与图 的实验 结果是一致的 材料在高负载时产生塑性变形 可能涉及应变软化或动态再结晶 添加粉煤灰颗粒可改善基体合金的热稳定性 这是粉煤灰颗粒增强 复合材料改善严重磨损可能的原因之一 图 为复合材料 和 铝合金在 负载下的磨屑的 分析 图 复合材料 和 铝合金在 负载下的磨屑的 分 析 罗忠民等挤压铸造法制备粉煤灰增强铝 基复合材料及其磨损机理研究 由于摩擦表面上粉煤灰颗粒的存在和基体的塑性 在摩擦磨损过程 中 产生犁划效应 犁划效应不仅增加总的摩擦力和材料的剥层磨损 而且会产生小的 磨损颗粒 对后继的材料表面磨损产生影响 当硬质颗粒对基体产生犁划作用时 在基体表面会产生犁划沟槽 由基体发生的塑性变形和流动造成的 犁沟的边缘会突出表面 在随后的摩擦过程中 凸起的边缘在摩擦副压力的作用下被折断 形成磨损颗粒 因此 如图 所示 复合材料的磨屑呈细小的碎屑状 且为铝合金 粉煤灰的混合物 而基体材料由于没有犁划效应 磨屑呈片状或羽毛状的剥层磨损 结 论 采用挤压铸造法可制备粉煤灰体积分数 以上的复合材料 随 着复合材料中粉煤灰含量增加 复合材料的摩擦磨损性能得到提高 在较低载荷作用下 复合材料摩擦表面呈断断续续的浅沟状 磨损 机制主要为粘着磨损和磨粒磨损 高载荷作用下 复合材料摩擦表 面有很多细的磨痕与犁沟 复合材料呈现剥层磨损与磨粒磨损 复合材料的磨屑呈细小的碎屑状 而基体材料由于没有犁划效应 磨屑呈片状或羽毛状的剥层磨损 参考文献 樊建中 桑吉梅 石力开 颗粒增强铝基复合 材料的研制 应用与发展 材料导报 袁广江 章文峰 王殿斌 等 颗粒增 强铝基复合材料制备及机加性能研究 复合材料学报 李月英 刘勇兵 曹占义