纳米SiC含量对Ti_3SiC_2_Al复合材料摩擦磨损特性的影响.pdf

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1、 收稿日期:2008207210 基金项目:吉林省科技发展基金资助项目(20070511)作者简介:霍 俊(1983-),女,汉族,吉林吉林人,长春工业大学硕士研究生,主要从事复合材料方向研究,E2mail:huojun_03 .3 联系人:金松哲(1965-),朝鲜族,男,吉林永吉人,长春工业大学教授,工学博士,主要从事复合材料方向研究,E2mail:szjin .第29卷第5期 长 春 工 业 大 学 学 报(自然科学版)Vol129,No.52008年10月 Journal of Changchun University of Techonology(Natural Science Ed

2、ition)Oct12008纳米SiC含量对Ti3SiC2/Al复合材料摩擦磨损特性的影响霍 俊1,金松哲1,23,张力辉1,孙世成1(1.长春工业大学 材料科学与工程学院,吉林 长春 130012;2.吉林大学 地面机械仿生技术教育部重点实验室,吉林 长春 130022)摘 要:采用SPS方法制备出SiC和Ti3SiC2双相增强Al基复合材料,并在MM2200型摩擦磨损实验机上进行干摩擦试验。研究了不同含量SiC对Ti3SiC2/Al复合材料组织及耐磨性的影响,结果表明,颗粒体积分数及磨损载荷对复合材料摩擦磨损特性有显著影响。复合材料具有良好的摩擦磨损性能,烧结温度为550,SiC的体积分数

3、从0.5%上升到2%时,复合材料的摩擦系数从0.34降到0.285,降低16.2%。烧结温度为400,SiC的体积分数从0.5%上升到2%时,复合材料的磨损量从0.007 9降到0.003 9,降低50.63%。关键词:SiC;Ti3SiC2;Al基复合材料;摩擦磨损特性中图分类号:TG148 文献标识码:A 文章编号:167421374(2008)0520570204Effects of nm SiC content on tribological properties ofTi3SiC2/Al compositesHUO Jun1,J IN Song2zhe1,23,ZHANG Li2hu

4、i1,SUN Shi2cheng1(1.School of Materials Science and Engineering,Changchun University of Technology,Changchun 130012,China;2.Key Laboratory for Terrain2Machine Bionics Engineering(Ministry of Education,China),Jilin University,Changchun 130022,China)Abstract:SiC and Ti3SiC2dual2phase2reinforced Al2bas

5、ed composites are fabricated with spark plasmasintering technique,then dry friction test is carried out on MM2200 tribological machine to study theeffects of the content of SiC on structure and tribological properties of Ti3SiC2/Al composites.Theresults show that both the volume fraction and abrasio

6、n load influence the tribological properties ofthe composites,and the composites have good tribological properties:at temperature 550,thevolume fraction of SiC increases from 0.5%to 2%,the friction coefficient of composites drop from0.34 to 0.285(decrease 16.2%),while at temperature 400the volume fr

7、action increase from 0.5%to 2%and wear extent drops from 0.007 9 to 0.003 9(decrease 50.63%).Key words:SiC;Ti3SiC2;Al2based composites;tribological properties.0 引 言近年来在金属基复合材料中,以颗粒、短纤维、晶须等非连续相增强的铝基复合材料(SiCReinforced Aluminium Matrix Composite)因其良好的可再加工性和各向同性而倍受重视。与传统铝合金相比,铝基复合材料是一种很有发展前途的新型材料,其具有质地轻

8、、密度小、高强度且高耐磨性等优异性能。Ti3SiC2具有金属和陶瓷的诸多优良性能。在常温下它有很好的导热性能和导电性能,相对较低的维氏硬度,而且有一定的塑性。它还具有高的熔点、相对高的弹性模量(320 GPa)和良好的抗氧化性能1,2。更为重要的是,它具有比二硫化钼和石墨更低的超低摩擦系数。而SiC价格低廉,来源广泛,SiC/Al增强铝基复合材料具有高热导率、高强度、高模量、耐磨损、低密度3等优异性能,在摩擦磨损领域显示出很好的应用前景。因此,国内外有不少学者427对它的摩擦磨损行为进行过研究。文中通过研究不同SiC含量对SiC/Ti3SiC2/Al复合材料的摩擦磨损性能的影响,旨在分析该复合

9、材料摩擦磨损机理,以期制备出性能更优异的铝基复合材料。1 试验部分 原料粉有Al粉(纯度 99.6%,平均粒度50目)、SiC粉(纯度99.9%,平均粒度45 nm)和Ti3SiC2粉(纯 度92%,平 均 粒 度20m)。Ti3SiC2粉通过机械合金化合成,将Al粉、SiC粉和Ti3SiC2粉均匀混合后,采用放电等离子烧结(SPS)技术8进行烧结,获得 纳米SiC增强Ti3SiC2/Al复合材料。烧结采用内径为10 mm石 墨 模 具,z2轴 压 力50MPa,升 温 速 率100/min,保温时间5 min。烧结温度分别为400,450,500,550。Ti3SiC2体积分数固定为5%,纳

10、米SiC体积分数在02%间变化。用MM2200型摩擦磨损试验机进行干摩擦磨损试验。对磨轮选用经淬火的GCr15材料,硬度60 HRC,磨轮转速200 r/min,磨 损 时间5 min。磨损量通过称量法获得,根据实验过程中的摩擦力矩计算摩擦系数。2 试验结果与讨论2.1Al基复合材料组织形貌 在550 烧结的含有不同体积分数纳米SiC的复合材料组织如图1所示。铝基体呈亮白色,Ti3SiC2块体呈暗灰色。SiC颗粒因其添加量过少和颗粒尺寸细小,很难分辨,有可能分布在Al基体晶界上。由图中可知,Ti3SiC2陶瓷颗粒在铝基体中分布均匀,没有出现严重的偏聚现象。(a)0.5%SiC+5%Ti3SiC

11、2+94.5%Al(b)1%SiC+5%Ti3SiC2+94%Al(c)2%SiC+5%Ti3SiC2+93%Al图13种复合材料的金相组织图 复合材料XRD相分析结果如图2所示。图2Al基复合材料的XRD图谱 从图中可以看到,有Al和Ti3SiC2相的衍射175第5期 霍 俊,等:纳米SiC含量对Ti3SiC2/Al复合材料摩擦磨损特性的影响峰,但没有发现SiC相。复合材料相对密度与烧结温度关系曲线如图3所示。图3 复合材料的相对密度 从图中可以看出,随温度增加,相对密度呈逐渐上升趋势。烧结温度越高,脉冲电流强度越大,就会有利于颗粒间的扩散。本实验中,550烧结的复合材料的相对密度最高可达到

12、98.84%。2.2 摩擦特性 不同SiC体积分数的复合材料烧结温度与摩擦系数关系曲线如图4所示。图4 不同体积分数下烧结温度与摩擦系数的关系曲线 随着体积分数的增加,复合材料摩擦系数呈下降趋势。烧结温度为550,SiC体积分数从0.5%上升到2%时,复合材料摩擦系数从0.34降到0.285,降低16.2%。SiC含量增加可使晶粒得到细化,提高复合材料的强度和硬度,能显著降低磨粒刺入复合材料的几率,降低摩擦阻力和材料的磨损量,提高材料的耐磨性能。由图中可知,随着烧结温度的升高,摩擦系数降低,这是由于温度升高会使材料的致密度提高,这样也会降低磨粒刺入基体的几率。2.3 摩损特性 不同烧结温度下载

13、荷与磨损量关系曲线如图5所示。图5 不同烧结温度下载荷与磨损量关系曲线 从图中可以看出,随着载荷的增加,磨损量逐步上升,烧结温度为400,载荷为78.4 N时,磨损量为0.38 g,是载荷为49 N时的7.8倍。摩擦载荷49 N,不同体积分数下烧结温度与磨损量的关系曲线如图6所示。图6 不同体积分数下烧结温度与磨损量的关系曲线 从图中可以看出,随SiC体积分数的增加,磨损量呈下降趋势,这说明SiC对复合材料的耐磨性能有明显的增强作用9。SiC含量较大的复合材料其磨损量较小,这与SiC本身的硬度高、耐磨性好是密不可分的。当烧结温度为400,SiC体积分数从0.5%上升到2%时,复合材料的磨损量从

14、0.007 9降到0.003 9,降低50.63%。可以看出,颗粒体积分数及不同载荷对复合材料磨损量是有显著影响的。2.4 复合材料表面磨损形貌Al基复合材料表面磨损形貌照片如图7所示。275长 春 工 业 大 学 学 报(自然科学版)第29卷(a)0.5%SiC(b)1%SiC(c)2%SiC烧结温度为550;载荷为19.6 N;磨损时间为10 min图7Al基复合材料表面磨损形貌 这表明在载荷为19.6 N时,磨损机理为典型的粘着磨损。图7中有明显的磨粒磨损的犁削沟槽和疤痕,磨损主要为磨粒磨损。这是由于滑动摩擦过程中,该复合材料表面的铝金属被逐渐磨损,SiC和Ti3SiC2颗粒从基体表面突

15、出来,减少了基体Al与磨轮表面的直接接触,而SiC比基体Al的硬度高得多,Ti3SiC2具有很低的摩擦系数,加在复合材料上的大部分载荷由SiC和Ti3SiC2承受,随着SiC含量的增加,粘着几率大大减少。犁沟是在磨面所受剪切力作用下,增强相断裂或基体/增强相界面失效引起SiC脱落,在摩擦界面作滚滑运动,形成典型的三体磨损,对基体刻划、切削造成的。随着SiC体积分数的增加,犁沟数量增多,但深度明显变浅,当SiC添加量增加到2%时(见图7(c),犁沟分布非常均匀,与图4的趋势相符。这是由于SiC含量增加,摩擦过程中承受接触应力的硬质点数量增加,就会使摩擦时金属间的直接接触和粘着面积减小,摩擦阻力减

16、小,因而其磨损量减小、耐磨性提高。3 结 语 采用机械合金化和SPS方法制备出不同烧结温度、不同体积分数的SiC/Ti3SiC2/Al三相复合材料,研究了其摩擦、磨损性能。研究结果表明,SiC/Ti3SiC2/Al三相复合材料具有良好的耐磨性能,烧结温度和纳米SiC含量对复合材料的摩擦磨损性能影响显著。在本实验范围内,随着烧结温度的提高,摩擦系数下降,耐磨性提高。烧结温度为550,SiC的体积分数从0.5%上升到2%时,复合材料摩擦系数从0.34降到0.285,降低16.2%。SiC/Ti3SiC2/Al三相复合材料的主要磨损机理为粘着、磨粒混合磨损。参考文献:1Hitoshi Hashimo

17、to,Zheng Ming Suna,Yosuke In2oue.Synthesis of Ti3SiC2from powder blend of Ti,Si and TiCJ.Journal of Alloys and Compounds,2006,(1):263226712 梁宝岩,金松哲,刘 鹤,等.粉末冶金制备Ti3SiC2的研究进展J.长春工业大学学报(自然科学版),2006,27(1):5225513 顾晓峰,张联盟,杨梅君,等.SiCp/Al复合材料的SPS烧结及热处理性能研究J.无机材料学报,2006,21(6):1 40421 41014Pasat A L,Zhang J.E

18、ffect of SiC particulate rein2forcement on the dry sliding wear of aluminum2sili2con alloys(A356)J.Wear,1992,155:83210415Korkut M H.Effect of particulate reinforcement onwear behavior of aluminum matrix compositesJ.Material Science and Technology,2004,20:7328116Zhang Z F,Zhang L C,Mai Y W.Wear of ce

19、ramicparticle reinforced metal2matrix composites Part IJ.Journal of Materials Science,1995,30:1 96121 96617 吴洁君,王殿斌,桂满昌,等.SiC颗粒增强铝基复合材料磨损表层、亚表层形貌分析J.材料科学与工程,1999,17(3):7427718 白 玲,葛昌纯,沈卫平.放电等离子烧结技术J.粉末冶金技术,2007,25(3):217222319 谢 乔,朱冬梅,徐 洁,等.碳化硅陶瓷基复合材料的摩擦磨损性能研究J.摩擦学报,2007,27(3):22422291375第5期 霍 俊,等:纳米SiC含量对Ti3SiC2/Al复合材料摩擦磨损特性的影响