【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 摩擦材料間大量的轉(zhuǎn)移為特征，與載荷、摩擦速度和摩擦溫度等因素有很大的關(guān)系。 基于 Archard和 Rowe等人 [5152]對(duì)粘著磨損機(jī)制與相關(guān)因素的關(guān)系，最后提出一個(gè)比較完善的在材料粘著磨損下的體積磨損量公式： 2 1 / 2(1 )msdV WkfdS ?? ??? （ 21） 式中： mk 為與材料性質(zhì)有關(guān)的系數(shù) ； ? 為常數(shù) ； f 為摩擦系數(shù) ； ? 為與表面膜有關(guān)的系數(shù) ； s? 為材料的屈服極限； sk 為磨損系數(shù)。 (2)磨粒磨損 磨粒磨損 [52]主要是由于摩擦界面間存在硬質(zhì)的外界顆?；?鋁基復(fù)合 材料摩 16 擦面上細(xì)微凸起物，起到了對(duì) 鋁基復(fù)合 材料表面犁削作用和塑性擠壓變形的磨損現(xiàn)象。在經(jīng)歷顆粒磨損后 鋁基復(fù)合 材料 摩擦表面主要是以 顯微切削和犁溝 的形態(tài)存在。 材料 磨粒磨損在很大程度上取決于磨粒硬度 Hm 和 鋁基復(fù)合材料 硬度 Ha之比 ，再根據(jù) 韌塑性 鋁基復(fù)合 材料的磨粒磨損體積 V 與磨粒硬度的關(guān)系大致可分為三個(gè)區(qū)域 [53]：低磨損區(qū) Hm()Ha。過渡磨損區(qū) Hm。高磨損區(qū) Hm 。 基于拉賓諾維奇和摩爾等人 [52]對(duì)材料磨粒磨損進(jìn)行一步一步地研究，最后提出了一個(gè)比較完善的磨粒磨損模型： 11 2 3V K K K PH ?? （ 22） 式中： 1K 為磨損粒子形成的總的幾率； 2K 為是當(dāng)磨損粒子形成時(shí)磨溝體積的比率； 3K 為磨粒的形狀因子； P 為單位面積上的載荷； H 為材料表面的硬度。 由上面公式中可知：磨粒磨損的體積磨損量不僅與正載荷成正比，而與材料摩 擦表面的硬度成反比，還與磨粒的形狀大小有關(guān)。 (3)氧化磨損 當(dāng)在較低載荷和滑動(dòng)速度條件下時(shí)， 由于摩擦生熱 作用下，摩擦表面與周圍氧化物反生氧化反應(yīng)，造成對(duì) 鋁基復(fù)合 材料的磨損就是氧化磨損機(jī)制 [54]。該機(jī)制隨著摩擦產(chǎn)生的顆粒使得磨損從二體磨損轉(zhuǎn)向三體磨損。有研究 發(fā)現(xiàn) [5556]： 在一定 載荷、摩擦速度、摩擦溫度等 條件 內(nèi) ，脫落的第二相硬質(zhì)顆粒 被氧化，并 在磨面上可以能起到 “滾珠 ”的作用， 可以形成轉(zhuǎn)移層， 從而對(duì)材料的磨損起到一定的減磨作用。 (4)剝層磨損 由 N、 P、 Suh在 1973首次提出的剝層磨損理論 [57]， 該磨損機(jī)制主要是通過鋁基復(fù)合材料磨損 面亞表層裂紋而產(chǎn)生的。 在鋁基復(fù)合材料磨損過程中， 硬表面與軟表面之間的 反復(fù)載荷作用下， 產(chǎn)生剪切變形，且不斷積累，促進(jìn)鋁基復(fù)合材料表面大量的空位形核， 空位合并， 同時(shí)裂紋也從 顆粒與基體的界面 開始 形核 ，而后 裂紋慢慢長(zhǎng)大，最后 導(dǎo)致長(zhǎng)而薄的磨損薄片脫落 [58]。 所以 ， 鋁基復(fù)合材料磨損下來的磨料一般呈現(xiàn) 大片狀磨屑，并有 具有一定 金屬光澤。 該磨損機(jī)制與載荷、 17 摩擦速度等外界因素和增強(qiáng)相的含量、大小，界面間的結(jié)合能力等材料內(nèi)部因素有關(guān)。 有研究 [59]得出簡(jiǎn)單的剝層磨損計(jì)算公式： 4 (1 ) bGbh ? ? ?? ? （ 23） 式中： h 為磨屑厚度； G 為剪切彈性模量； ? 為材料波桑比； b? 為表面摩擦應(yīng)力； b 為柏氏矢量。 0()sV Ahs? （ 24） 式中： V 為材料磨損體積； s 為滑移距離； 0s 為臨界滑移距離； A 為片狀磨屑的面積。 18 第 三 章 試驗(yàn) 條件 與試驗(yàn)方法 試驗(yàn)材料 本研究采用工業(yè) A00純鋁 和金屬錳粉作為基體材料，作為增強(qiáng)體材料的aAl2O3顆粒， 粒徑范圍 :￠ 。 還有作除氣劑精煉劑的 MnCl2和后續(xù)工作所需要的用作清洗液的酒精，去油污的丙酮，拋光劑 Al2O3溶液，腐蝕劑 4%HF溶液。以下是幾種主要材料的具體成分： （ 1） A00鋁成分 表 試驗(yàn)用 A00鋁的成分 牌號(hào) 化學(xué)成分 (%,質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) Al Fe Si Cu Ca Mg 其它 雜質(zhì)總和 ≥ ≤ （ 2）錳粉成分 取出一些錳粉 試 樣，通過 OXFORD20xx 型能譜分析儀得到圖 1 和表 2。 圖 金屬錳 能譜 面掃描圖譜 表 按重量百分比顯示的所有結(jié)果 譜圖 在狀態(tài) O Si Mn Se 總的 譜圖 1 是 標(biāo)準(zhǔn)偏差 最大 最小 其中 Se 和 Si為雜質(zhì)，氧的存在是因?yàn)殄i可與空氣中的 氧 形成氧化物帶入的， 19 錳的含量為 %。 （ 3） Al2O3 顆粒成分 表 Al2O3 顆 粒雜質(zhì)成分 雜質(zhì) 水中溶解物 硫酸鹽 氯化物 鐵 （ Pb）重金屬 堿金屬（堿土） 指標(biāo)（ %） 合格 （ 1）箱式電阻爐 型號(hào)： KSY—12—16，編號(hào)： 85285，額定電壓： 380 伏，頻率： 50 赫茲，相數(shù)： 3 相，最大輸出電流： 30 安培，最大控制功率： 12 千瓦，最高控制溫度：1600 攝氏度。 （ 2）井式坩堝電阻爐 型號(hào)： KSY1216,額定電壓： 380 伏，頻率： 50 赫茲，相數(shù)： 3 相，最大輸出電流： 30 安培，最大控制功率： 千瓦，最高控制溫度： 900 攝氏度。 （ 3） XQF2 全自動(dòng)金相圖象分析儀 額定電壓： 220 伏，額定功率： 30W，頻率： 50 赫茲。 （ 4） 電鏡、能譜分析儀 型號(hào)： LED1430VP 型掃 描 電 鏡 ， OXFORD20xx 型 能 譜 分 析 儀 ，M18XHF22SRA型 X射線衍射儀。 （ 5）硬度計(jì) 型號(hào)： HR150 布洛維硬度計(jì)； HX1000B 視頻顯示維氏顯微硬度計(jì)。 （ 6） 摩擦 磨損試驗(yàn)機(jī) 型號(hào)： M2—20xx 型，最大負(fù)載： 20xx 牛頓，上試樣軸轉(zhuǎn)速： 轉(zhuǎn) /分，摩擦力矩測(cè)量范圍： 0—15 牛頓 米。 （ 7）電光分析天平 型號(hào)： TG328A(S),最大稱量： 200g,分度值： 。 （ 8）沖擊試驗(yàn)機(jī) 型號(hào)： JB30A ， 規(guī)格：沖擊能量 30/15 公斤米。 20 （ 9）拋光機(jī)，讀數(shù)顯微鏡，石墨坩 堝，澆鑄模具等其它常用工具。 復(fù)合材料 及其鋁錳合金 的 試樣 制備 首先按材料中錳含 量為 1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 的比例來稱量相應(yīng)的材料，準(zhǔn)備好所有材料，隨后制備 三種材料，即純鋁試樣、鋁錳合金試樣和 Al2O3 顆粒增強(qiáng)鋁錳基復(fù)合材料試樣。 本文中通過攪拌鑄造法來制備復(fù)合材料。這種方法中， 攪拌溫度、 攪拌時(shí)間直接影響著復(fù)合材料的 氣孔率 ，需提出有效的具體制備工藝流程；保護(hù)基體金屬液的氧化、除氣，加入 除氣劑精煉劑的 MnCl2。 材料 試樣 的制備工藝流程見圖 。 圖 制備工藝流程圖 純鋁材料：將所需 A00 鋁錠放入 井 式 電阻 爐熔化加熱至 860℃ ，扒渣降溫后澆鑄成形。 鋁錳合金：將所需的 A00 鋁錠放入 井 式電阻爐熔化加熱至 860℃ ，扒渣后加入金屬錳粉粒，用石墨棒連續(xù)攪拌 10 分鐘，扒渣后加入質(zhì)量百分含量為 %的除氣劑六氯乙烷、精煉劑 MnCl2 粉末，攪拌、降溫、澆注成形。 顆粒增強(qiáng)鋁錳復(fù)合材料：將所需的 00Al 鋁錠放入井式電阻爐熔化加熱至860℃ ，扒渣后加入金屬錳碎片，用石墨棒連續(xù)攪拌 10 分鐘，扒渣后加入 Al2O3顆粒繼續(xù)攪拌 10 分鐘，加入質(zhì)量百分含量為 %的除氣劑 MnCl2 粉末，攪拌、降溫、澆注成形。 21 試驗(yàn)中為了均勻材料的化學(xué)成分及組織，細(xì)化晶粒，消除內(nèi)應(yīng)力，從而獲得近于平衡狀態(tài)的組織，特采用 300℃ 退火保溫 1 小時(shí)，隨爐冷卻的熱處理工藝。隨后按照實(shí)驗(yàn)所需將三種材料切割成一定尺寸外形的小式樣以備下一步試驗(yàn)。 （ 1） 試驗(yàn)中采用 OXFORD20xx 型能譜分析儀分析微區(qū)成分； LED1430VP型掃描電鏡 (SEM)觀察所獲材料的組織 。 （ 2） 硬度測(cè)試：試驗(yàn)中采用 HR150 布洛維硬度計(jì)測(cè)試材料布氏硬度 HBS，載荷為 ,壓頭為直徑 5 ㎜淬火鋼球，保壓 30s。 （ 3） 沖擊韌性測(cè)試：試驗(yàn)中采用 JB30A 沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試材料的沖擊韌性，產(chǎn)生的斷口通過 LED1430VP 型掃描電鏡 (SEM)觀察獲得斷口形貌。 （ 4） 滑動(dòng) 磨損測(cè)試： 將三種試樣在切割機(jī)上加工成 8mmⅹ 8mmⅹ 30mm試驗(yàn)件 ，在 M220xx型 滑動(dòng) 磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行滑動(dòng)磨損試驗(yàn)。摩擦副材料用 45鋼，尺寸為￠ 40mmⅹ 10mm， 經(jīng)油淬熱處理， 表 面硬度為 48～ 52HRC。在相應(yīng)的磨損條件下，經(jīng)過 42mim的磨損時(shí)間后在電光分析天平上測(cè)其磨損量。 22 第 四 章 %Mn 復(fù)合材料 及其 合金 成分組織及機(jī)械性能 在材料的研究試驗(yàn)中，對(duì) 材料成分及組織結(jié)構(gòu) 的觀察研究是必不可少的部分。由于材料 成分和組織結(jié)構(gòu) 直接影響著材料的各種性能，同時(shí)材料性能的變化就有相應(yīng)的組織成分的變化，從而可以得到相關(guān)的機(jī)理。 在加入定量的元素材料下， 材料制備工藝對(duì) 于 材料的組織結(jié)構(gòu) 及性能是 主要的影響因數(shù)，對(duì)于復(fù)合材料而言，影響因數(shù)還有增強(qiáng)相與基體的潤(rùn)濕性和界面反應(yīng)。 本實(shí)驗(yàn)通過攪拌鑄造法制備的 AlMn 合金和 AlMn 基復(fù)合材料。這種制備方法主要通過長(zhǎng)時(shí)間的攪拌解決增強(qiáng)相與基體的界面問題， 使 增強(qiáng)相能過比較均勻的分布與基體中。 Al2O3 顆 粒增強(qiáng)鋁錳基復(fù)合材料是一種新型的復(fù)合材料，只有通過材料的組織成分觀察研究，才能知道 Al2O3 增強(qiáng)顆粒的加入對(duì)基體合金的組織影響，為 Al2O3 顆粒增強(qiáng)鋁錳基復(fù)合材料各性能的變化有相應(yīng)的理論依據(jù)。對(duì)于這類材料其各項(xiàng)組織成分及機(jī)械性能的研究提供一些數(shù)據(jù)，并為對(duì)其實(shí)際應(yīng)用有著重大的理論指導(dǎo)意義。 及其 合金 成分及顯微組織 材料 成分 （ 1） AlMn 合金成分 由于制備過程中材料的損耗問題，最后材料的成分需要最后的測(cè)定。本文中利用 能譜分析儀測(cè)定試驗(yàn)中所制備的 AlMn合金， 可以通過 圖 31 面掃描圖譜圖及表 31， 能 知道 合金中 主要有 Al 、 Mn、 O 三種元素， 并且他們的 重量百分比分別為 %、 %、 %（取 3 個(gè)譜圖的平均值）； %Mn 含量與設(shè)計(jì)的 1%相差不大，本文就定義這種合金為 %Mn（ 1）。 其中的氧為外來雜 23 質(zhì)，可能是在鑄造 或 澆鑄過程中 鋁的氧化和表面形成一些氧化物（主要） 。由于其含量 少量 ，因此不會(huì)對(duì)材料的性能產(chǎn)生顯著的影響。 圖 31 AlMn 合金的面掃描圖譜 表 31 按重量百分比顯示的所有結(jié)果 譜圖 在狀態(tài) O Mn Al 總的 譜圖 1 是 譜圖 2 是 譜圖 3 是 平均 （ 2） Al2O3 顆粒增強(qiáng) AlMn 復(fù)合材料成分 Al2O3 顆粒增強(qiáng) AlMn 復(fù)合材料是在以鋁錳合金為基體的基礎(chǔ)上加入 Al2O3增強(qiáng)顆粒制備出來的。從表中可以看出其它元素的變化不大，為對(duì)比研究提供了一個(gè)前提；而氧的含量出現(xiàn)比較大的增幅，這是由于加入的 Al2O3 顆粒所含氧元素的介入。圖表？ 材料 顯微組織 從圖 （ 34） 中可以看出在制備的 1試樣中存在 MnAl6 和 MnAl11 兩種鋁錳間化合物，這主要是 因?yàn)?1試樣在凝固的過程中，錳在 a 固溶體中的溶解度隨著溫度的下降而降低，從而溶解于 Al 面心立方中的 錳會(huì)隨著溫度的下降從晶界析出 ， 形成少量硬脆的 MnAl6 和 MnAl11 化合物 ， 由于 原先加入錳 量 就 很少，形成的鋁錳間化合物也很少，并且呈現(xiàn)細(xì)小的枝晶，并形成一定的網(wǎng)格狀，分布于合 24 金組織之中（如圖 33）。 圖 33 1試樣（即 %Mn 合金 ） 的掃描電鏡照片 30 40 50 60 70 80mmmMAAAAIntensity/CPS?? /( ? ) A: AlM :M n Al6m :Al11Mn4 圖 34 1試樣 （ %Mn 合金 ） X 射線衍射圖譜 從圖 （ 36） 中可以看出 在制備的 2試樣中存在 MnAl6 和 MnAl11 兩種鋁錳間化合物，還檢測(cè)出 δ Al2O3 顆粒 的存在。由于 2試樣是以 1試樣為基體的，所以 也 存在一定量硬脆的 MnAl6 和 Mn4Al11 化合物，但是 還 通過攪拌法 成功的加入了高硬