徐保海，劉聯(lián)軍?，車明超，李 利

西安航空制動科技有限公司粉末冶金廠，興平 713100

隨著科學(xué)技術(shù)與社會的發(fā)展，因具有優(yōu)異的力學(xué)性能，金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用逐漸從航空航天領(lǐng)域向汽車、高速列車等交通領(lǐng)域過渡。在鋁基復(fù)合材料中加入SiC、Al2O3等陶瓷顆粒，可提高鋁基復(fù)合材料的綜合性能，可替代質(zhì)量偏大的鐵基摩擦材料或銅基摩擦材料，成為新一代輕型摩擦材料。鋁基復(fù)合材料還被用于軌道交通和車輛制動盤的研究中，降低制動過程中產(chǎn)生的剎車能量[1–2]。

SiCp/Al復(fù)合材料因具有密度低、比剛度高、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐磨損以及導(dǎo)熱性能優(yōu)異等特點(diǎn)得到長遠(yuǎn)發(fā)展[3–6]。目前，制備SiCp/Al復(fù)合材料的方法主要包括固相法和液相法，但都存在一些不足，如攪拌熔鑄技術(shù)制備的SiCp/Al復(fù)合材料界面結(jié)合性差，SiC顆粒增強(qiáng)體在鋁基體中分布不均勻，且材料性能差；離心鑄造技術(shù)工藝成熟度低，不適于批量化生產(chǎn)；噴射沉積技術(shù)等新型制備技術(shù)均存在技術(shù)不成熟，工藝過程無法控制等缺點(diǎn)[7–10]。相較而言，粉末冶金技術(shù)制備SiCp/Al復(fù)合材料技術(shù)成熟。本文采用粉末冶金技術(shù)制備SiCp/Al復(fù)合材料，對材料微觀結(jié)構(gòu)及摩擦磨損性能進(jìn)行研究，探討SiC含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）對鋁基復(fù)合材料性能的影響，為拓展鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用提供參考。

1 實驗材料及方法

1.1 試樣制備

實驗采用鋁粉、碳化硅、硅粉、電解銅粉和錳粉為主要原材料。按表1配比配制4種混合粉料，在雙錐形混合機(jī)中混合4～6 h，將混合均勻的粉料制成尺寸為20 mm×15 mm×5 mm的壓坯。將壓坯置于鐘罩式加壓燒結(jié)爐內(nèi)并在氫氣保護(hù)氣氛中進(jìn)行加壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度580 ℃，燒結(jié)壓力為0.5～0.8 MPa，保溫時間為2～2.5 h，燒結(jié)完成后冷卻至≤60 ℃，出爐。

表1 SiCp/Al復(fù)合材料的配比組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Composition of the SiCp/Al samples %

1.2 性能表征

采用X射線衍射儀（X-ray diffraction，XRD；SHIMADZU 7000S，日本）對試樣的物相進(jìn)行分析；使用TG328B型分析天平和HRF-150型洛氏硬度計分別測定試樣的密度和硬度；利用德國威格（VEGA）公司的TS5136型掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀測試樣的微觀形貌；在MM-3000型摩擦磨損性能試驗臺上進(jìn)行摩擦磨損性能試驗，試驗條件為慣量0.15 kg·m2，壓力0.7 kN，轉(zhuǎn)速3583 r·min?1，制動盤材料為HT200灰鑄鐵。

2 結(jié)果與討論

2.1 物相分析

圖1為SiCp/Al復(fù)合材料的X射線衍射圖譜。從圖中可看出，在不同含量SiC摻雜Al基復(fù)合材料中Al的衍射峰均都尖銳且很高，說明Al的結(jié)晶度高，純度較好；X射線衍射圖譜還表明少量的Al和SiC反應(yīng)可生成新物質(zhì)Al4C3。當(dāng)SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，Al4C3衍射峰較低，并且峰型較寬，說明生成Al4C3較少且結(jié)晶程度不高；隨著SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加至20%時，Al4C3衍射峰明顯變高，峰型尖銳，表明Al4C3結(jié)晶程度得到了明顯的改善，含量也較多；當(dāng)SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至25%時，出現(xiàn)了較多的雜峰，Al4C3衍射峰無明顯的變化。同時從圖中還可以看出，當(dāng)SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～25%時，衍射峰無明顯的變化，這可能是由于大量的Al4C3物質(zhì)聚集在SiC顆粒的表面，具有一定的厚度，導(dǎo)致X射線無法深度穿透，產(chǎn)生了無明顯變化的衍射峰。

圖1 SiCp/Al復(fù)合材料的X射線衍射圖譜Fig.1 XRD patterns of the SiCp/Al composites

2.2 密度分析

圖2為SiCp/Al復(fù)合材料的密度曲線。從圖中可以看出，當(dāng)SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，試樣的密度為2.815 g·cm?3，隨著SiC含量繼續(xù)增加，試樣密度沒有明顯變化。當(dāng)SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至25%時，密度呈現(xiàn)下降的趨勢，這是因為當(dāng)SiC超過一定量時，SiC不能再完全被鋁基體包裹，且在混料過程中，SiC顆粒易于同塑性較好的鋁基體粘附形成“勁圈”[11]，增大SiC顆粒團(tuán)聚的可能性，導(dǎo)致在壓制過程中阻礙了鋁基體的變形流動，無法填充顆粒之間的空隙，從而降低了SiCp/Al復(fù)合材料的密度。因此，在本研究條件下，鋁基復(fù)合材料選擇SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜超過20%。

圖2 SiCp/Al復(fù)合材料的密度曲線Fig.2 Density curve of the SiCp/Al composites

2.3 硬度分析

圖3為SiCp/Al復(fù)合材料的硬度曲線。從圖中可以看出，SiCp/Al復(fù)合材料的布氏硬度隨著SiC含量的增加呈先增長后減小的趨勢。當(dāng)SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時，硬度達(dá)到最大值（HBW 114），這可能是由于適量SiC顆?？稍鰪?qiáng)鋁基復(fù)合材料的硬度，而且粉末冶金法制備的SiCp/Al復(fù)合材料混合料均勻度高，在加壓燒結(jié)過程中，能有效約束鋁基體和SiC顆粒的流動形變，使鋁基體形成回復(fù)、再結(jié)晶過程，同時SiC顆粒的釘扎效應(yīng)會阻礙晶粒的長大，細(xì)化晶粒，從而提高SiCp/Al復(fù)合材料的硬度[12]。當(dāng)SiC顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時，試樣的密度較低，基體形變的能力增強(qiáng)，孔隙率增加，從而使試樣的硬度值降低。

圖3 SiCp/Al復(fù)合材料的硬度曲線Fig.3 Hardness curve of the SiCp/Al composites

2.4 微觀形貌分析

圖4為SiCp/Al復(fù)合材料微觀形貌圖。當(dāng)SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，SiC顆粒在鋁基體中非均勻分布，存在少量團(tuán)聚現(xiàn)象，且SiC之間也沒有Al潤濕其中，這是由于SiC顆粒的粒徑小于Al，較少的含量也降低了流動性而導(dǎo)致的。當(dāng)SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時，鋁基體能包裹住SiC顆粒，但由于SiC顆粒表面張力大，與熔融態(tài)的Al潤濕行為差而存在明顯的界面。從圖4（c）中可看出，當(dāng)SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時，SiC顆粒較好地與鋁基體鑲嵌在一起，顆粒分布均勻，致密性良好，無明顯的孔洞，且在SiC表面附著一種連續(xù)性物質(zhì)，這種物質(zhì)被證明是一種C和Al組成的Al4C3化合物，這與X射線衍射能譜分析結(jié)果表述一致。當(dāng)SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至25%時，鋁基體呈片狀結(jié)構(gòu)，試樣內(nèi)部孔隙明顯，脫落的SiC孔洞與Al呈現(xiàn)出非連續(xù)性的表面，這可能是因為在燒結(jié)過程中，鋁基體顆粒逐漸黏合，邊緣處過量的SiC顆粒被推移在一起，使孔隙率增加，密度降低，從而導(dǎo)致SiC顆粒與基體結(jié)合性變差。通過微觀形貌分析認(rèn)為SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%為最佳含量。

圖4 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)SiC的SiCp/Al復(fù)合材料的掃描電子顯微形貌：（a）10%；（b）15%；（c）20%；（d）25%Fig.4 SEM images of the SiCp/Al composites with different mass fraction of SiC: (a) 10%; (b) 15%; (c) 20%; (d) 25%

2.5 摩擦磨損性能分析

圖5為SiCp/Al復(fù)合材料與HT200制動盤組成摩擦副的平均摩擦系數(shù)曲線。從圖中可以看出，當(dāng)SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，平均摩擦系數(shù)約為0.2866；隨著SiC含量的增加，平均摩擦系數(shù)逐漸增大，在SiC含量為20%時達(dá)到最大，約為0.3425。這與適量的SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)和微觀組織有關(guān)，摩擦組元SiC能緊密地鑲嵌在鋁基體中，在摩擦過程中防止鋁基體的劃傷，從而提高了平均摩擦系數(shù)。當(dāng)SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時，摩擦系數(shù)不穩(wěn)定且降低至0.3018左右。分析認(rèn)為，密度越低，結(jié)構(gòu)越松散，SiC顆粒越易于脫落，摩擦過程中磨粒磨損越嚴(yán)重，顆粒摩擦作用不顯著，使磨損量增加。圖6為SiCp/Al復(fù)合材料的磨損量曲線，從圖中可以看出，當(dāng)SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%～20%變化時，磨損量基本保持不變，其中當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時，磨損量為0.034 cm3·MJ?1，但當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至25%時，磨損量急劇增加，這與上述分析結(jié)構(gòu)保持一致。

圖5 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)SiC的SiCp/Al復(fù)合材料的摩擦系數(shù)曲線Fig.5 Friciton coefficient curves of the SiCp/Al composites with different mass fraction of SiC

圖6 SiCp/Al復(fù)合材料的磨損量曲線Fig.6 Wear rate curve of the SiCp/Al composites

2.6 摩擦磨損形貌分析

圖7為SiCp/Al復(fù)合材料摩擦磨損后表面形貌。從圖7（a）中可以看出，摩擦表面較為平整，以淺細(xì)劃痕為主，耐磨性較好，這是由于SiC顆粒含量較少，對鋁基體形成的切削能力較弱。圖7（b）中摩擦表面比較粗糙，犁溝淺且寬度較窄，表面不平整，出現(xiàn)了SiC顆粒剪切被剝落的痕跡，質(zhì)量磨損率未增加的原因可能是摩擦磨損過程中磨屑在機(jī)械力的作用下粘附在材料表面所致。圖7（c）中犁溝少而淺，摩擦表面平整且逐漸趨于光滑，表明了SiC顆粒鑲嵌于鋁基體比較合理，結(jié)合強(qiáng)度很高，很難被摩擦過程的剪切力拔出，因而平均摩擦系數(shù)穩(wěn)定且較高。圖7（d）中磨損表面的犁溝劃痕很深且很寬，刮削作用顯著，這是由于不規(guī)則的SiC顆粒易于團(tuán)聚且質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大而導(dǎo)致的，同時還可能與伴有其他物質(zhì)的產(chǎn)生有關(guān)，但目前還未有相關(guān)報道指出這類物質(zhì)的化學(xué)組分，這有待進(jìn)一步的研究。

圖7 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)SiC的SiCp/Al復(fù)合材料的摩擦表面形貌：（a）10%；（b）15%；（c）20%；（d）25%Fig.7 Wear surface morphology of SiCp/Al composites with different mass fraction of SiC: (a) 10%; (b) 15%; (c) 20%; (d) 25%

3 結(jié)論

（1）利用粉末冶金法制備SiCp/Al復(fù)合材料時，SiC顆粒表面明顯形成Al4C3化合物，隨著SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，SiCp/Al復(fù)合材料的密度沒有明顯的變化，當(dāng)SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至25%時，密度明顯下降；

（2）隨著SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，SiCp/Al復(fù)合材料的布氏硬度呈先增長后減小的變化趨勢，當(dāng)SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時，硬度達(dá)到最大值（HBW 114），此時材料的密度最高，綜合性能達(dá)到最佳；

（3）當(dāng)SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時，SiCp/Al復(fù)合材料與HT200制動盤組成摩擦副，在慣量0.15 kg·m2、壓力 0.7 kN、轉(zhuǎn)速 3583 r·min?1條件下，平均摩擦系數(shù)可達(dá)到 0.3425，磨損量為 0.034 cm3·MJ?1，摩擦后試樣表面形貌平整且犁溝較淺，SiC顆粒未出現(xiàn)明顯剝落。