简介概要

Al₂O_3P/ZA27复合材料的高温摩擦磨损特性

来源期刊：中国有色金属学报2002年第z1期

论文作者：宋延沛谢敬佩祝要民李晓辉

文章页码：123 - 126

关键词：Al₂O_3P/ZA27复合材料；高温；摩擦磨损

Key words：Al₂O_3P/ZA27 composites； elevated temperature； friction and wear

摘要：借助SRV高温摩擦磨损试验机、SEM及能谱分析仪研究了Al₂O_3p/ZA27复合材料的高温摩擦磨损特性。结果表明:在边界润滑条件下,Al₂O_3p/ZA27复合材料的高温磨损质量损失较ZA27合金降低0.00534g;摩擦因数随着增强颗粒体积分数的增加而降低,当增强颗粒的体积分数由10%增加到30%时,Al₂O_3p/ZA27复合材料的摩擦因数由0.142降低到0.132,但均高于ZA27合金。其高温失效形式为犁削和疲劳磨损。

Abstract: The friction and wear behaviors of Al₂O_3p/ZA27 composites at elevated temperature were investigated with SRV friction and wear testing machinery, SEM and EDS in the present work. Results show that the mass lose of Al₂O_3p/ZA27 composites worn under the condition of boundary lubrication at 150 ℃ decreases by 0.00534 g in comparison with the matrix ZA27 alloy. The friction coefficient of Al₂O_3p/ZA27 composites at 150 ℃ decreases with increasing the volume fraction of ceramic particle, i.e. Al₂O_3p. When the volume fraction of ceramic particle ranges from 10% to 30%, the friction coefficient of the composites at 150 ℃ will be lowed from 0.142 to 0.132 which are all more than that of ZA27 alloy. The failure modes of friction and wear of the composites at elevated temperature are all plowing groove and fatigue stripping.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2002.s1.027

Al₂O_3P/ZA27复合材料的高温摩擦磨损特性

宋延沛谢敬佩祝要民李晓辉

洛阳工学院材料科学与工程系

洛阳工学院材料科学与工程系洛阳471039

摘要：

借助SRV高温摩擦磨损试验机、SEM及能谱分析仪研究了Al2 O3p/ZA2 7复合材料的高温摩擦磨损特性。结果表明 :在边界润滑条件下 , Al2 O3p/ZA2 7复合材料的高温磨损质量损失较ZA2 7合金降低 0 .0 0 5 34g ;摩擦因数随着增强颗粒体积分数的增加而降低 , 当增强颗粒的体积分数由 10 %增加到 30 %时 , Al2 O3p/ZA2 7复合材料的摩擦因数由 0 .142降低到 0 .132 , 但均高于ZA2 7合金。其高温失效形式为犁削和疲劳磨损。

关键词：

Al2O3p/ZA27复合材料;高温;摩擦磨损;

中图分类号： TB331

收稿日期：2001-10-19

基金：原机械工业部资助项目 ( 96 2 5 12 0 2 );

Friction and wear behaviors of Al₂O₃/ZA27 composites at elevated temperature

Abstract：

The friction and wear behaviors of Al 2O 3p /ZA27 composites at elevated temperature were investigated with SRV friction and wear testing machinery, SEM and EDS in the present work. Results show that the mass lose of Al 2O 3p /ZA27 composites worn under the condition of boundary lubrication at 150?℃ decreases by 0.005?34?g in comparison with the matrix ZA27 alloy. The friction coefficient of Al 2O 3p /ZA27 composites at 150?℃ decreases with increasing the volume fraction of ceramic particle, i.e. Al 2O 3p . When the volume fraction of ceramic particle ranges from 10% to 30%, the friction coefficient of the composites at 150?℃ will be lowed from 0.142 to 0.132 which are all more than that of ZA27 alloy. The failure modes of friction and wear of the composites at elevated temperature are all plowing groove and fatigue stripping.

Keyword：

Al 2O 3p /ZA27 composites; elevated temperature; friction and wear;

Received： 2001-10-19

锌铝合金特别是ZA27合金作为一种新型材料, 由于强度高、耐磨性好、成本低等优点, 已在国内外得到迅速发展和广泛应用, 但由于锌铝合金在高温 (>100 ℃) 环境下, 其强度和硬度较低, 抗蠕变性能较差, 使应用受到一定限制 ^[1] 。为了提高ZA27合金的高温性能和扩大其应用范围, 解决锌铝合金的耐高温问题便成为国内外材料工作者研究的热点。

非连续增强金属基复合材料由于具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐高温等优点成为金属基复合材料 (MMCs) 的一个重要发展方向。以锌铝合金为基体的非连续增强复合材料, 是改善锌铝合金耐热性和耐磨性的有效方法, 已得到越来越多的研究者关注。

近年来, 国内外的一些高等院校和科研单位正在加紧进行锌铝合金复合材料的研究开发, 已在改善硬度及耐磨性方面取得了一些研究成果 ^[2,3,4,5] , 但对ZA27合金为基体的非连续增强复合材料的摩擦磨损研究还不多, 且主要局限于干滑动摩擦磨损 ^[6,7,8,9] , 对其在边界润滑状态下的摩擦磨损尤其高温摩擦磨损涉足甚少。因此, 本文作者针对不同体积分数的Al₂O_3p/ZA27复合材料高温磨擦磨损行为进行了研究。

1 实验方法

1.1 材料制备

本实验采用挤压浸渗法制备 Al₂O_3p复合材料。试验合金的基本成分为 (质量分数, %) : Al25%~28%, Cu1.25%~1.75%, Mg0.01%~0.015%, 其余为Zn。增强体为Al₂O₃颗粒, 粒度为10 μm。加入量 (体积分数, %) 分别为10%, 20%, 30%。

1.2 实验条件

磨损试验在SRV高温磨损试验机上进行, 摩擦副为45^#钢, 硬度HRC45。试验温度150 ℃, 试验载荷600 N, 频率40 Hz, 振幅1.2 mm, 磨损线速度0.1~0.15 mm/s, 磨损时间1 h。磨损前后试样及磨擦副均用丙酮清洗干净, 用TG328B万分之一电光分析天平称量磨损质量损失。

采用JSM-35CF扫描电镜和能谱分析仪对磨损表面进行微观分析。

2 结果与讨论

2.1ZA27合金及其复合材料的高温摩擦磨损性能

ZA27合金及其复合材料在150 ℃下的摩擦磨损性能见表1。由表1可知, 试验条件下ZA27合金的磨损质量损失远高于其复合材料, 当ZA27合金中Al₂O_3p颗粒体积分数增加到30%时, 其硬度由HB 79增加到HB 113, 磨损质量损失由0.005 2 g逐渐减少到-0.000 14 g, 即出现负值增量。摩擦因数明显高于ZA27合金, 但随着ZA27合金中Al₂O_3p体积分数由10%增加到30%时, 摩擦因数由0.142降低到0.132。可见, Al₂O_3p/ZA27复合材料在150 ℃下的磨损质量损失均低于ZA27合金, 摩擦因数随Al₂O_3p体积分数的增加而降低, 但高于ZA27合金。

表1 ZA27合金和Al2O3p/ZA27复合材料的高温摩擦磨损性能

Table 1 Friction and wear behavior of ZA27 alloy and its composites at high temperature

Property of material (150 ℃)	ZA27 alloy	Al₂O_3p/ZA27
Property of material (150 ℃)	ZA27 alloy	10%Al₂O_3p	20%Al₂O_3p	30%Al₂O_3p
Hardness (HB)	79	102	103	113
Mass loss/g	0.005 2	0.000 5	-0.000 1	-0.000 14
Friction coefficient (μ)	0.122	0.142	0.136	0.132

Al₂O_3p/ZA27复合材料耐磨性之所以高于ZA27合金是因为ZA27合金中随着Al₂O_3p体积分数增加, 基体硬度大幅度提高, 这些颗粒一方面在摩擦磨损过程中起支撑减磨作用, 使得复合材料在与摩擦副对磨时, 接触点基体部分的塑性变形受到颗粒的阻碍而减小, 粘着磨损趋势减轻, 从而保护了基体不被严重磨损。另一方面, 摩擦过程中增强颗粒对摩擦副磨损产生的磨削不断嵌入复合材料磨损面较软的基体内而出现增量现象 (见图1) 。 ZA27合金自润滑性良好, 摩擦因数较低 ^[10] 。加入Al₂O_3p颗粒后, 由于Al₂O_3p颗粒为增磨材料 ^[11] , 加上高温下润滑油膜的非连续性, 致使Al₂O_3p/ZA27复合材料的摩擦因数高于ZA27合金的。但随着Al₂O_3p/ZA27复合材料中Al₂O_3p体积分数的增加, 磨损表面增强颗粒的数目增多 (见图2) , 在摩擦磨损过程中, 这些增强颗粒在摩擦应力的作用下, 从基体上脱落的几率相应增大, 造成磨损面上储油凹坑的增多, 从而为良好的边界润滑创造了条件, 使高体积分数的Al₂O_3p/ZA27复合材料具有较低的摩擦因数。

2.2 磨损表面形貌分析

磨损过程是材料在摩擦应力作用下质量不断丢

图1 150 ℃下Al2O3p/ZA27复合材料磨损表面的能谱分析

Fig.1 DES analyses of wear surface of Al₂O_3p/ZA27 composites at 150 ℃

图2 复合材料在150 ℃的磨损面形貌

Fig.2 Friction and wear surface morphologies of Al₂O_3p/ZA27 composites at 150 ℃ (a) —10% Al₂O_3p; (b) —20% Al₂O_3p; (c) —30% Al₂O_3p

失的过程, ZA27合金由于基体硬度低于摩擦副的硬度, 在高温磨损载荷作用下摩擦副表面的微凸体透过油膜压入试样表面, 并在旋转力矩作用下切削基体形成犁沟和产生塑性变形。扫描电镜下观察发现, 磨损表面犁沟较深、并伴随有塑性变形和粘着磨损 (见图3) 。当ZA27合金中加入Al₂O_3p颗粒时, 试样硬度明显提高, 这些硬质Al₂O_3p颗粒在磨损试验中, 暴露在磨损表面, 承受了旋转试环的正压力和剪切应力, 使摩擦副表面的微凸点难于压入基体从而保护了基体不被严重磨损, 随着ZA27合金中Al₂O_3p颗粒体积分数的增加, 承载颗粒间距减小, 材料硬度进一步提高, 有效抵抗摩擦副表面的微凸点压入试样的作用增强, 磨损表面的犁沟作用减弱。在扫描电镜下观察, 同样可以发现, 复合材料磨损表面除了窄而较浅的不连续犁沟外还有颗粒脱落后留下的凹坑 (见图2) 。这是由于在磨损过程中, 基体不断被磨掉, 使得颗粒暴露出来, 在摩擦过程中这些颗粒受到摩擦副微凸点的交替冲击, 在颗粒界面产生周期性拉、压应力, 使颗粒周围基体产生疲劳裂纹而减弱对增强颗粒的支撑, 当其不足以抵抗摩擦力对颗粒增强体的作用时, 颗粒就会从基体上脱落形成凹坑, 并在磨面上形成磨粒, 加剧了试样的磨损。颗粒与基体的结合力越弱这种作用愈明显。可见, 复合材料高温下的失效形式均为犁削和疲劳磨损。

图3 ZA27合金在150 ℃的磨损面形貌

Fig.3 Friction and wear surface morphology of ZA27 alloy at 150 ℃