颗粒增强金属基复合材料在摩擦磨损领域的应用

颗粒增强金属基复合材料在摩擦磨损领域的应用

1磨损行为的研究合成金属化合物（pmbss）具有高比强度和柔软度、良好的高温强度和抗疲劳防滑性能以及低热膨胀系数。这是近年来引起注意的新材料。PMMCs的发展为制备新型耐磨材料提供了新的途径,并已在诸多要求耐磨性的领域获得了应用,如作为发动机活塞、气缸套、转动轴承、汽车刹车系统和分油盖等。因此对该材料的摩擦磨损行为进行广泛深入的研究有着重要的现实意义。然而,磨损过程的影响因素众多(如载荷、滑动速度、环境温度、运动形式以及对摩件种类等),且常常交互作用,使得材料磨损性能在许多时候缺乏可比性。对于PMMCs,由于本身组织结构的复杂性,更是增加了其摩擦磨损行为研究的难度,所以经常出现一些相互矛盾的结论。因此,PMMCs干摩擦磨损性能及其磨损机理还有待更进一步的研究。本文评述了近年来关于PMMCs干磨擦磨损行为的研究结果,分析了各种因素对材料耐磨性、摩擦系数和配偶件磨损的影响,介绍了不同条件下复合材料的磨损机制,以期增进对PMMCs摩擦磨损行为的认识。2干燥的橡胶性能2.1耐疲劳2.1.1通过颗粒混杂增强铝基复合材料影响PMMCs耐磨性能的材料因素包括颗粒种类、颗粒含量、颗粒尺寸以及基体种类和热处理状态等。在不同的磨损条件下,这些因素对复合材料耐磨性具有不同的影响规律。研究发现,PMMCs中不同种类的颗粒增强物对材料耐磨性有不同的增强效果。Stao等的研究表明,SiC、TiC、Al2O3和Si3N4等颗粒增强物使铝基复合材料的耐磨性提高4~10倍,而当增强物为MgO、BN等较软的颗粒时,复合材料的耐磨性反而降低了;Hosking等发现,由于SiC比Al2O3颗粒具有更高的硬度,因而提高复合材料耐磨性的效果更加明显。然而,Surappa等和Zhang等却发现Al2O3颗粒比SiC颗粒能更有效地增强铝基复合材料的耐磨性。在高载荷条件下,Al2O36061复合材料比SiC6061具有更高的从轻微磨损向严重磨损的转变载荷,原因是Al2O3-基体之间的界面更能有效防止裂纹的形成。Caracostas等也发现由于TiB2-Al的界面结合好,所以TiB2增强铝基复合材料的耐磨性比SiCAl的更高。由此可见,除了颗粒本身的强度、硬度等性能之外,增强物与基体的界面结合强度也是影响PMMCs耐磨性的重要因素,在设计高耐磨复合材料体系时要综合考虑这两方面因素的影响。在金属基体中加入石墨、MoS2和WS2等软的固体润滑颗粒后,它们能在摩擦过程中涂覆于对摩面上形成较为稳定的润滑薄膜,减少了对磨面的直接接触,从而提高了复合材料的耐磨性。鉴于此,Ames等采用SiC和石墨颗粒混杂增强铝基复合材料,发现软、硬两种颗粒能同时发挥各自作用,获得了良好摩擦性能的PMMCs。一般而言,高性能的硬质陶瓷颗粒可作为摩擦过程中的有效承载体,减少表层金属的流动,所以随着颗粒含量增加PMMCs的耐磨性也提高。Venkataraman等发现0~40vol.%的范围内,增加SiC颗粒含量可使复合材料的耐磨性显著提高;在52~122N、1ms的试验条件下,SiC含量为10vol.%即可避免严重磨损的发生。Chung等对各种粒度大小的SiC增强铝基复合材料的摩擦试验也发现,SiC颗粒减少了基体的塑性变形和向对磨面的转移,所以复合材料的耐磨性随颗粒含量增加而提高了。然而Anand等发现Al2O3颗粒增强Al-10wt.%Zn复合材料的最佳耐磨性对应于一个颗粒含量范围(25~35wt.%),当增强物含量超出此范围时,复合材料的耐磨性反而变差。研究发现,该复合材料为弱界面结合,且在界面附近有较大的应力集中,当颗粒含量过高时界面脱粘的效果超过了颗粒对耐磨性的增强效果,使得复合材料的耐磨性下降。Wang等和Lee等也发现在某一临界载荷下,由于颗粒脱粘而形成三体磨损,使得复合材料的耐磨性随颗粒含量增加而降低了。所以,对于一定的PMMCs体系,应根据具体的摩擦条件来选择合适的增强物含量,才能有效发挥其对耐磨性的增强作用。颗粒尺寸对PMMCs耐磨性的影响在不同的载荷条件下有不同的规律。Alpas等和Jokinen等认为,增大颗粒尺寸可提高PMMCs的耐磨性,因为较低载荷时,大的颗粒增强物可以更好地保护基体,减轻其被配偶件刮擦而发生材料转移的程度。而Chung等则认为由于粗颗粒能更有效地防止亚表层裂纹扩展引发的剥层磨损,因而比细颗粒增强的PMMCs具有更好的耐磨性。Hosking等也发现低载荷(0.5N)时,在粒度为1~142μm的范围内随着Al2O3颗粒尺寸的增大铝基复合材料的耐磨性逐渐提高,但没有具体指出颗粒尺寸对PMMCs磨损性能影响的具体机制。然而,颗粒的临界缺陷尺寸与其直径成正比,在同样的载荷条件下,大颗粒发生开裂的可能性更大。所以,当达到使颗粒破碎的压力时,颗粒尺寸对耐磨性的影响则呈现相反的规律。如Skolianos等发现当SiC颗粒尺寸从10.7μm增加到29μm时,PMMCs的耐磨性下降。颗粒破裂一方面降低了其承载能力,使得基体的塑性变形增加,另一方面还会促进亚表层的裂纹形核而引发剥层磨损。因此,确定颗粒增强物的尺寸时,应分析具体的外部条件(尤其是载荷条件)。在轻微磨损或是由于摩擦条件恶劣(如载荷、速度或温度较高时)引起粘着磨损时,选择断裂强度高的大颗粒可有效保护基体;而在中等载荷条件下选择小颗粒则可有效防止裂纹的形核和扩展。基体的种类、成分以及热处理状态对PMMCs的耐磨性也有很大的影响。卢德宏等制备了SiC和Gr混杂增强纯铝和各种铝合金基复合材料,发现基体的塑性决定了复合材料的耐磨性。由于纯铝比其它铝合金的塑性更高,因此以它为基体的混杂增强复合材料具有更高的耐磨性。Pan等发现过时效SiCp2124Al复合材料具有比欠时效和峰时效的SiCp2124Al具有更好的耐磨性。主要原因是磨损过程中过时效SiCp2124Al复合材料的断裂路径是在基体的晶界,而欠时效和峰时效的复合材料是从颗粒-基体的界面处断裂,所以过时效减少了SiC颗粒的脱出,提高了材料的耐磨性,这一结论得到了Wang等的证实。Sannino等对SiCp2009的研究表明,过时效一方面释放了应力,提高了材料的耐磨性,但另一方面也在增强物周围形成沉淀相,导致界面脆化而降低了耐磨性。可见,基体对PMMCs耐磨性的影响主要通过颗粒-基体的界面和增强物与基体塑性变形的协调性来决定,获得适中的界面结合以及组元之间良好的变形协调性是制备高耐磨性PMMCs的重要条件。2.1.2滑动速度对材料摩擦学性能的影响复合材料的磨损率通常随着正载荷增加而增大,当达到一定的临界载荷时PMMCs会发生磨损机制的变化而引起磨损率的急剧升高。Alpas等人研究了SiC20vol.%A356和Al2O320vol.%6061等复合材料体系,发现正载荷对复合材料磨损率的影响呈现“三阶段”的规律。在这三个阶段中,磨损率随载荷的增加具有不同的升高速率;对应于不同的载荷条件,占主体的磨损机制从显微犁削变为亚表层剥落,再到表层软化引起的材料转移。由于不同种类增强颗粒高温性能的差异,使得PMMCs向严重磨损转变的临界载荷也不同。Ames等发现,在SiC20vol.%A356的基础上添加3vol.%或10vol.%的石墨颗粒后,复合材料在1~441N的载荷条件下不出现向严重磨损转变的现象,主要原因是石墨的固体润滑作用提高了材料的抗咬合性能,避免了严重磨损的发生。滑动速度主要通过影响亚表层形变速率和由摩擦热引起表面温度升高来影响PMMCs的耐磨性。Sato等发现分别由15vol.%SiC和20vol.%SiO2颗粒增强的铝基复合材料,其磨损率随着滑动速度的增大而下降;而对15vol.%Al2O3和15vol.%TiC颗粒增强的铝基复合材料,滑动速度则对磨损率没有影响。Wang等发现在较低的滑动速度下,相对速度增加使得PMMCs的稳态磨损率下降。然而,在一定的载荷条件下,当滑动速度增大到某一临界值时,PMMCs会发生磨损率的突变。增加滑动速度还会降低材料的临界转变载荷值,使严重磨损提前发生。Lee等观察到滑动速度对磨损率影响的“双峰”效应。在0.25ms以下,复合材料的磨损率先增加,并在0.25ms达到峰值,随后摩擦系数和磨损率随着滑动速度的增大逐渐下降,在超过1ms后由于发生熔化磨损,磨损率又升高,出现另一个峰值。分析认为,在较低的滑动速度下,增加对摩速度可使材料的应变速率增加,引起加工硬化而提高了材料的表面硬度,所以磨损率降低;当超过临界速度后,摩擦热引起的温升软化效应的影响更加明显,使得对摩面的真实接触面积增大,引起粘着磨损。当前关于PMMCs摩擦磨损的研究主要偏重于室温磨损,而在高温条件下材料会表现出不同的磨损行为。Singh等研究了20vol.%Al2O36061复合材料在25℃~500℃的温度范围内的磨损行为,发现存在一个对应于材料发生严重磨损的临界温度,超过该温度时,材料将发生粘着、熔焊等,导致复合材料耐磨性下降。主要原因是过高的温度条件引起的基体软化抵消了颗粒对复合材料高温力学性能的增强作用,而使粘着磨损成为主导PMMCs耐磨性的主要机制。Das等在Al-Si合金中加入石墨颗粒,发现复合材料不出现基体合金在200℃所发生的严重磨损。另外也有研究发现当温度不太高时,适当提高环境温度可使从配偶件脱落的Fe颗粒氧化,起到固体润滑作用而降低材料的磨损率。由此得到的启示是,在高温磨损的条件下,PMMCs中除要发挥硬质陶瓷颗粒对材料高温强度的增强作用之外,引进适量的自润滑颗粒还能减轻粘着磨损的程度,设计相应的混杂增强复合材料体系是满足这一应用条件的重要手段。2.2微突体的表面微突体Suh等认为,材料的摩擦系数由三个条件所决定,即滑动表面光滑区域的粘着,磨粒和硬质微突体的犁削,以及表面微突体的变形。对于PMMCs,除了载荷、速度、温度等外部条件和配对材料种类之外,复合材料本身的显微结构也影响摩擦系数的大小。2.2.1颗粒尺寸对降低摩擦系数的影响颗粒增强物对PMMCs摩擦系数的影响与材料所处的摩擦条件有关。Roy等发现SiC、TiC、TiB2、B4C等颗粒的加入使得复合材料的摩擦系数比基体降低了30%;Saka等对Al2O3pCu的研究也得到类似的结论。且复合材料摩擦系数随颗粒增强物含量的增加而降低。分析认为,加入增加物后基体与对摩面的直接接触面积减少了,减轻了基体的涂抹效应,所以稳态磨损时颗粒含量增加可降低摩擦系数。但Zhang等对SiC和Al2O3颗粒增强6061铝合金复合材料进行的刮擦磨损试验则发现,增加颗粒含量反而提高了材料的摩擦系数。王文龙等也发现SiC颗粒增强LD2和ZL101两种铝合金复合材料的摩擦系数均比基体的更高。Wang等和Lee等认为在某一临界载荷下,复合材料发生三体磨损是引起摩擦系数增加的主要原因。固体润滑颗粒为制备低摩擦系数的PMMCs提供了更为广泛的选择。Rohatgi等的研究结果表明,当把石墨等固体润滑颗粒添加于金属基体中时,由于它能在磨损过程涂覆于对摩面上,改变了摩擦副的接触形式,所以降低了摩擦系数;当石墨的含量超过20vol.%时,复合材料的摩擦系数接近石墨本身的摩擦系数值,而与基体无关。颗粒尺寸对PMMCs摩擦系数的影响与具体的摩擦条件有关。Zhang等在室温和200℃下的刮擦磨损试验发现,尺寸为13μm的SiC颗粒使Al-Li基复合材料的摩擦系数随载荷而增大;SiC颗粒为30μm时,摩擦系数却与载荷无关。由于在200℃的刮擦磨损条件下,基体软化使压头的压入面积增大,细SiC颗粒对基体合金的保护作用较弱,因而压头的接触面积大,使得摩擦系数更高。因此他们认为,摩擦系数取决于压头的压入深度和增强物的大小。Rana等采用销-盘试验研究了50~100μm范围内颗粒尺寸对Al-1.5Mg合金基复合材料摩擦系数的影响,发现减小SiC颗粒尺寸使摩擦系数降低了。原因可能是细的SiC颗粒对配偶件的刮擦作用更小,在亚表层基体不发生严重塑性变形时,磨粒磨损对摩擦系数的影响更大。由此可见,在磨损较轻微或对摩面接触面积较大的情况下,选择小尺寸颗粒可降低PMMCs的摩擦系数;相反的条件下,采用大颗粒则更有利于保护基体不被偶件刮擦或粘着,以降低整个系统的摩擦系数。2.2.2润滑作用对摩擦系数的影响关于各种外部条件对PMMCs摩擦系数的影响目前还缺乏比较系统的研究。Zhang和Alpas等发现在中等载荷阶段,SiC颗粒对配偶件的显微切削作用产生的细小Fe屑,这些微粒被氧化而形成富含Fe2O3的转移层,在两对摩面间起到固体润滑作用,减小了摩擦。卢德宏等对SiCpAl和(SiCpGrp)Al的研究则表明,摩擦系数随着载荷增加而升高,然后稳定在某一值附近,当载荷进一步增大时,摩擦系数反而下降。他们认为载荷增加提高了基体Al的塑性流动,覆盖了部分表面石墨,从而减小了石墨的润滑作用;另外基体塑性流动导致真实接触面积的增加也是摩擦系数升高的重要原因。Sato等观察了SiC、TiC、Si3N4、Al2O3及MgO等颗粒增强Al-Cu和6061铝合金复合材料的摩擦行为,发现滑动速度增大降低了复合材料的摩擦系数。然而,也有学者发现摩擦系数的大小与滑动速度和正载荷无关。这可能是因为对于他们所采用的PMMCs体系来说,试验参数范围相对较小,而使得材料表现出相似的摩擦行为。2.3陶瓷颗粒尺寸对复合保水性的影响对配偶件的磨损小是获得优良配对的摩擦系统的一个重要条件,然而目前关于PMMCs摩擦行为的研究主要侧重于复合材料本身,有关配偶件磨损的报道则相对较少。研究发现,在基体中加入硬质陶瓷颗粒后,对偶件的刮擦和显微犁削显著增加[21、42],所以在复合材料的磨损表面上可观察到大量的Fe元素分布。Zhang等发现,增加颗粒含量和增大其尺寸都会引起配偶件磨损率的增加。所以,硬质陶瓷颗粒增强的PMMCs虽然自身的耐磨性得到提高,但与之配对的材料的磨损量也增加了,因而对于摩擦系统整体而言,这是不利于其寿命延长的。石墨、MoS2等自润滑颗粒能有效降低复合材料的摩擦系数,两对摩面间形成自润滑膜而减少了配对材料的直接接触面积,因此可以降低PMMCs对配偶件的磨损,可望获得配对良好的摩擦副系统。3磨损破坏特征颗粒增强金属基复合材料的摩擦磨损过程很复杂,在不同的外部条件下可能出现不同的磨损破坏特征。根据材料磨损破坏的程度和过程的不同,归纳了氧化磨损、剥层磨损和粘着磨损等三种机制。3.1局部磨损-fe-复合研磨法氧化磨损机制通常在载荷和滑动速度较低的条件下发生,对应于PMMCs的轻微磨损阶段。该机制往往伴随着对摩面微突体的相互刮擦作用以及少量从复合材料磨损表面脱落的颗粒所引起的三体磨损。对摩面微突体的相互作用引起局部粘着或加工硬化,所产生的摩擦热将导致微突体氧化,并在切向力的作用下断裂。PMMCs表面上突起的硬质颗粒对配偶表面的显微犁削作用也会产生大量的(Fe)微粒。由于摩擦过程中局部区域的闪温可以达到很高的值,使得这些来自两接触面的微粒发生氧化。脱落的颗粒被压入磨损面中,通过机械混合作用形成转移层。这一转移层的出现可减轻颗粒增强物对配偶件的磨损,而其中Fe氧化物的存在还能起到固体润滑作用,降低了摩擦系数。氧化磨损机制产生的磨屑通常比较细小,并有大量的氧化物存在。3.2颗粒增强物和相转移的表面形核剥层磨损机制是通过复合材料亚表层裂纹扩展来发生的。当PMMCs在较高的正载荷下与配偶件摩擦时,磨损表面以下的区域将产生一个静水压力梯度,它对亚表层的空位形核起到抑止作用,离对摩面越远压力越小;而摩擦过程产生的基体塑性变形又促进了空位的形核,因此空位能否大量形核就由这两个因素共同决定。在距离磨损表面某一深度处,当塑性变形因素占优势时,空位将在此大量形核、合并。颗粒与基体的界面为裂纹形核提供了地点,其形核条件为:(1)界面处的拉应力大于界面的粘结强度;(2)界面脱粘释放的弹性应变能要能抵消裂纹形成所引起的表面能增加。由于颗粒尺寸小于2.5μm时不能满足裂纹形核的能量条件,所以加入小尺寸、高含量的颗粒增强物是获得高耐磨性PMMCs的一条很可能的途径。此外,适当提高界面结合强度以及选用断裂强度高的颗粒增强物也能有效防止剥层磨损的发生。剥层磨损的产物通常呈大的片状,并有金属光泽。3.3合材料在配合面表面的粘连粘着磨损的特征是材料在配偶件表面的大量转移,这一机制通常出现在材料的严重磨损阶段。随着载荷、滑动速度或环境温度增加,所产生的摩擦热使得