无压浸渗SiC/Al复合材料的摩擦磨损性能研究

　　颗粒增强铝基复合材料为金属基复合材料研究的主要方向之一,增强体的尺寸和含量等影响其摩擦磨损性能,并依赖于试验条件[1~4].近年来,随着无压浸渗等技术的发展,实现了高碳化硅体积分数铝基复合材料的制备.

　　铝基复合材料除了用于电子封装材料外,还可以广泛用于耐磨部件,如密封件和泥浆泵泵衬等[5~7].由于SiC的体积分数较高(通常在40%以上),其性能较以往的铝基复合材料差别较大.然而,对这类材料摩擦磨损性能研究的报道极少[8].

　　本研究采用无压浸渗方法制备SiC/Al复合材料,研究碳化硅尺寸、颗粒级配及含量等对复合材料组织和摩擦磨损性能的影响,为高体积分数SiC/Al复合材料的性能设计提供实验依据.

　　1　实验部分

　　1.1　材料制备

　　将SiC粉和淀粉按质量分数配制并搅拌均匀,外加2% ~5%酚醛树脂后,在压力机上冷压成型(成型压强175MPa),将烘干后的试样与工业纯铝(铝含量98. 0% ~99. 7% )一起放入坩埚,在真空炉中于1 150℃浸渗2 h,得到SiC/Al复合材料.为了得到不同淀粉含量下复合材料中SiC的体积分数,一部分试样仅在相同温度条件下烧结而不浸渗(坩埚中不放铝),得到SiC多孔预制体.通过测量预制体的气孔率获得材料中SiC的体积分数.我们选用不同粒度的SiC颗粒获得不同粒度的单一颗粒复合材料.此外,在同一材料中采用2种粒度的颗粒(质量比1∶1),获得颗粒级配复合材料.

　　采用排水法测量预制体和复合材料的密度与气孔率,采用3点弯曲法测定复合材料的抗弯强度.材料的配方及其性能见表1.可见, SiC的体积分数主要取决于淀粉含量,与SiC的粒度关系不大,但颗粒级配可使其略有增加.图1所示为表1中试样6的金相组织形貌照片.

　　1.2　摩擦磨损试验

　　摩擦磨损试验在MPX-2000型盘-销式摩擦磨损试验机上进行,盘试样尺寸为30 mm×6 mm,材质为45#钢和灰铸铁.销试样为SiC/Al复合材料,尺寸为5 mm×5 mm×14 mm,摩擦端为半径4 mm的半球,试验载荷为20 N,速度0. 45 m/s.室温时,相对湿度RH为30% ~50%.每一试验温度下的滑动距离为800 m,并连续测定摩擦力曲线,取最终的稳定值计算摩擦系数.采用感量为0. 1 mg的天平称量磨损前后的质量损失,并以此计算磨损率.采用扫描电子显微镜(SEM)观察磨损表面形貌.

　　2　结果与分析

　　2. 1　SiC含量与尺寸对摩擦磨损性能影响图(2~4)所示为与铸铁和45#钢配副时,碳化硅体积分数、碳化硅粒度及其颗粒级配对SiC/Al复合材料摩擦磨损性能的影响.可见, SiC体积分数对摩擦系数影响不大(随体积分数增加而略有升高),但对磨损率影响较大.随着SiC体积分数的增加,磨损率明显降低.