顆粒增強金屬基復(fù)合材料在摩擦磨損領(lǐng)域的應(yīng)用

顆粒增強金屬基復(fù)合材料在摩擦磨損領(lǐng)域的應(yīng)用

1磨損行為的研究合成金屬化合物（pmbss）具有高比強度和柔軟度、良好的高溫強度和抗疲勞防滑性能以及低熱膨脹系數(shù)。這是近年來引起注意的新材料。PMMCs的發(fā)展為制備新型耐磨材料提供了新的途徑,并已在諸多要求耐磨性的領(lǐng)域獲得了應(yīng)用,如作為發(fā)動機活塞、氣缸套、轉(zhuǎn)動軸承、汽車剎車系統(tǒng)和分油蓋等。因此對該材料的摩擦磨損行為進行廣泛深入的研究有著重要的現(xiàn)實意義。然而,磨損過程的影響因素眾多(如載荷、滑動速度、環(huán)境溫度、運動形式以及對摩件種類等),且常常交互作用,使得材料磨損性能在許多時候缺乏可比性。對于PMMCs,由于本身組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,更是增加了其摩擦磨損行為研究的難度,所以經(jīng)常出現(xiàn)一些相互矛盾的結(jié)論。因此,PMMCs干摩擦磨損性能及其磨損機理還有待更進一步的研究。本文評述了近年來關(guān)于PMMCs干磨擦磨損行為的研究結(jié)果,分析了各種因素對材料耐磨性、摩擦系數(shù)和配偶件磨損的影響,介紹了不同條件下復(fù)合材料的磨損機制,以期增進對PMMCs摩擦磨損行為的認識。2干燥的橡膠性能2.1耐疲勞2.1.1通過顆?；祀s增強鋁基復(fù)合材料影響PMMCs耐磨性能的材料因素包括顆粒種類、顆粒含量、顆粒尺寸以及基體種類和熱處理狀態(tài)等。在不同的磨損條件下,這些因素對復(fù)合材料耐磨性具有不同的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn),PMMCs中不同種類的顆粒增強物對材料耐磨性有不同的增強效果。Stao等的研究表明,SiC、TiC、Al2O3和Si3N4等顆粒增強物使鋁基復(fù)合材料的耐磨性提高4~10倍,而當(dāng)增強物為MgO、BN等較軟的顆粒時,復(fù)合材料的耐磨性反而降低了;Hosking等發(fā)現(xiàn),由于SiC比Al2O3顆粒具有更高的硬度,因而提高復(fù)合材料耐磨性的效果更加明顯。然而,Surappa等和Zhang等卻發(fā)現(xiàn)Al2O3顆粒比SiC顆粒能更有效地增強鋁基復(fù)合材料的耐磨性。在高載荷條件下,Al2O36061復(fù)合材料比SiC6061具有更高的從輕微磨損向嚴重磨損的轉(zhuǎn)變載荷,原因是Al2O3-基體之間的界面更能有效防止裂紋的形成。Caracostas等也發(fā)現(xiàn)由于TiB2-Al的界面結(jié)合好,所以TiB2增強鋁基復(fù)合材料的耐磨性比SiCAl的更高。由此可見,除了顆粒本身的強度、硬度等性能之外,增強物與基體的界面結(jié)合強度也是影響PMMCs耐磨性的重要因素,在設(shè)計高耐磨復(fù)合材料體系時要綜合考慮這兩方面因素的影響。在金屬基體中加入石墨、MoS2和WS2等軟的固體潤滑顆粒后,它們能在摩擦過程中涂覆于對摩面上形成較為穩(wěn)定的潤滑薄膜,減少了對磨面的直接接觸,從而提高了復(fù)合材料的耐磨性。鑒于此,Ames等采用SiC和石墨顆?；祀s增強鋁基復(fù)合材料,發(fā)現(xiàn)軟、硬兩種顆粒能同時發(fā)揮各自作用,獲得了良好摩擦性能的PMMCs。一般而言,高性能的硬質(zhì)陶瓷顆?？勺鳛槟Σ吝^程中的有效承載體,減少表層金屬的流動,所以隨著顆粒含量增加PMMCs的耐磨性也提高。Venkataraman等發(fā)現(xiàn)0~40vol.%的范圍內(nèi),增加SiC顆粒含量可使復(fù)合材料的耐磨性顯著提高;在52~122N、1ms的試驗條件下,SiC含量為10vol.%即可避免嚴重磨損的發(fā)生。Chung等對各種粒度大小的SiC增強鋁基復(fù)合材料的摩擦試驗也發(fā)現(xiàn),SiC顆粒減少了基體的塑性變形和向?qū)δッ娴霓D(zhuǎn)移,所以復(fù)合材料的耐磨性隨顆粒含量增加而提高了。然而Anand等發(fā)現(xiàn)Al2O3顆粒增強Al-10wt.%Zn復(fù)合材料的最佳耐磨性對應(yīng)于一個顆粒含量范圍(25~35wt.%),當(dāng)增強物含量超出此范圍時,復(fù)合材料的耐磨性反而變差。研究發(fā)現(xiàn),該復(fù)合材料為弱界面結(jié)合,且在界面附近有較大的應(yīng)力集中,當(dāng)顆粒含量過高時界面脫粘的效果超過了顆粒對耐磨性的增強效果,使得復(fù)合材料的耐磨性下降。Wang等和Lee等也發(fā)現(xiàn)在某一臨界載荷下,由于顆粒脫粘而形成三體磨損,使得復(fù)合材料的耐磨性隨顆粒含量增加而降低了。所以,對于一定的PMMCs體系,應(yīng)根據(jù)具體的摩擦條件來選擇合適的增強物含量,才能有效發(fā)揮其對耐磨性的增強作用。顆粒尺寸對PMMCs耐磨性的影響在不同的載荷條件下有不同的規(guī)律。Alpas等和Jokinen等認為,增大顆粒尺寸可提高PMMCs的耐磨性,因為較低載荷時,大的顆粒增強物可以更好地保護基體,減輕其被配偶件刮擦而發(fā)生材料轉(zhuǎn)移的程度。而Chung等則認為由于粗顆粒能更有效地防止亞表層裂紋擴展引發(fā)的剝層磨損,因而比細顆粒增強的PMMCs具有更好的耐磨性。Hosking等也發(fā)現(xiàn)低載荷(0.5N)時,在粒度為1~142μm的范圍內(nèi)隨著Al2O3顆粒尺寸的增大鋁基復(fù)合材料的耐磨性逐漸提高,但沒有具體指出顆粒尺寸對PMMCs磨損性能影響的具體機制。然而,顆粒的臨界缺陷尺寸與其直徑成正比,在同樣的載荷條件下,大顆粒發(fā)生開裂的可能性更大。所以,當(dāng)達到使顆粒破碎的壓力時,顆粒尺寸對耐磨性的影響則呈現(xiàn)相反的規(guī)律。如Skolianos等發(fā)現(xiàn)當(dāng)SiC顆粒尺寸從10.7μm增加到29μm時,PMMCs的耐磨性下降。顆粒破裂一方面降低了其承載能力,使得基體的塑性變形增加,另一方面還會促進亞表層的裂紋形核而引發(fā)剝層磨損。因此,確定顆粒增強物的尺寸時,應(yīng)分析具體的外部條件(尤其是載荷條件)。在輕微磨損或是由于摩擦條件惡劣(如載荷、速度或溫度較高時)引起粘著磨損時,選擇斷裂強度高的大顆粒可有效保護基體;而在中等載荷條件下選擇小顆粒則可有效防止裂紋的形核和擴展?；w的種類、成分以及熱處理狀態(tài)對PMMCs的耐磨性也有很大的影響。盧德宏等制備了SiC和Gr混雜增強純鋁和各種鋁合金基復(fù)合材料,發(fā)現(xiàn)基體的塑性決定了復(fù)合材料的耐磨性。由于純鋁比其它鋁合金的塑性更高,因此以它為基體的混雜增強復(fù)合材料具有更高的耐磨性。Pan等發(fā)現(xiàn)過時效SiCp2124Al復(fù)合材料具有比欠時效和峰時效的SiCp2124Al具有更好的耐磨性。主要原因是磨損過程中過時效SiCp2124Al復(fù)合材料的斷裂路徑是在基體的晶界,而欠時效和峰時效的復(fù)合材料是從顆粒-基體的界面處斷裂,所以過時效減少了SiC顆粒的脫出,提高了材料的耐磨性,這一結(jié)論得到了Wang等的證實。Sannino等對SiCp2009的研究表明,過時效一方面釋放了應(yīng)力,提高了材料的耐磨性,但另一方面也在增強物周圍形成沉淀相,導(dǎo)致界面脆化而降低了耐磨性?？梢?基體對PMMCs耐磨性的影響主要通過顆粒-基體的界面和增強物與基體塑性變形的協(xié)調(diào)性來決定,獲得適中的界面結(jié)合以及組元之間良好的變形協(xié)調(diào)性是制備高耐磨性PMMCs的重要條件。2.1.2滑動速度對材料摩擦學(xué)性能的影響復(fù)合材料的磨損率通常隨著正載荷增加而增大,當(dāng)達到一定的臨界載荷時PMMCs會發(fā)生磨損機制的變化而引起磨損率的急劇升高。Alpas等人研究了SiC20vol.%A356和Al2O320vol.%6061等復(fù)合材料體系,發(fā)現(xiàn)正載荷對復(fù)合材料磨損率的影響呈現(xiàn)“三階段”的規(guī)律。在這三個階段中,磨損率隨載荷的增加具有不同的升高速率;對應(yīng)于不同的載荷條件,占主體的磨損機制從顯微犁削變?yōu)閬啽韺觿兟?再到表層軟化引起的材料轉(zhuǎn)移。由于不同種類增強顆粒高溫性能的差異,使得PMMCs向嚴重磨損轉(zhuǎn)變的臨界載荷也不同。Ames等發(fā)現(xiàn),在SiC20vol.%A356的基礎(chǔ)上添加3vol.%或10vol.%的石墨顆粒后,復(fù)合材料在1~441N的載荷條件下不出現(xiàn)向嚴重磨損轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象,主要原因是石墨的固體潤滑作用提高了材料的抗咬合性能,避免了嚴重磨損的發(fā)生?；瑒铀俣戎饕ㄟ^影響亞表層形變速率和由摩擦熱引起表面溫度升高來影響PMMCs的耐磨性。Sato等發(fā)現(xiàn)分別由15vol.%SiC和20vol.%SiO2顆粒增強的鋁基復(fù)合材料,其磨損率隨著滑動速度的增大而下降;而對15vol.%Al2O3和15vol.%TiC顆粒增強的鋁基復(fù)合材料,滑動速度則對磨損率沒有影響。Wang等發(fā)現(xiàn)在較低的滑動速度下,相對速度增加使得PMMCs的穩(wěn)態(tài)磨損率下降。然而,在一定的載荷條件下,當(dāng)滑動速度增大到某一臨界值時,PMMCs會發(fā)生磨損率的突變。增加滑動速度還會降低材料的臨界轉(zhuǎn)變載荷值,使嚴重磨損提前發(fā)生。Lee等觀察到滑動速度對磨損率影響的“雙峰”效應(yīng)。在0.25ms以下,復(fù)合材料的磨損率先增加,并在0.25ms達到峰值,隨后摩擦系數(shù)和磨損率隨著滑動速度的增大逐漸下降,在超過1ms后由于發(fā)生熔化磨損,磨損率又升高,出現(xiàn)另一個峰值。分析認為,在較低的滑動速度下,增加對摩速度可使材料的應(yīng)變速率增加,引起加工硬化而提高了材料的表面硬度,所以磨損率降低;當(dāng)超過臨界速度后,摩擦熱引起的溫升軟化效應(yīng)的影響更加明顯,使得對摩面的真實接觸面積增大,引起粘著磨損。當(dāng)前關(guān)于PMMCs摩擦磨損的研究主要偏重于室溫磨損,而在高溫條件下材料會表現(xiàn)出不同的磨損行為。Singh等研究了20vol.%Al2O36061復(fù)合材料在25℃~500℃的溫度范圍內(nèi)的磨損行為,發(fā)現(xiàn)存在一個對應(yīng)于材料發(fā)生嚴重磨損的臨界溫度,超過該溫度時,材料將發(fā)生粘著、熔焊等,導(dǎo)致復(fù)合材料耐磨性下降。主要原因是過高的溫度條件引起的基體軟化抵消了顆粒對復(fù)合材料高溫力學(xué)性能的增強作用,而使粘著磨損成為主導(dǎo)PMMCs耐磨性的主要機制。Das等在Al-Si合金中加入石墨顆粒,發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料不出現(xiàn)基體合金在200℃所發(fā)生的嚴重磨損。另外也有研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度不太高時,適當(dāng)提高環(huán)境溫度可使從配偶件脫落的Fe顆粒氧化,起到固體潤滑作用而降低材料的磨損率。由此得到的啟示是,在高溫磨損的條件下,PMMCs中除要發(fā)揮硬質(zhì)陶瓷顆粒對材料高溫強度的增強作用之外,引進適量的自潤滑顆粒還能減輕粘著磨損的程度,設(shè)計相應(yīng)的混雜增強復(fù)合材料體系是滿足這一應(yīng)用條件的重要手段。2.2微突體的表面微突體Suh等認為,材料的摩擦系數(shù)由三個條件所決定,即滑動表面光滑區(qū)域的粘著,磨粒和硬質(zhì)微突體的犁削,以及表面微突體的變形。對于PMMCs,除了載荷、速度、溫度等外部條件和配對材料種類之外,復(fù)合材料本身的顯微結(jié)構(gòu)也影響摩擦系數(shù)的大小。2.2.1顆粒尺寸對降低摩擦系數(shù)的影響顆粒增強物對PMMCs摩擦系數(shù)的影響與材料所處的摩擦條件有關(guān)。Roy等發(fā)現(xiàn)SiC、TiC、TiB2、B4C等顆粒的加入使得復(fù)合材料的摩擦系數(shù)比基體降低了30%;Saka等對Al2O3pCu的研究也得到類似的結(jié)論。且復(fù)合材料摩擦系數(shù)隨顆粒增強物含量的增加而降低。分析認為,加入增加物后基體與對摩面的直接接觸面積減少了,減輕了基體的涂抹效應(yīng),所以穩(wěn)態(tài)磨損時顆粒含量增加可降低摩擦系數(shù)。但Zhang等對SiC和Al2O3顆粒增強6061鋁合金復(fù)合材料進行的刮擦磨損試驗則發(fā)現(xiàn),增加顆粒含量反而提高了材料的摩擦系數(shù)。王文龍等也發(fā)現(xiàn)SiC顆粒增強LD2和ZL101兩種鋁合金復(fù)合材料的摩擦系數(shù)均比基體的更高。Wang等和Lee等認為在某一臨界載荷下,復(fù)合材料發(fā)生三體磨損是引起摩擦系數(shù)增加的主要原因。固體潤滑顆粒為制備低摩擦系數(shù)的PMMCs提供了更為廣泛的選擇。Rohatgi等的研究結(jié)果表明,當(dāng)把石墨等固體潤滑顆粒添加于金屬基體中時,由于它能在磨損過程涂覆于對摩面上,改變了摩擦副的接觸形式,所以降低了摩擦系數(shù);當(dāng)石墨的含量超過20vol.%時,復(fù)合材料的摩擦系數(shù)接近石墨本身的摩擦系數(shù)值,而與基體無關(guān)。顆粒尺寸對PMMCs摩擦系數(shù)的影響與具體的摩擦條件有關(guān)。Zhang等在室溫和200℃下的刮擦磨損試驗發(fā)現(xiàn),尺寸為13μm的SiC顆粒使Al-Li基復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨載荷而增大;SiC顆粒為30μm時,摩擦系數(shù)卻與載荷無關(guān)。由于在200℃的刮擦磨損條件下,基體軟化使壓頭的壓入面積增大,細SiC顆粒對基體合金的保護作用較弱,因而壓頭的接觸面積大,使得摩擦系數(shù)更高。因此他們認為,摩擦系數(shù)取決于壓頭的壓入深度和增強物的大小。Rana等采用銷-盤試驗研究了50~100μm范圍內(nèi)顆粒尺寸對Al-1.5Mg合金基復(fù)合材料摩擦系數(shù)的影響,發(fā)現(xiàn)減小SiC顆粒尺寸使摩擦系數(shù)降低了。原因可能是細的SiC顆粒對配偶件的刮擦作用更小,在亞表層基體不發(fā)生嚴重塑性變形時,磨粒磨損對摩擦系數(shù)的影響更大。由此可見,在磨損較輕微或?qū)δγ娼佑|面積較大的情況下,選擇小尺寸顆粒可降低PMMCs的摩擦系數(shù);相反的條件下,采用大顆粒則更有利于保護基體不被偶件刮擦或粘著,以降低整個系統(tǒng)的摩擦系數(shù)。2.2.2潤滑作用對摩擦系數(shù)的影響關(guān)于各種外部條件對PMMCs摩擦系數(shù)的影響目前還缺乏比較系統(tǒng)的研究。Zhang和Alpas等發(fā)現(xiàn)在中等載荷階段,SiC顆粒對配偶件的顯微切削作用產(chǎn)生的細小Fe屑,這些微粒被氧化而形成富含F(xiàn)e2O3的轉(zhuǎn)移層,在兩對摩面間起到固體潤滑作用,減小了摩擦。盧德宏等對SiCpAl和(SiCpGrp)Al的研究則表明,摩擦系數(shù)隨著載荷增加而升高,然后穩(wěn)定在某一值附近,當(dāng)載荷進一步增大時,摩擦系數(shù)反而下降。他們認為載荷增加提高了基體Al的塑性流動,覆蓋了部分表面石墨,從而減小了石墨的潤滑作用;另外基體塑性流動導(dǎo)致真實接觸面積的增加也是摩擦系數(shù)升高的重要原因。Sato等觀察了SiC、TiC、Si3N4、Al2O3及MgO等顆粒增強Al-Cu和6061鋁合金復(fù)合材料的摩擦行為,發(fā)現(xiàn)滑動速度增大降低了復(fù)合材料的摩擦系數(shù)。然而,也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)的大小與滑動速度和正載荷無關(guān)。這可能是因為對于他們所采用的PMMCs體系來說,試驗參數(shù)范圍相對較小,而使得材料表現(xiàn)出相似的摩擦行為。2.3陶瓷顆粒尺寸對復(fù)合保水性的影響對配偶件的磨損小是獲得優(yōu)良配對的摩擦系統(tǒng)的一個重要條件,然而目前關(guān)于PMMCs摩擦行為的研究主要側(cè)重于復(fù)合材料本身,有關(guān)配偶件磨損的報道則相對較少。研究發(fā)現(xiàn),在基體中加入硬質(zhì)陶瓷顆粒后,對偶件的刮擦和顯微犁削顯著增加[21、42],所以在復(fù)合材料的磨損表面上可觀察到大量的Fe元素分布。Zhang等發(fā)現(xiàn),增加顆粒含量和增大其尺寸都會引起配偶件磨損率的增加。所以,硬質(zhì)陶瓷顆粒增強的PMMCs雖然自身的耐磨性得到提高,但與之配對的材料的磨損量也增加了,因而對于摩擦系統(tǒng)整體而言,這是不利于其壽命延長的。石墨、MoS2等自潤滑顆粒能有效降低復(fù)合材料的摩擦系數(shù),兩對摩面間形成自潤滑膜而減少了配對材料的直接接觸面積,因此可以降低PMMCs對配偶件的磨損,可望獲得配對良好的摩擦副系統(tǒng)。3磨損破壞特征顆粒增強金屬基復(fù)合材料的摩擦磨損過程很復(fù)雜,在不同的外部條件下可能出現(xiàn)不同的磨損破壞特征。根據(jù)材料磨損破壞的程度和過程的不同,歸納了氧化磨損、剝層磨損和粘著磨損等三種機制。3.1局部磨損-fe-復(fù)合研磨法氧化磨損機制通常在載荷和滑動速度較低的條件下發(fā)生,對應(yīng)于PMMCs的輕微磨損階段。該機制往往伴隨著對摩面微突體的相互刮擦作用以及少量從復(fù)合材料磨損表面脫落的顆粒所引起的三體磨損。對摩面微突體的相互作用引起局部粘著或加工硬化,所產(chǎn)生的摩擦熱將導(dǎo)致微突體氧化,并在切向力的作用下斷裂。PMMCs表面上突起的硬質(zhì)顆粒對配偶表面的顯微犁削作用也會產(chǎn)生大量的(Fe)微粒。由于摩擦過程中局部區(qū)域的閃溫可以達到很高的值,使得這些來自兩接觸面的微粒發(fā)生氧化。脫落的顆粒被壓入磨損面中,通過機械混合作用形成轉(zhuǎn)移層。這一轉(zhuǎn)移層的出現(xiàn)可減輕顆粒增強物對配偶件的磨損,而其中Fe氧化物的存在還能起到固體潤滑作用,降低了摩擦系數(shù)。氧化磨損機制產(chǎn)生的磨屑通常比較細小,并有大量的氧化物存在。3.2顆粒增強物和相轉(zhuǎn)移的表面形核剝層磨損機制是通過復(fù)合材料亞表層裂紋擴展來發(fā)生的。當(dāng)PMMCs在較高的正載荷下與配偶件摩擦?xí)r,磨損表面以下的區(qū)域?qū)a(chǎn)生一個靜水壓力梯度,它對亞表層的空位形核起到抑止作用,離對摩面越遠壓力越小;而摩擦過程產(chǎn)生的基體塑性變形又促進了空位的形核,因此空位能否大量形核就由這兩個因素共同決定。在距離磨損表面某一深度處,當(dāng)塑性變形因素占優(yōu)勢時,空位將在此大量形核、合并。顆粒與基體的界面為裂紋形核提供了地點,其形核條件為:(1)界面處的拉應(yīng)力大于界面的粘結(jié)強度;(2)界面脫粘釋放的彈性應(yīng)變能要能抵消裂紋形成所引起的表面能增加。由于顆粒尺寸小于2.5μm時不能滿足裂紋形核的能量條件,所以加入小尺寸、高含量的顆粒增強物是獲得高耐磨性PMMCs的一條很可能的途徑。此外,適當(dāng)提高界面結(jié)合強度以及選用斷裂強度高的顆粒增強物也能有效防止剝層磨損的發(fā)生。剝層磨損的產(chǎn)物通常呈大的片狀,并有金屬光澤。3.3合材料在配合面表面的粘連粘著磨損的特征是材料在配偶件表面的大量轉(zhuǎn)移,這一機制通常出現(xiàn)在材料的嚴重磨損階段。隨著載荷、滑動速度或環(huán)境溫度增加,所產(chǎn)生的摩擦熱使得