SiCp/7090Al复合材料的湿摩擦磨损性能

王承志 ，刘凤国 ，李玉海 ，高景龙 ，刘 越 ，袁晓光

（1 沈阳理工大学材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159；2 北大学材料与冶金学院，辽宁 沈阳 110819；3 沈阳工业大学材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110870）

工程机械中一些作往复运动的部件，如采用钢铁铜等高密度材料制作，当其快速运动时，必然会产生很大的运动惯量，为了降低惯性负荷，增加动作频率，需要采用高强轻质材料。超高强铝合金（如7×××系列）作为一种轻质结构材料，由于具有来源广泛、价格适中、工艺成熟、加工温度低等特点，因而成为首选材料。但其在磨损性能方面先天不足，而SiC颗粒增强铝基复合材料恰好具有质轻且耐磨的特点[1]，能够满足这一要求。

关于SiC颗粒增强复合材料摩擦磨损性能的研究已经较多[2-4]，但由于复合材料制备加工工艺和配套摩擦副（脱离摩擦副谈摩擦磨损性能没有意义）的多样性，以及工况的差异，制备加工工艺的稳定性和再现性较差，特别是针对被替代材料进行对比研究以及针对7×××系列的研究成果尚较少，所以本文分别针对SiC颗粒增强7090铝合金复合材料和原使用材料（铝青铜）就其各自的摩擦磨损性能进行了对比研究。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

为了研究用复合材料替代铝青铜后在摩擦磨损方面是否可行，本试验采用了两组摩擦副：即（1）12%SiCp/7090Al复合材料销-40Cr钢盘和（2）铝青铜（QAL10-4-4R）销-40Cr钢盘。其中复合材料销试样（图1）用元素粉末热压法制备，热处理（淬火温度475℃）后其力学性能为：抗拉强度525 MPa、屈服强度385 MPa、弹性模量96.5gPa、延伸率3.6%；铝青铜销和40Cr钢盘（图2）用市售棒材经机械加工而成。铝青铜销的尺寸与复合材料销完全一样，40Cr钢盘经热处理后表面硬度为HRC50。

图1 12%SiCp/7090Al复合材料销试样

图2 40Cr盘试样

1.2 试验设备与方法

试验在mmW-1A万能摩擦磨损试验机（济南益华摩擦学测试技术有限公司产）上进行。每次试验采用 2个销试样与盘试样组成摩擦副。用S-3400N扫描电子显微镜（日本日立公司产）观察试样磨损表面形貌；用感量为0.1 mg的电子分析天平秤量测定销试样磨损质量损失。试验载荷30N、摩擦力矩2500N·mm、转速300r/min。为尽量模拟实际工况，试验时在试样杯中注入4#驻退液（由抚顺中展石化有限公司提供），使销-盘试样的摩擦面始终处于驻退液中。

2 试验结果与分析

2.1 磨损减重

表1为铝铜销与复合材料销的磨损质量损失比较。在本试验的条件（试验载荷30N、摩擦力矩2500N·mm、转速 300min、试验时间 60min）下，铝青铜销试样的质量损失为0.1 mg，而铝基复合材料销基本上没有质量损失。由于铝青铜本身就是一种耐磨性能较好的材料，而铝基复合材料销的耐磨性能略优于铝青铜销，所以用铝基复合材料替代铝青铜，在满足耐磨性能要求方面是完全可行的。

表1 铝青铜销和复合材料销的磨损质量损失

2.2 摩擦系数

图3为铝青铜的摩擦系数变化曲线。由图可以看出，铝青铜的摩擦系数在试验时间内一直处于波动状态，而且呈逐渐增大的趋势，在试验的后半程，摩擦系数基本稳定，其数值约为0.053。

图3 铝青铜与40Cr钢摩擦系数随时间的变化

图4所示为铝基复合材料的摩擦系数变化曲线。可以看出随着时间的延长，摩擦系数呈减小趋势，30min后基本不再变化，其数值约为0.02，而且摩擦系数比较稳定波动很小。

由此可见，从摩擦系数上看，与QAL10-4-4-R铝青铜相比较，12.%SiCp/7090Al复合材料的摩擦系数小，而且稳定，即复合材料优于铝青铜。

2.3 摩擦表面观察

图5是铝青铜销试样表面摩擦划痕的SEM照片。由图5可见，铝青铜磨损严重，磨损表面出现了明显的车削痕迹，并有车屑存在，为典型的车削磨损。由于铝青铜硬度低，韧性好，车屑尚未剥离。因此，随着磨损的进行，韧性良好的车屑又会被对磨的摩擦副碾压到试样摩擦面，真正脱离摩擦面的磨屑很少，这也是磨损质量损失很小的原因之一（参见表1）。

图4 铝基复合材料与40Cr钢摩擦系数随时间的变化

图5 铝青铜销试样摩擦表面形貌

图6是12%SiCp/7090Al复合材料销试样摩擦面的SEM照片。由图6可见，样品表面没有形成明显的磨损痕迹，放大后（图6b））仅在局部看到极少量的划痕，说明在本试验的条件下，复合材料没有形成明显磨损。究其原因，是因为SiCp/7090Al复合材料是在铝基体上均布着SiC颗粒，整体硬度与40Cr相当，在较低的载荷下不能形成有效磨损。

图6 复合材料销试样摩擦表面形貌

图7 40Cr摩擦副磨损表面形貌

由于摩擦磨损性能与摩擦副的相对性和关联性，本试验还对40Cr钢摩擦副的摩擦表面形貌进行了观察，结果示于图7。由图可见，复合材料对40Cr摩擦副的磨损轻微，摩擦痕迹的数量和深度都明显小于铝青铜合金摩擦副。主要原因是低硬度的铝青铜合金销试样的整个摩擦面与40Cr磨盘始终处于紧密接触状态，使得驻退液较难进入摩擦面起到润滑作用，因此从微观的角度看，此时的摩擦接近于干摩擦（这可能也是铝青铜摩擦系数较大的原因之一），所以对销试样和摩擦副的磨损都很大。而复合材料在摩擦过程中主要是硬质陶瓷颗粒与40Cr接触，驻退液可以在摩擦面间隙中存在，润滑作用明显，因此摩擦副的磨损量非常小。因此从材料对摩擦副的磨损角度看，铝基复合材料的性能要好于铝青铜合金。

对比两种材料在相同试验条件下的表面磨损情况，可知铝基复合材料的表面划痕明显少于铝青铜合金的划痕，而且划痕也比较轻微，因此可以判定复合材料抗磨损性能高于铝青铜合金。

3 结论

在中载荷湿摩擦的条件下，12%SiC/7090Al复合材料与40Cr钢组成的摩擦副，具有摩擦系数小且稳定、耐磨损的良好摩擦磨损性能，完全可以替代原来的铝青铜。

［1］强颖怀，王晓虹，冯培忠.SiCp增强金属基复合材料的研究进展［J］.轻金属，2003（7）：49-51.

［2］周永欣，马斌，吕振林.粒度对SiCp/Al复合材料组织及耐磨性的影响［J］.兵器材料科学与工程，2011（3）：18-20.

［3］潘振亚，程和法，黄笑梅，等.预制块重熔法制备的SiC/Al复合材料的磨损性能研究［J］.金属功能材料，2010（2）：61-66.

［4］金云学，Jung-Moo Lee，Suk-Bong Kang.铝基复合材料的干滑动摩擦磨损特性及磨损机制［J］.特种铸造及有色合金，2008（S1）：347-351.