三维网络陶瓷增强ZL109复合材料的干摩擦磨损性能

２Ｏ０７年６月　第２１卷第２期　南昌航空大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｍａｌ　ｏｆ　Ｎａｎｃｈａｎｇ　Ｈａｎｇｋｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ）　Ｊｕｎ．，２ＯＯ７　Ｖ０ｊ．２１　Ｎｏ．２　

三维网络陶瓷增强ＺＬ１０９复合材料的干摩擦磨损性能　

刘俊峰，尧军平　

（南昌航空大学材料科学与工程学院，江西南昌　３３００６３）　

［关键词］铝基复合材料；网状陶瓷；摩擦系数；耐磨性　［摘要］本文采用压铸法制备了三维连续网状多孔陶瓷增强铝基复合材料，研究了其在干滑动摩擦条件下的磨损行为。　结果表明，复合材料的耐磨性优于铝合金，网络孔径越小，复合材料的耐磨性越好。　［中图分类号］ＴＢ３３１　［文献标识码］Ａ　［文章编号］ｌｏｏｌ一４９２６（２００７）０２—００７６—０４　Ｄｒｙ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｗｅａｒ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　３Ｄ—Ｎｅｔｗｏｒｋ　ｃｅｒａｍｉｃｓ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　

ＺＬ１Ｏ９　ａｌｌｏｙ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　

ＬＩＵ　Ｊｕｎ—ｆｅｎｇ．ＹＡＯ　Ｊｕｎ—ｐｉｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＭａｔｅｒ／ａ／ｓ　Ｓｃ／＆Ｅｎｇ，Ｎａｎｃｈａｎｇ　ｔｔｏ￣Ｃ，ｏｎｇ　Ｕ，ａ，￣ｒｓａｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ　３３００６３　Ｃｈｂ＇ｔａ）　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｍａｔｒｉｘ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ｎｅｔｗｏｒｋ　ｃｅｒａｍｉｃｓ；ｆｉ＇ｉｃｔｉｏｎ　ｆａｃｔｏｒ；ｗｅａｒ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　Ａ　：Ａ　３Ｄ—ｎｅｔｗｏｒｋ　ｃｅｒａ／１］ｉｃｓ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ａｌｌｏｙｓ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗａｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄｗｉｔｈ　ｄｉｅ～ｃａｓｉｎｇ．Ｔｈｅｗｅａｒ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆＭＮＣＣ　ａｎ—　ｄｅｒ　ｄⅣｓｌｉｄｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗａｓ咖ｄ；ｅｄ　ｃａｒｅｆｕｌｌｙｗｈｅｎｔｈｅ１ｏａｃｌｈ￣ｌｅｖｅｌｗａｓ　ｖａｉｌｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｗｅａｒ／ｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　ｗａｓ　ｓｕｐｅｒｉｏｒ　ｔｏ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｍａｔｒｉｘ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｗｅａｌ－ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　ｉｓ　ｇｅｔｔｉｎｇ　ｂｅｔｔｅｒ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｉａｍｅｔｅｒ’ｓ　ｄｉｍｉｎｉｓｈｉｎｓ．　

复合材料把两种截然不同的物质的优点结合起来并弥补各自的弱点。金属基复合材料通常是把金属材　

料的优良塑性和增强体承受载荷的能力和刚性结合起来。以增强体的形状分类，到目前为止，有３种类型的　金属基复合材料＿１　Ｊ：颗粒增强、晶须（短纤维）增强、连续长纤维增强。这３种增强方式的增强效果依次递增。　

虽然连续长纤维增强效果最好，但其轴向（平行于纤维方向）与横向（垂直于纤维方向）增强效果相差悬殊，目　前尚未能解决各向异性这一技术难点【】’２ｊ。针对上述难点，本文提出三维网络陶瓷（骨架）增强金属基复合　

材料的新构思。铝基复合材料在航空、航天和汽车等领域应用前景看好，已有很多人在这方面进行了研　究［　。］。因此本文设计和制备了不同孔径的三维网络陶瓷（骨架）增强铝基复合材料，并对其耐磨性能进行　

了研究。　

１　实验方法　

１．１试样制备　三维网络陶瓷骨架是将多孔聚氨酯泡沫塑料浸涂陶瓷浆料制成坯体后烧结而成。实验采用孔径分别为　２．０　ｍｍ（大孔）、１．４　ｍｍ（中孔）及０。８　ｍｍ（ｄ＇￣Ｌ）的各向同性三维网络陶瓷作为增强体，其三维形貌如图１所　

示（网络陶瓷的３个截面形貌均相同）。基体铝合金采用ＺＬ１０９合金，其化学成分（质量百分数％）为：Ｓｉ　１１．０　

１３．０，Ｃｕ　０．５　１．５，№０．８　１．３，Ｎｉ　０．８　１．５，其余为　。采用压铸技术，在１０　ＭＰ、６６０—７００℃温度下，压　

铸成网络陶瓷增强铝基复合材料。压铸制得的复合材料陶瓷与基体相结合紧密，边界分明，在界面处无孔洞　

等微观缺陷。　

１。２磨损实验　将制得的复合材料加工成舛１　ｍｉｌｌ×８　ｍｉｌｌ的摩擦磨损试样，分别与内径２５．６　ｍｍ、外径２８　ｍｉｌｌ的淬火至　

［收稿日期］２ＯＯ７—０４—２５　［作者简介］刘俊峰（１９８１一），男，硕士生。

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图１陶瓷网络的截面形貌　硬度为６０ＨＲＣ的４５＃钢对磨环组成摩擦副在国产ＭＭ—Ｕ５Ｇ屏显式材料端面摩擦磨损实验机上进行纯滑　动条件下的干摩擦磨损试验。试样的磨损表面用砂纸逐级精磨后抛光，然后在实验机上测试其耐磨性能。　

磨损量用失重表示，采用感量为０．１　ｍｇ的电子天平称量。　

２结果与讨论　

２．１载荷对复合材料摩擦磨损性能的影响　

图２是磨损时间２０　ｍｉｎ、转速２００　ｒｐｍ条件下，载荷对试验材料的磨损量和摩擦系数的影响规律。从图２　

可以看出，随着载荷的增加，基体合金和复合材料的磨损量均逐渐增加。在各种载荷下，基体合金的磨损量　均明显大于复合材料的磨损量，且随着网络孔径的增大，复合材料的磨损量增加，但摩擦系数都增大。　

２６　

２４　

２２　

２Ｏ　目１８　■　鬈１６　

ｌ４　

ｌ２　

ｌＯ　

８　Ｏ．１８　

Ｏ．１７　

Ｏ．１６　

Ｏ．１５　

ｏ．１４　意０．１３　

Ｏ．１２　

Ｏ．１ｌ　

Ｏ．１Ｏ　

Ｏ．ｏ９　

Ｏ．Ｏ８　ｌｌＪＯ　１２０　１４０　１６０　１８０　１００　１２０　１４０　１６０　１８０　栽荷Ｎ　裁荷Ｎ　（ａ）靡损重与栽荷的关系　（ｂ）磨擦系数与栽荷关系　图２基体合金和复合材料的磨擦磨损性能与栽荷的关系　’　

２．２转速对复合材料摩擦磨损性能的影响　．　

图３是磨损时间为２０　ｒａｉｎ，载荷１４０　Ｎ条件下，试验材料的磨损量和摩擦系数随转速的变化规律。可以　

看出，随着转速的增大，基体合金和复合材料的磨损量均显著增加，在各种转速下，基体合金的磨损量均明显　大于复合材料的磨损量，且随着网络孔径的增大，复合材料的磨损量增加，但摩擦系数均比较稳定，

只有少许　维普资讯 http://www.cqvip.com 南昌航空大学学报（自然科学版）　

波动。　

５０　ｌＯ０　１５０　２００　２５０　５０　１００　１．５０　ｚｕｕ　ｚ）ｕ　

．　转速ｒｐｍ　转速ｒｐｍ　（　）靡损量与转速的关系　（ｂ）磨擦系数与转速的关系　图３基体合金和复合材料的磨擦磨损性能与转速的关系　．　２．３磨损时间对复合材料摩擦磨损性能的影响　图４是载荷为１４０　Ｎ、转速为２００　Ｉ１瑚条件下，试验材料的磨损量和摩擦系数随磨损时问的变化规律。可　

以看出，随着磨损时间的延长，基体合金和复合材料的磨损量均显著增加，近似线性关系。且随着网络孔径　

的增大，复合材料的磨损量增加，但摩擦系数均表现比较平稳。　’　

３０　２８　２６　２４　２２　芋２０　嘲１８　鬈１５　

１４　１２　ｌＯ　８　６　０．１９　

０．１８　

０．１７　

０．１６　

幅０．１５　臻　０．１４　

０．１３　

０．１２　

０．１１　

０．１０　

ｌＯ　２０　３０　４０　５０　ｌＯ　２０　３０　４Ｏ　５０　磨损时间ｍｉｎ　．　磨损时间ｍｉｎ　，　（ａ）靡损量与磨损时间的关系　（ｂ）磨擦系数与磨损时间的关系　

・　图４基体合金和复合材料的磨擦磨损性能与磨损时问的关系　

２．４磨损表面形貌　图５所示为基体合金和复合材料在室温、１８０　Ｎ载荷、２００　ｒｐｍ转速下磨损２０　ｒａｉｎ时磨损表面的形貌分析　

结果。可见，基体合金和复合材料表面的差异很明显。基体合金磨损表面明显粗糙，表现为典型的粘着磨　

损；随着网络孔径的减小，复合材料磨损表面变得越来越平直而光滑，粘着磨损减少，磨粒磨损成为主要的磨　

损机制。　２．５磨损机理　在干摩擦条件下，均匀分布在复合材料中的坚硬的陶瓷骨架，突出在抛光的试样表面上，

隔断较软的基　维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期　刘俊峰、尧军平：三维网络陶瓷增强ＺＬ１０９复合材料的干摩擦磨损性能　７９　

（ａ）基体合金ＺＬ１０９表面形貌　（ｂ）大孔增强ＺＬ１０９复合材料表面形貌　

（ｃ）中孔增强ＺＬ１０９复合材料表面彤貌　（ｄ）小孔增强ＺＬ１０９复合材料表面形貌　图５基体合金和复合材料磨损表面的形貌分析照片　’　．　

体与对磨环直接接触，在磨损过程中能有效地起到承载作用，提高复合材料的强度和硬度，从而降低了基体　合金的塑性变形，减轻了粘着磨损，使磨损表面变得光滑，提高材料的耐磨性。因此，随着网络孔径的减小，　ｆ　陶瓷在磨损表面的微凸体越多，耐磨性就越好。　

３结论　

●　（１）采用压铸法制备出三维连续网状多孔陶瓷增强ＺＬＩＩＹ）复合材料，在本试验条件下所制备的复合材料　的干摩擦磨损性能远优于基体合金　ＺＬＩＩＹ）。其磨损量随着网络孔径的减小而减少，摩擦系数明显比基体合　金更稳定。　．　（２）由于三维网络陶瓷在磨损表面形成硬的微凸体起承载作用，抑制基体合金的塑性变形，减轻粘着磨　

损，故复合材料表现出比基体合金更好韵干摩擦磨损性能。随着网络孔径的减小，分布在磨损表面的微凸体　越多，表现出的耐磨性越好。　．　

’　．　［参考文献］　

【１］ＣｌｙｎｅＴＷ，ＷｉｔｈｅｒｓＰ　Ｊ．ＡｎｌｎｔｍｄｕｃｔｉｏｎｔｏＭｅｔａｌＭａｔｒｉｘＣｏｍｐｍｉｔｅｓ［Ｍ］．ＩＡｌｌｌｄｇ｝ｌｌ：　ｄ　ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰｒｅｓｓ，１９９３：　［２］ＷａｎｇＬＤ，ＦｅｉＷＤ，ＪｉｍｇＬＳ，ｅｔ　ｅ１．Ｎｅｗ　ａｌｕｍｉｍｍａｍａｔｒｉｘ　ｃｏｍｉｘｌｔｆｉｔｅｗｉｔｈｍｕｃｈｌｏｗｅｒ　ｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔ　ｔｈｅｒｍａｌ　ａＩ　ｍ　ａｎｄ　ｈｉ扣出口ｌ孚ｈ［Ｊ］．ＪＭａｔｅｒ　Ｓｃｌ　Ｌｅｔｔ，２０Ｏ２，２１（９）：７３７—７４２．　．　’　［３］操光辉，王恒志，吴申庆．硅酸铝纤维增强Ａｌ一１２Ｓｉ合金复合材料的摩擦行为［Ｊ］．中国有色金属学报，１９９８，８．（ｓ１）：ｌ一５．ＣＡＯ　Ｇ∞　一　Ｉｍｉ，ＷＡＮＧＨ廿ｌｇ—ｚｈｉ，ＷＵ　哪一ｑｉＩＩｇ．Ｗｅａｒｂｅｈａｖｉａｒ　Ａｌ一１２Ｓｉ　ｃｏｍｉｘｌｔｆｉｔｅｓ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｂｙＡ１２ＳｉＯ３ｆｉｂｒｅ［Ｊ］．・ＴｈｅＣｈｉｎｅｓｅ　Ｊ幔蛐ａｌ　ＮＯｌｌｆｅｌｌＸｌｌ８Ｍｅｔ・　ａｌｓ，１９９８，８（Ｓ１）：ｌ一５．　‘　．　●　．　（下转第１００页）

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