三氧化二鋁7075基復合材料的_摩擦磨損性能研究畢業(yè)論文

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　顆粒增強鋁基復合材料因其特有的比重輕、比強度與比模量高、耐磨及耐高溫等優(yōu)良性能，在航空航天、電子和汽車制造等行業(yè)中具有廣闊的應用前景。研究了原位反應生成A1203制備顆粒增強鋁基復合材料的工藝，其制備條件是:熔體溫度900℃，CuO粉末與Al粉混合均勻，壓制成塊，加入鋁液中攪拌，扒去表面的浮渣，將熔體澆鑄到預熱的模具中，快速

2、冷卻。顆粒是在基體內部原位反應生成，顆粒細小，表面潔凈，與基體結合良好。</p><p>　　將試樣切割成塊，在摩擦磨損機上分別設置20N，30N，40N，50N和轉速為80r/min, 100r/min, 110r/min, 120r/min摩擦600s后稱量其磨損量。研究表明加入8% A1203后硬度和磨損性能大大提高，表面磨痕變淺。</p><p>　　關鍵詞：原位反應；顆粒增強體；

3、磨損性能</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Partieulate reinofreed metal martix compositesPossess several additional advantages such as light weight，high speeific strength and stinffess，w

4、ear-resistingand high temperature-resisting. Studing in situ reaction of A1203 particulate reinforced aluminum matrix composite prepared by the process, the preparation conditions are: melt temperature is 900 ℃, CuO powd

5、er mixed with Al powder, pressed into blocks, by adding aluminum liquid mixing, Pa to the surface scum, will melt into warm mold casting </p><p>　　Keywords：In situ reaction；particle reinforcement；Wear</p&

6、gt;<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論5</b></p><p>　　1.1顆粒增強金屬基復合材料2</p><p>　　1.1.1顆粒增強金屬基復合材料的制備工藝2</p><p>　　1.1.2顆粒增強金屬基復合材料的原位反應制備

7、方法3</p><p>　　1.1.3鋁基原位復合材料的研究現(xiàn)狀5</p><p>　　1.1.4顆粒增強鋁基復合材料的應用及展望6</p><p>　　1.1.5原位反應鋁基復合材料的研究發(fā)展方向7</p><p>　　1.2顆粒增強鋁基復合材料耐磨性的研究現(xiàn)狀8</p><p>　　1.2.1 增強顆粒的

8、影響9</p><p>　　1.2.2 外加載荷的影響9</p><p>　　1.2.3 外部溫度的影響9</p><p>　　1.2.4 滑動速度的影響10</p><p>　　1.3顆粒增強鋁基復合材料主要表征參數(shù)10</p><p>　　1.3.1摩擦溫度10</p><p>

9、　　1.3.2摩擦系數(shù)10</p><p>　　1.3.3磨損量(耐磨性)10</p><p>　　1.4顆粒增強鋁基復合材料的應用11</p><p>　　1.5本文研究意義與內容11</p><p>　　第二章 試驗方案及工藝流程13</p><p>　　2.1原材料與設備13</p>&

10、lt;p>　　2.1.1原材料13</p><p>　　2.1.2試驗設備14</p><p>　　2.2 原位Al2O3顆粒的制備14</p><p>　　2.3試驗流程圖14</p><p>　　2.4試驗步驟15</p><p>　　2.4.1試樣制備15</p><p>

11、;　　2.4.2摩擦磨損試驗15</p><p>　　2.4試驗中的分析測試手段16</p><p>　　2.4.1金相組織觀察16</p><p>　　2.4.2硬度測定16</p><p>　　2.4.3耐磨性測定17</p><p>　　第三章 試驗結果與分析17</p><p&g

12、t;　　3.1 金相組織分析17</p><p>　　3.1.1 基體材料與復合材料組織的對比17</p><p>　　3.1.2摩擦表面的組織觀察18</p><p>　　3.2硬度測定19</p><p>　　3.3 耐磨性的分析研究19</p><p>　　3.3.17075鋁合金與8%Al2O3/70

13、75摩擦磨損性能的對比19</p><p>　　3.3.2轉速對鋁基復合材料摩擦磨損性能的影響20</p><p>　　3.3.3載荷對鋁基復合材料摩擦磨損性能的影響21</p><p><b>　　結論22</b></p><p><b>　　參考文獻23</b></p>

14、<p><b>　　謝辭25</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　現(xiàn)代科學的飛速發(fā)展對材料提出了越來越高的要求，除了優(yōu)異的力學性能外，還希望材料具有某些特殊性能和良好的綜合性能。對于這些要求，單一的金屬、陶瓷、高分子等工程材料往往難以滿足。因此，促進人們開發(fā)、研究新的材料，如各種復合材料，其中

15、金屬基復合材料因為具有優(yōu)良的性能而備受人們的重視。特別是航空航天工業(yè)、宇宙空間和海洋開發(fā)事業(yè)的發(fā)展，要求新型的結構材料具有高比強度、高比模量和耐高溫性能，不斷開發(fā)研究增強相（纖維、晶須、顆粒）與樹脂、金屬、陶瓷、碳基體復合而成的宏觀復合材料。應用比較廣泛的纖維增強樹脂基復合材料主要有高性能熱固樹脂、高性能熱塑樹脂以及熱致液晶高聚物和半互穿網(wǎng)絡高聚物等基體的復合材料，這些復合材料僅適用于350℃以下[l-6]。為了提高材料的使用溫度范圍，

16、現(xiàn)在正掀起一股研究開發(fā)各種陶瓷纖維、晶須、顆粒增強金屬基復合材料的熱潮。</p><p>　　在諸多的顆粒增強金屬基復合材料中，鋁基復合材料由于具有密度小、熔化溫度低、高導熱性且成本低等特性，己經(jīng)得到世界范圍內的廣泛研究并日趨工業(yè)化。顆粒增強鋁基復合材料是以純鋁或鋁合金為基體，復合添加一定的顆粒增強相而成的。顆粒增強鋁基復合材料是利用增強相的低密度、高強度、高彈性模量等特點提高了材料的比剛度和比強度；利用增強相的

17、高硬度特點提高了材料的耐磨性能；利用增強相熱膨脹系數(shù)低的特點提高了材料的尺寸穩(wěn)定性和抗熱沖擊性能；同時鋁基復合材料具有不吸潮、不老化、氣密性好、耐有機液體和溶劑侵蝕等一系列優(yōu)點。在航空航天、汽車、電子、光學等工業(yè)領域展示了廣泛的應用前景，是當前金屬基復合材料理論研究和工程試踐中備受關注的課題。</p><p>　　1.1顆粒增強金屬基復合材料</p><p>　　1.1.1顆粒增強金屬基復

18、合材料的制備工藝</p><p>　　顆粒增強金屬基復合材料(MMCs)因其特有的高比強度、高比模量、耐磨及耐高溫等優(yōu)良性能，在航空航天和汽車制造等行業(yè)中具有廣闊的應用前景。長期以來，對MMCs制備工藝的研究一直側重于傳統(tǒng)的外加增強體與基體復合的方法，如粉末冶金法、共噴沉積法、中間合金法、液態(tài)金屬浸滲法、擠壓鑄造法等等。這類方法不僅工藝復雜，成本較高，而且存在增強體與基體之間相容性較差，結合不良等問題。針對這些情

19、況，近年來發(fā)展起來了一種制備MMCs的新型方法—原位反應合成法，原位復合工藝基本上能克服上述這些問題，己被視為一種具有突破性的新工藝方法而受到普遍重視，原位復合的概念源于原位結晶[7-10]。</p><p>　　早在1967年，前蘇聯(lián)A.G.Merzhanov等人[11]用SHS法合成TIB2/Cu功能梯度材料時，就提出了原位復合材料的構想，但當時尚未引起人們的重視。直到80年代中后期，當美國Lanxide公司

20、和Derxel大學的M.J.Kocazk等人先后報道了各自研制的原位A12O3/Al和TiC/AI復合材料及其相應的制備工藝后，才正式在世界范圍內拉開了原位復合研究工作的序幕。美國金屬學會(ASM)分別于1993年和1995年兩次召開了原位復合材料的國際專題研討會。由此可見，原位MMCs及其制備技術已成為材料科學工作者普遍關注的研究課題。MMCs原位反應合成技術的基本原理是在一定條件下，將粉末或其他材料加入到基體金屬熔液中，通過元素之間

21、或元素與化合物之間的化學反應，在金屬基體（固態(tài)或液態(tài)）內原位生成一種或幾種高硬度、高彈性模量的陶瓷增強相。該方法合成的第二相顆粒尺寸小，界面清潔，與基體相容性好，且彌散分布，從而達到強化金屬基體的目的。 與 MMCs傳統(tǒng)復合工藝相比，該工藝具有如下特點：增強體是從金屬基體中原位形核、長大，表面無污染，避免了與基體相容性不良的問題，且界面結合強</p><p>　　1.1.2顆粒增強金屬基復合材料的原

22、位反應制備方法</p><p>　　1自蔓延高溫合成法（SHS）</p><p>　　SHS法最初是由前蘇聯(lián)A.G.Mehzrnaov等[12-15]于1967年提出來的，它是利用放熱反應放出的熱量維持反應的進行，使化學反應自動進行下去，生成金屬陶瓷或金屬化合物的方法。這種方法中化學反應的引發(fā)有多種方式，最主要的一種是用鎢絲點燃反應物的粉末壓坯的一端，引發(fā)反應，并向另一端以燃燒波的方式傳播

23、進行；另一種學用的方法叫熱爆，是指用快速加熱的方法使坯塊整體溫度上長至反應發(fā)生溫度，坯塊整體幾乎在同時發(fā)生了放熱反應。還有微波引燃法、激光引燃法、化學爐法等引燃方法。據(jù)報道，目前用SHS法可獲得包括復合材料、電子材料、陶瓷材料、金屬間化合物、超導材料等500多種材料。在金屬基復合材料方面，已制備了原位生成的TiC、TiB、A12O3和SiC等粒子增強的Al、Cu、Ni和Ti等為基體的塊體復合材料[l6-18]和表面涂層復合材料。這種方法

24、的明顯優(yōu)勢是節(jié)約能源，制備過程在極短的時間內完成，能獲得亞微米尺寸的增強體，且其熱力學性質穩(wěn)定，與基體裁的界面干凈無雜物。但是它的缺點也很明顯：主要在于所制備的材料多為疏松開裂狀態(tài)，制備的控制困難（增強體的尺寸和形狀），目前SHS的致密化研究是該領域的熱</p><p>　　2 XDTM原位生成法</p><p>　　XDTM原位生成法[19-21]是1953年美國Martin Marie

25、tta公司開始研究開發(fā)的制備金屬基復合材料工藝。它是一種液體與固態(tài)粉末反應制備增強相的方法。生成陶瓷相的兩種粉末混合后，在液相金屬中被加熱發(fā)生反應生成陶瓷相，并伴有放熱現(xiàn)象發(fā)生。該工藝可以生成顆粒與晶須共同增強或單獨增強的金屬基和金屬間化合物基復合材料。XDTM法制備的坯塊可以鑄造成型，還可以再通過傳統(tǒng)金屬加工方法，如擠壓和軋制進行二次加工。</p><p>　　另一種常用的工藝可以是先制備出增強體含量很高的母體

26、復合材料，然后在重熔的同時加入適量的基體金屬進行稀釋，鑄造成型后就可獲得所需增強體含量的MMCs。XDTM法的優(yōu)點有：增強相原位生成，具有熱穩(wěn)定性；增強相的類型，形態(tài)可以選擇和設計；各種金屬或金屬間化合物均可以作為基體，從原理上講，XDTM法適用于寬泛的材料體系和成分；復合材料可以制備成坯錠，能采用傳統(tǒng)金屬后續(xù)加工方法進行二次加工處理；工藝簡單，成本低且材料性能良好。XDTM法的缺點較少，基本上與工藝過程的熱力學限制所導致的成分和增強體

27、限制等有關，在高溫制備過程中容易出現(xiàn)顆粒的粗化。</p><p>　　目前，XDTM法己制備了TiC/Al、TiB2/Al、TiB2/Al-Li等復合材料。其今后的發(fā)展方向有：制備高強、導熱導電良好的TiB2增強Cu基復合材料；制備經(jīng)濟、耐磨的TiC增強Al基材料；制備功能性多相材料等。美國國防部還把XDTM法應用到欽鋁基復合材料的導彈飛翼，以取代原來的不銹鋼材料。</p><p>　　3

28、反應噴射沉積(RSD)</p><p>　　RSD法是最近發(fā)展起來的新型復合工藝，典型的方法有：反應霧化沉積(RAD)和反應低壓等離子噴射沉積(RLPPS)。反應霧化噴射沉積是把具有近終形成、快速凝固特點的噴射成形技術與原位反應概念結合在一起，以制備陶瓷顆粒增強金屬基復合材料。其基本工藝原理是：熔融的金屬液被霧化成粒徑很小的液滴，它們具有很大的體表面積，同時又具有一定的高溫，這就為噴射沉積過程中的化學反應提供了驅

29、動力。借助于液滴飛行過程中與霧化氣體之間的化學反應，或在基體凝固過程中沉積外加粒子或金屬間化合物粒子目前研究最多的是A12O3增強Al基復合材料，它是在霧化氣體N2中充入適量的O2氣，使霧化過程中大量細小的液滴表面氧化生成了A12O3膜，這些液滴在沉積過程中，互相碰撞使表面A12O3膜破碎分散，同時內部Al液迅速冷卻凝固，從而形成了A12O3顆粒增強具有快凝微晶特征的鋁基復合材料。反應低壓等離子噴射沉積工藝是將噴射室抽真空后通入等離子氣

30、體（如Ar、He、H等），使氣壓升至數(shù)千帕，并利用等離子弧發(fā)生器使室內氣體加熱和電離，在這種高能等離子的轟擊碰撞下，反應氣體和噴射的金屬液滴吸收能量而相互發(fā)生反應，生成相應的陶瓷顆粒，再與</p><p>　　1.1.3鋁基原位復合材料的研究現(xiàn)狀</p><p>　　采用廉價的原料來獲得原位增強顆粒，國內外許多科研人員都進行了這方面的研究。采用液態(tài)攪拌法比較系統(tǒng)地研究了CuO/Al、ZnO

31、/Al、Cr2O3/Al和SiO2/Al體系的反應情況。結果[22]表明，在1273K時CuO/Al體系反應狀況良好，生成A12O3顆粒，但顆粒分布不是很均勻；ZnO/Al、SiO2/Al體系在無其它添加物的情況下不容易發(fā)生反應，但當加入少量Mg時，即可發(fā)生反應，有MgA12O4生成；而Cr2O3/Al體系無論是否加入添加物均不發(fā)生反應。鋁基體中常采用的原位生成增強顆粒有TiC、TiB2、A12O3等，對于TiC和TiB2，通常的反應體

32、系為元素化合物反應體系，而A12O3則通過基體鋁與氧化物的置換反應生成，制備工藝對復合材料的微觀組織也存在著影響，選擇不同的制備方法和不同的反應體系，所得復合材料的微觀組織及其性能有著不同的特性。在眾多的研究中，CuO/Al反應體系以及其制備工藝研究較多。北京科技大學的黃贊軍、楊濱等[23]也研究了用CuO/Al體系制備A12O3顆粒增強的鋁基復合材料，他們按一定的配比將Al粉與CuO粉混勻，壓制成直徑20mm、高30mm的壓坯，再&l

33、t;/p><p>　　對于SiO2/Al反應體系的研究也較多。南京航空航天大學的朱正吼、葛振寅[25]等采用SiO2/Al體系，將粒徑10～15μm的SiO2粉末與Al粉混合均勻，在模具中輕微冷壓成初坯，利用XDTM工藝，在600℃保溫6h的條件下，成功地制備了A12O3/Al復合材料：反應生成的Si富集在A12O3粒子周圍的基體中，以細小球形的結晶體形式析出；A12O3粒子與基體的界面結合良好，界面形式可能是純物理

34、結合或共晶界面。大連理工大學的張守魁、王丹虹等[26]對SiO2/Al體系進行的研究是：采用攪拌法將平均直徑為300μm的SiO2粉末在300℃預熱后加入到720℃的鋁熔體中，鋁液與SiO2顆粒反應原位生成A12O3并放熱使熔體溫度升高；A12O3是在SiO2顆粒表面形核并向內部長大，還出來的Si在凝固過程中析出，獲得了A12O3/Al復合材料，其中的硬質相分布較均勻。</p><p>　　1.1.4顆粒增強鋁基

35、復合材料的應用及展望</p><p>　　顆粒增強鋁基復合材料具有重量輕、比強度及比剛度高、良好的導熱、導電性能、熱膨脹系數(shù)低、尺寸穩(wěn)定性好、良好的耐磨性能以及良好的斷裂韌性和抗疲勞性能、良好的高溫性能、在較高溫度下不會放出污染環(huán)境的氣體、不吸潮、不老化、氣密性好、耐有機液體和溶劑侵蝕等一系列優(yōu)點；同時原材料資源豐富，可用常規(guī)設備和工藝加工成型，因而成本相對較低。因此，有著極大的發(fā)展?jié)摿蛻们熬?，近年來在復合?/p>

36、料領域，顆粒增強鋁基復合材料在國內外倍受重視，發(fā)展迅速。鋁基復合材料在制造飛機液壓管、直升機支架和閥體、衛(wèi)星反動輪等取得了較好的應用效果。在兵器工業(yè)中如導彈機翼、坦克火力控制鏡基片等也有應用鋁基復合材料的；同時，該材料在汽車制造工業(yè)中也有著廣泛的應用，可用于制造發(fā)動機活塞、剎車盤、連桿和套缸等。日本、德國等己相繼開發(fā)出了適用于高速列車的SiC顆粒增強鋁基復合材料制動盤，美國Ford公司進行了鋁基復合材料轎車制動盤的研制和開發(fā)：國內也有關

37、于采用相關材料對摩托車制動輪毅和火車、轎車制動盤進行研制的報道。顆粒增強鋁基復合材料也可用于制造體育用品，諸如自行車鏈、齒輪、高爾夫球桿頭等。其他方面，如用于制造假肢、機械泵工作室、大型</p><p>　　材料使用過程中，應根據(jù)不同工作要求選擇適當?shù)暮辖鸹w與增強顆粒進行優(yōu)化設計，從而更好地發(fā)揮出鋁合金基體和增強顆粒的復合作用和應用潛力。同時，研究開發(fā)新的制備工藝，加強理論基礎研究和試踐探索，并解決復合材料的再

38、生和回收問題，逐步降低復合材料的成本和價格。相信不久的將來，隨著基礎研究的不斷深入及制備技術的不斷完善，顆粒增強鋁合金基復合材料必將以其獨特優(yōu)勢在航空航天、汽車、儀器儀表等工業(yè)領域得到廣泛的應用，并取得較大的經(jīng)濟效益和社會效益。</p><p>　　1.1.5原位反應鋁基復合材料的研究發(fā)展方向</p><p>　　原位反應法制備復合材料由于增強相是反應合成的，內生于基體之中，因而具有許多外

39、加強化相增強鋁基復合材料所不具有的獨特優(yōu)點：</p><p>　　1．增強體在鋁基體內原位形核、長大，表面無污染，與基體間有良好的相容性，界面結合良好。</p><p>　　2．通過選擇反應物的類型、成分來控制增強相種類、大小和數(shù)量，并可以通過工藝來控制其大小和分布，不易出現(xiàn)增強相的團聚或偏析。</p><p>　　3．省去了增強體的預處理，簡化了工藝流程，成本也相

40、對較低。</p><p>　　4．增強相顆粒細小，往往處于微米級或亞微米級，能保證鋁基復合材料不但有良好的韌性和高溫性能，而且有很高的強度和彈性模量。</p><p>　　5．能與鑄造工藝相結合，直接制備形狀復雜、尺寸變化大的近終形產(chǎn)品。</p><p>　　原位反應制備復合材料的工藝多種多樣，但是，有些工藝不適合規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)，有些工藝的反應速度和反應生成物的控制

41、較為困難。因此，原位反應復合材料還存在如下問題需要人們去探索研究：</p><p>　　1 研究反應生成顆粒的形成機理，進一步完善反應熱力學、動力學體系。研究控制反應過程的方法，以便能控制反應速度以及生成顆粒的大小、形狀和分布。增強相的均勻分布是困擾原位鋁基復合材料研究者的主要問題，雖然已有不少均質化方法和大量的過程控制參數(shù)，但尚缺少有說服力的解決方案。</p><p>　　2 在凝固過程

42、中，己形成的增強顆粒在金屬液內容易聚結、偏析，而且對這種混合液的凝固特征，如凝固過程、顆粒在液固界面前沿的行為以及鑄造缺陷產(chǎn)生的機理和防止措施等，缺乏全面深入的研究，而這些又是獲得優(yōu)質復合材料的基本保證。因此，為了獲得更理想的組織，必須從不同的角度，進一步研究反應生成顆粒與基體材料的界面特征，以及顆粒在基體凝固過程中的行為，加深對含有顆粒的流變學的理解，以便能使反應生成顆粒更合理地分布于基體材料中。</p><p&g

43、t;　　3 在反應過程中伴生的有害化合物也是目前原位鋁基復合材料制備和研究中難以避免的一個難題。在反應生成所需要的增強相的同時，有時在基體中也產(chǎn)生一些有害化合物，如Ti3Al，A14C3，F(xiàn)e3C等，它們常以針狀或條片狀，往往割裂基體，使材料性能下降；而偏析于晶粒邊界的有害化合物則嚴重影響材料的耐蝕性和抗疲勞性。因此，必須進一步研究能抑制這些化合物產(chǎn)生的各種有效措施，或者消除其有害影響，甚至利用這些有害化合物，是今后的一個重要研究課題。

44、</p><p>　　4 目前有關原位反應生成MMCs的制備工藝過程和所得材料的組織特征的報道不少，但是還需進一步完善各種工藝方法，對所得材料的性能，特別是斷裂韌性、抗疲勞性能和切削加工性能等進行全面的分析和研究，為這些材料在試際生產(chǎn)中的應用提供更全面的技術資料。</p><p>　　5 試用化研究問題：研究表明，許多原位MMCs具有優(yōu)越的綜合性能，然而這些研究大部分僅限于試驗室，只有進一

45、步研究原位反應復合材料的工業(yè)化生產(chǎn)工藝，研究出真正適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的工藝，才能使得原位反應復合材料這一性能優(yōu)良的材料真正得到推廣使用，使其發(fā)揮作用。</p><p>　　1.2顆粒增強鋁基復合材料耐磨性的研究現(xiàn)狀</p><p>　　響材料耐磨性的因素有很多，既有外部因素，也有內部因素。載荷、滑動距離、滑動速度、摩擦表面的溫度、熱處理狀態(tài)、顆粒（種類、大小、數(shù)量、分布等）、表面狀態(tài)、

46、潤滑條件、對偶件情況等等，所有這些因素相互聯(lián)系，共同作用，因此，不能簡單地割裂這些因素，但另一方面，任何研究都不能綜其全部，所以我們只能研究其中的幾個重要因素。</p><p>　　1.2.1 增強顆粒的影響</p><p>　　顆粒對鋁基復合材料的影響極其復雜，不同的顆粒以及相同顆粒在不同條件下，如含量不同、尺寸大小不同、分布情況不同、試驗條件不同（平穩(wěn)加載或沖擊加載）等，有時會有彼此相

47、反的結論，如前所述，在不同的條件下得出了不同的結論。最早系統(tǒng)地研究各種不同增強物對復合材料磨損性能影響的學者是Sato和Mehrabian，他們[27]研究了SiC、TiC、Si3N2、Al3O2、SiO2、MgO、BN等顆粒增強的Al-4Cu、Al-4Cu-0.75Mg和6061Al復合材料。除MgO、BN外，其余增強體都較明顯地提高了復合材料的耐磨性，將這些增強體提高復合材料耐磨性的效果進行比較，并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的區(qū)別，而含有MgO、

48、BN的復合材料的耐磨性比基體材料的耐磨性反而要差得多。</p><p>　　1.2.2 外加載荷的影響</p><p>　　關于載荷對復合材料摩擦磨損性能的影響，也有很多研究表明：①高速干摩擦條件下，低載（50N～100N）時，SiC顆粒含量越高，復合材料的耐磨性越好，在中、高載（150N～300N）時，含SiC多的復合材料反而不及含SiC少的復合材料耐磨；②低速干摩擦條件下，低載（50N

49、）時復合材料的耐磨性遠高于基體，但隨著載荷的增大，復合材料不如基體耐磨。</p><p>　　1.2.3 外部溫度的影響</p><p>　　接觸面溫度的變化對于摩擦與磨損過程有很大影響，有可能使表層的物理、化學特性改變，從而改變潤滑機制、磨損機制等。摩擦表面溫度與摩擦副材料的熱物理性能（導熱率,熱容量）、摩擦工況條件及散熱條件有關。許多研究[28]表明，復合材料從微量磨損向嚴重磨損的轉變

50、存在一個臨界轉變溫度。體積分數(shù)為15%的SiC增強2618Al復合材料的臨界溫度在150℃～200℃之間，基體材料的臨界轉變溫度在100℃～150℃之間，這是因為增強體的存在提高了復合材料的抗軟化和抗咬合性，因而提高了復合材料的臨界轉變溫度。</p><p>　　1.2.4 滑動速度的影響</p><p>　　C.S Lee[29]等研究了Al3O2和SiC顆粒增強6061復合材料的磨損性

51、能與滑動速度的關系，研究表明，對于復合材料來說，當滑動速度較低時(<0.37ms-1)，復合材料的磨損率比基體材料高；當滑動速度進一步增加時，復合材料的磨損率降低；當滑動速度再進一步提高(>1.98ms-1)，復合材料的磨損率比基體材料小得多。</p><p>　　1.3顆粒增強鋁基復合材料主要表征參數(shù)</p><p><b>　　1.3.1摩擦溫度</b>

52、;</p><p>　　摩擦時，接觸表面的溫度高低和分布情況對摩擦磨損性能影響很大。摩擦副表面溫度的測量方法常用的是熱電偶和遠紅外輻射測溫，但是對于一些在封閉系統(tǒng)中工作或不斷運動的部件，其摩擦表面溫度無法用常規(guī)方法確定，漸漸地又研究出一些特殊的測量方法。上世紀70年代美國首次采用先進的氪化技術對復合材料摩擦表面的最高工作溫度作了精確測定。</p><p><b>　　1.3.2摩

53、擦系數(shù)</b></p><p>　　由于復合材料中強硬相（顆粒）分布在較軟的鋁合金基體上，構成了較好的硬軟配合，并減少了發(fā)生粘著的可能性，從而使顆粒增強鋁基復合材料具有優(yōu)良的耐磨性能。在研究某種材料的摩擦系數(shù)時，必須注意試驗條件和所用的測試設備，不同的研究人員由于試驗條件不同，測試設備不同，因而得出的摩擦系數(shù)也不一樣。朱和祥[30]等人研究了不同載荷對SiCp/Al復合材料摩擦性能的影響。結果表明在干

54、摩擦條件下SiCp/Al復合材料的摩擦系數(shù)在50N-300N的外加載荷下均高于Al-9Si合金，且SiCp含量越高，摩擦系數(shù)越大。然而另有研究表明，在干摩擦條件下，隨著SiCp含量的增大，SiCp/Al復合材料的摩擦系數(shù)明顯減小。</p><p>　　1.3.3磨損量(耐磨性)</p><p>　　磨損量是評定材料的耐磨性、控制產(chǎn)品質量和研究摩擦磨損機理的一個重要指標。一般用磨損率來描述材

55、料的耐磨性能，而磨損率是磨損量的倒數(shù)，通常試驗中磨損量用試樣的體積磨損量表示。大部分研究結果表明，復合材料和基體的磨損量都隨外加載荷的增大而增大，但復合材料的磨損量隨載荷的增大幅度遠小于基體（載荷越大，SiCp含量越高，復合材料的耐磨性越優(yōu)于基體）。但也有研究得出，低載時復合材料的耐磨性明顯優(yōu)于基體，但隨著載荷的增大，復合材料的耐磨性反不如基體。以上所有研究數(shù)據(jù)都是反映材料在平穩(wěn)加載條件下的磨損規(guī)律，而在工程應用中的試際工作條件往往是動

56、載的，因此也有人專門研究了動載摩擦工況下顆粒增強鋁基復合材料的耐磨性能。采用單擺劃痕法研究了SiC顆粒增強鋁合金復合材料的磨損性能，結論是SiC顆粒增強2024Al復合材料的抗沖擊磨粒磨損性能比基體合金好，而且是隨著顆粒含量的增加而提高，顆粒尺寸越小，復合材料的抗沖擊磨粒磨損性能越好。但他們在采用噴砂沖蝕試驗裝置研究SiC顆粒增強鋁合金復合材料的磨損行為時卻得出了相反的結論。從以上所述可以看出，不論是摩擦系數(shù)的大小，還是耐磨性能的好壞都

57、是在一定條件下才適用的，由此</p><p>　　1.4顆粒增強鋁基復合材料的應用</p><p>　　顆粒增強鋁基復合材料由于具有良好的摩擦性能而備受人們關注，其應用范圍也越來越廣。制動器是機械設備中不可缺少的部件之一，如飛機著陸，火車、汽車行駛中的減速、停速,起重設備的升降、位置的控制等都需要在傳動系統(tǒng)中裝設制動器。目前多數(shù)采用的是摩擦制動器，即以摩擦力作為制動力，使運動物體達到減速、

58、停止目的。因此制動器具有良好的摩擦穩(wěn)定性是至關重要的，關系到人民的生命財產(chǎn)安全。美國Duralcan公司已用SiCp/Al復合材料成功地制造了汽車制動盤、汽車發(fā)動機活塞和齒輪箱等汽車零件。另外，SiCp/Al復合材料還適合制作汽車驅動軸、連桿、搖臂等汽車零件。</p><p>　　1.5本文研究意義與內容</p><p>　　傳統(tǒng)的外加增強相的復合工藝簡單，但容易引起顆粒表面污染，使兩相界

59、面結合強度不夠高；雖然對增強顆粒進行了表面處理、表面改性以及界面結合強度的研究，使復合材料的性能有所提高，但這都增加了工藝的復雜性，提高了產(chǎn)品的成本。原位反應法能夠克服以上問題，增強顆粒在基體內部生成，表面潔凈，與基體結合良好，人們對此進行了許多的研究。原位反應制備顆粒增強鋁基復合材料的制備工藝多種多樣，其關鍵在于適當控制原位反應來合成所需的增強相。采用較多的Ti+C或Ti+B反應體系由于Ti和B昂貴的價格使研究人員轉而尋求廉價的原料：

60、利用廉價的金屬氧化物被鋁還原發(fā)生的鋁熱反應來獲得增強顆粒，制備A1203顆粒增強金屬基復合材料成為了目前的研究熱點，人們所采用的氧化物包括CuO、Si02、TiO2、ZnO、Fe2O3、Ni2O3等。這種鋁熱反應過程中產(chǎn)生的第二種物質作為合金元素進入鋁基體，起到了合金化增強作用，但改變了基體的成分。尤其是當需要大量的增強相時，合金相將不可避免地被過量產(chǎn)出，難以被基體所容納，成為材料的有害雜質，破壞材料的綜合性能。</p>

61、<p>　　本課題研究的是以CuO粉末與Al粉壓制成塊，通過攪拌使其分散到鋁熔體中，在900℃的高溫下發(fā)生如下分解反應：</p><p>　　2Al+3CuO=3Cu+Al2O3（1-6）</p><p>　　生成的A12O3顆粒均勻地分散在鋁熔體中起改善磨損性能的作用。通過測試硬度和摩擦磨損試驗來表明加入的Al2O3顆粒起到了增強體的作用。與傳統(tǒng)的復合工藝相比，該工藝具有以下

62、優(yōu)點：增強體A12O3顆粒是在熔體內部通過Al粉與CuO發(fā)生反應，因此顆粒表面無污染，避免了與基體相容性差的問題，且生成的氧化鋁顆粒細小，與基體結合良好。本課題立足于實際應用，以現(xiàn)有的鋁合金熔煉工藝為基礎，常規(guī)熔煉設備即可滿足要求，而且制備的復合材料熔體可澆鑄成錠或直接澆鑄成零件，制備成本低。</p><p>　　第二章 試驗方案及工藝流程</p><p><b>　　2.1原材

63、料與設備</b></p><p><b>　　2.1.1原材料</b></p><p>　　基體材料為7075鋁基復合材料。成分為硅、鐵、銅、錳、鎂、鉻、鎳、鋅、鈦、其它、鋁，其含量如下表：</p><p>　　表2-1 7075鋁合金的成分</p><p>　　增強體材料為Al2O3，其為Al與 CuO按其

64、摩爾比為1比1混合均勻壓制成塊，用鋁箔包緊然后投入900℃鋁液中經(jīng)攪拌反應得到。</p><p>　　輔助材料有Mg粉，鋁箔，除氣塊。其中鋁箔為分析純，其含鋁量大于99.9%，除氣塊為六氯乙烷。Mg粉是助燃劑，使反應充分發(fā)生。</p><p><b>　　2.1.2試驗設備</b></p><p>　　試驗中所用設備為：MRS-10A型摩擦磨損

65、機，XJD-1金相顯微鏡。</p><p>　　其他設備包括JA2103N型電子天平（最大稱重量200g,精度0.0001）、普通電子秤（最大稱量1000g）、石墨粘土坩堝（內徑為90mm）、試樣切割器、石墨棒。</p><p>　　2.2 原位Al2O3顆粒的制備</p><p>　　反應方程：2Al+3CuO=3Cu+Al2O3</p><p

66、>　　Al粉與CuO粉末在高溫下發(fā)生原位反應生成細小的Al2O3顆粒，彌散在鋁基體上達到細化晶粒提高機械性能的目的。</p><p><b>　　2.3試驗流程圖</b></p><p>　　圖2.1 試驗流程圖</p><p><b>　　2.4試驗步驟</b></p><p><

67、b>　　2.4.1試樣制備</b></p><p>　　1澆鑄準備工作。用鋼鋸把盤型7075鋁合金鋸成小塊后分別稱量，按照總量的8%配比Al2O3的Al粉和CuO粉末，將粉末混合均勻壓制成塊，用鋁箔包緊密。</p><p>　　2 熔化澆鑄。將7075鋁合金塊分別放入預設為900℃坩堝中放入加熱爐內熔化，熔化后用坩堝鉗夾出來，再一塊一塊的加入預置塊。</p>

68、<p>　　3 原位反應。等待加入完畢后，用石墨棒攪拌使反應發(fā)生完全。等待反應發(fā)生完全加入除氣塊去除水分和雜質氣體。</p><p>　　4 邊攪拌邊用不銹鋼絲把雜質弄出，直到全部為流動液體，緩慢冷卻。等到冷卻至高于結晶溫度時倒入模具中澆鑄成型，同樣方法再澆鑄一組不加預置塊的作為對比試驗。</p><p>　　2.4.2摩擦磨損試驗</p><p>　　

69、在MRS-10A摩擦磨損機上分別設置20N，30N，40N，50N和轉速為80r/min, 100r/min, 110r/min, 120r/min摩擦600s后稱量其磨損量。</p><p>　　1 首先用感應天平稱量試樣并記錄，將試樣用膠固定在模具上，然后用卡具固定于磨損機的上部。</p><p>　　2在摩擦盤內放入大小適宜的圓型砂紙用固定，手動摩擦機下部讓與試樣解除5-6N，讓后“

70、按施加載荷”按鈕施加達到預設載荷。</p><p>　　3 在啟動前保證所有的按鈕復位。時間設為600s，壓力設為20N，轉速為80r/ min。啟動時同時按“啟動”、“時間復位”與計算機上的開始按鈕。計算機間隔0.2s記錄一次摩擦系數(shù)與載荷轉速的大小。</p><p>　　4等到了預設時間后，機器自動停下，按“卸載”按鈕，手動搖下磨頭，取下試樣稱量并換砂紙做下一個試件。</p>

71、;<p>　　多次試驗后取其平均值，對比7075鋁合金與8%Al2O3/7075的耐磨性狀況數(shù)據(jù)記錄如下表2-3所示：</p><p>　　表2-3 不同載荷與不同轉速下的磨損量</p><p>　　2.4試驗中的分析測試手段</p><p>　　試驗中運用金相顯微鏡、摩擦磨損機、線切割機等多種儀器對材料進行了分析測試。</p><

72、;p>　　2.4.1金相組織觀察</p><p>　　制備金相試樣，在金相顯微鏡下觀察復合材料的顯微組織。首先將復合材料制樣，金相及掃描電鏡觀察試樣制備過程如下：</p><p>　　1 切割:用試樣切割機切割大小適宜握持和在顯微鏡下觀察的試樣，一般為觀察面10mmx15mm。 </p><p>　　2 磨制:先用600號水砂紙在預磨機上預磨；然后依次使用80

73、0，1000，1200，號水砂紙在預磨機磨平。</p><p>　　3 拋光:將預磨機上磨后的試樣用粗布進行粗拋；再用細拋光布進行精拋。</p><p>　　4 清洗:用脫脂棉沾酒精輕擦，然后吹干試樣表面的酒精。</p><p>　　5 腐蝕：4%的硝酸酒精溶液。</p><p>　　6 觀察分析:用金相顯微鏡觀察組織圖像進行分析。</

74、p><p><b>　　2.4.2硬度測定</b></p><p>　　采用HV-300維氏硬度儀測量復合材料的硬度。</p><p>　　2.4.3耐磨性測定</p><p>　　在MRS-10A型摩擦磨損試驗機上進行復合材料的耐磨性試驗，并且用感量為0.lmg的Sartorius生產(chǎn)的BS124S電子分析天平稱量銷試樣的

75、磨損質量。</p><p>　　第三章 試驗結果與分析</p><p>　　3.1 金相組織分析</p><p>　　3.1.1 基體材料與復合材料組織的對比</p><p>　　下圖為7075鋁合金與8%Al2O3/7075鋁基復合材料鑄態(tài)時的組織圖。</p><p>　　圖3.1鑄態(tài)組織(a)7075鋁合金 (b)

76、8%Al2O3/7075鋁基復合材料</p><p>　　由圖3.1對比可以看出加入Al2O3后組織的晶粒明顯細化，在澆鑄過程中由于加入Al2O3有效的阻止晶粒的長大，達到細晶強化的目的。組織更加均勻化機械性能提高，Al2O3顆?？梢院芎玫胤稚⒌交w中，分布比較均勻，A12O3顆粒與基體有很好的結合界面。從其中的金相組織圖可以看出，8%Al2O3/7075鋁基復合材料中有著與基體合金相似的結晶組織，對合金的金相組

77、織沒有太大的影響，顆粒也沒有被推擠到結晶的界面上去。由圖3.1(b)中可以看出，A1203顆粒細小，接近球形，分散很均勻，在制樣、研磨、拋光過程中顆粒依然與基體牢固地結合在一起，可見A12O3顆粒與鋁硅合金基體有很好的相容界面，結合良好。</p><p>　　3.1.2摩擦表面的組織觀察</p><p>　　圖3.2為7075鋁合金與8%Al2O3/7075鋁基復合材料做摩擦磨損試驗后的圖

78、像由圖中可以看出，與基體相比，復合材料表面的磨痕和犁溝狀條紋較淺。 </p><p>　　圖3.2 7075鋁合金 (a)與8%Al2O3/7075鋁基復合材料(b)摩擦表面</p><p>　　由圖3.2可看出，復合材料摩擦表面出現(xiàn)大量由半金屬摩擦材料轉移來的物質覆蓋整個摩擦界面?；w材料，圖(a)、(b)都為摩擦表面都呈現(xiàn)劃痕和犁溝痕跡，這主要是由磨粒磨損引起的。由于摩擦材料中有硬質

79、顆粒的存在，并且從復合材料摩擦表層脫落的增強顆粒也會成為磨粒參與三體磨損，在摩擦引起的高溫下，鋁合金基體的強度降低，更容易發(fā)生硬質顆粒犁削復合材料基體的情況。劃痕和犁溝的寬度和深度主要與復合材料基體的硬度、強度，以及增強顆粒的尺寸、施加載荷的大小、配副摩擦材料中硬質點的情況等有關。隨著復合材料硬度和強度的提高，磨粒刺入復合材料基體的深度減小，犁溝的深度和寬度減小，受磨粒磨損控制的磨損量降低。隨著復合材料強度和表面硬度的逐漸增加，可見圖3

80、.2(a)、(b)的劃痕和犁溝由寬逐漸變細，相應的隨著劃痕變細，說明摩擦表面受磨粒磨損的程度降低，磨損量減少，這與前一章的試驗結果是一致的。</p><p><b>　　3.2硬度測定</b></p><p>　　硬度是衡量材料軟硬程度的一種力學性能，一般可以認為，硬度是指材料的一個區(qū)域抵抗變形或破壞的能力。本試驗測量復合材料的維氏硬度，對于每一個試樣，取五個不同位置

81、測硬度值，將其平均值作為材料的硬度值。表3.1為所測材料的硬度(HV) </p><p>　　表3.1 7075鋁合金與含8%Al2O3/7075鋁基復合材料維氏硬度表</p><p>　　在表3.1中基體材料的平均硬度為79.28而加入Al2O3后硬度提高了原來的兩倍還多，由于Al2O3顆粒附在基體晶界或者晶內，在澆鑄石有效地阻止了晶粒長大，還有就是Al2O3顆粒本身硬度比較高，這也是材

82、料硬度提高的一個重要因素。</p><p>　　3.3 耐磨性的分析研究</p><p>　　3.3.17075鋁合金與8%Al2O3/7075摩擦磨損性能的對比</p><p>　　隨著基體中Al2O3含量的增加，材料的磨損量如表 所示：</p><p>　　表3.2 不同成分材料的摩擦磨損量</p><p>　　

83、表3.2為7075鋁合金與含8%Al2O3/7075鋁基復合材料磨損量對比。由試驗結果可見，三種不同Al2O3硅含量的復合材料的磨損率隨著基體Al2O3含量的增加而降低。這是因為隨著復合材料基體Al2O3含量的提高，材料的硬度提高，摩擦表面體抗磨粒犁削的能力增強。由于復合材料磨損率降低，脫落到摩擦面間的Al2O3顆粒減少，由硬質顆粒引起的對摩擦材料的磨粒磨損減少，故隨著Al2O3含量的增加，摩擦材料的磨損率也下降。氧化鋁顆粒增強鋁基或鋁

84、硅合金基復合材料是在軟的鋁或鋁合金基體上分布著硬質的氧化鋁顆粒。由于氧化鋁的硬度遠遠高于鋁或鋁合金基體，在摩擦開始后，復合材料表面的基體首先被磨掉，而使氧化鋁顆粒暴露在材料表面，與對偶面直接接觸，起到了承受載荷、防止對磨材料與基體的接觸、保護基體材料的作用。當基體對氧化鋁顆粒的約束力不足以抵抗摩擦力對顆粒的作用時，氧化鋁顆粒就會發(fā)生脫落，脫落的顆粒在磨面上可以起到“滾珠”的作用，從而對復合材料的磨損起到一定的減磨作用。隨著氧化鋁含量的增

85、加，磨面上的氧化鋁顆粒就越多，起的“承受載荷”和“滾珠效應”的作用就越大，從而減磨作用就越明顯。</p><p>　　3.3.2轉速對鋁基復合材料摩擦磨損性能的影響</p><p>　　滑動速度的法向載荷是影響摩擦行為的重要外在因素。人們最初認為系數(shù)與滑動速度和載荷無關。但后來一系列試驗結果表明[12]，不同材料的摩擦系數(shù)隨著滑動速度和載荷的變化而表現(xiàn)出不同的摩擦磨損機制。且不同滑動速度和

86、載荷條件下，其他摩擦磨損影響因素的作用程度也不同，摩擦系數(shù)與載荷之間通常表現(xiàn)出復雜的關系。考察滑動速度和載荷對摩擦系數(shù)的影響，要考慮具體的摩擦材料和外部條件的作用。</p><p>　　圖3.2不同轉速對摩擦系數(shù)(a)與磨損量(b)的影響</p><p>　　由圖3.2(a)可知：隨著轉速的提高，試樣的摩擦系數(shù)趨于平緩，在0.38-0.45之間，這表明材料的磨擦損性能穩(wěn)定，加入Al2O3后

87、使得材料的摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定，提高了材料的穩(wěn)定性。由圖3.2(b)可知在基體材料加入Al2O3后，大大提高了材料耐磨性能，圖3.2(b)中B曲線代表基體材料隨轉速變化的磨損量，C曲線是加入Al2O3后材料的磨損量，可見加入Al2O3減少磨損磨損量大約一倍有余。從結果中可以看出，復合材料的磨損量和磨損率隨著氧化鋁顆粒含量的增加而降低，說明基體中加入增強體氧化鋁后，提高了復合材料的耐磨性能;并且表明材料的耐磨性能隨著氧化鋁顆粒含量的增加而增強

88、。</p><p>　　3.3.3載荷對鋁基復合材料摩擦磨損性能的影響</p><p>　　圖3.3為在90r/min速度下，法向載荷對摩擦系數(shù)的影響。圖中摩擦系數(shù)分別為以相同初始速度進行制動試驗10次，取10次摩擦系數(shù)的平均值。由圖3.3(a)可見，隨著載荷的增加，摩擦系數(shù)除了20N較低外總體趨勢平緩，基本保持在0.38到0.45范圍內。</p><p>　　圖3

89、.3 不同載荷對材料摩擦磨損量(a)與摩擦系數(shù)(b)的影響</p><p>　　如圖3.3(b)所示，隨著載荷的增加，復合材料的磨損率沒有太大變化，但基本趨勢趨于升高。致密化過后的復合材料由于總體硬度和強度都較高，其整體承受載荷能力較高，在本文試驗條件下，載荷的增加并沒能使復合材料的磨損機制發(fā)生大的變化，因此復合材料磨損率表現(xiàn)出增加的趨勢。摩擦材料的磨損率隨著制動載荷的增加，在載荷達到30N時磨損率增加明顯，說明

90、該載荷下，由于溫升較快，高溫使摩擦材料性能下降，導致磨損率增加。</p><p><b>　　結論</b></p><p>　　本次試驗是在7075基加入Al2O3作為增強體顆粒來提高材料的性能，通過本次試驗可以得到以下結論：</p><p>　　1 作為增強體顆粒的Al2O3大大提高了材料的硬度，耐磨性。</p><p&g

91、t;　　2 用Al粉與CuO作為前驅體原位生成A12O3顆粒增強鋁基復合材料，A12O3顆粒細小，為近似球形，能夠均勻分布地在基體中。</p><p>　　3 隨著基體中A12O3含量的增加，復合材料的摩擦系數(shù)越來越穩(wěn)定，磨損量越來越低，磨損性能提高。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 沃丁柱，李順林.復

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105、我要謝我的指導老師劉慧敏教授，本論文是在導師的悉心指導和親切關懷下順利完成的。導師淵博的專業(yè)知識，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，精益求精的工作作風，誨人不倦的高尚師德，嚴以律己、寬以待人的崇高風范，樸實無華、平易近人的人格魅力對我影響深遠。從他身上我學到了很多學習方法及為人處世的道理，值此論文完成之際，謹向導師多天來在學術上的諄諄教導與生活上的關心致以崇高的敬意和衷心的感謝！</p><p>　　在論文寫作過程中，研究生宋振東