铝石墨复合材料的半固态制备及其摩擦性能研究

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摘要铝一石墨复合材料是一种理想的自润滑材料，非常适用于制造轴瓦、缸套等耐磨减摩零件。本文利用半固态铸造技术制备了铝一石墨复合材料，并对其微观组织和摩擦性能进行了研究，具体如下：1．利用半固态铸造技术制各了组织均匀的铝一石墨复合材料。借助于自行开发的电磁一机械复合搅拌装置制备了铝一石墨半固态浆料并对其进行了研究，得出了浆料固相率与搅拌温度之间的线性关系：明确了铝一石墨半固态铸锭的浆料固相率与石墨颗粒聚集区尺寸之间的关系；获得了消除铝一石墨复合材料石墨颗粒宏观偏析的条件：当半固态浆料的固相率大于30％时，能基本消除铝一石墨复合材料中石墨的不均匀分布。2．采用销盘摩擦磨损试验机，在干摩擦条件下，对半固态铸造的铝一石墨复合材料与45钢组成的摩擦副进行了摩擦性能研究，探索了摩擦系数∥与试样承受载荷Ⅳ的关系，确定了它们之间的关系式为：∥=0．256+(1．157x10-4)Ⅳ+(8．749x10—7)Ⅳ2同时，明确了摩擦系数与摩擦时间之间的关系，揭示了在不同摩擦时间下摩擦表面的特征，确定了摩擦机理。结果表明，摩擦时问在0-一40min阶段，摩擦系数随时间的延长，急剧下降；在40,-,120min阶段，随着时间的增加，摩擦系数的下降趋于缓慢，只有小量的降低；而在120min之后，摩擦系数不随时间变化，稳定在0．2763左右。3．分析了在摩擦过程中石墨自润滑膜的形成机理，得出了摩擦系数的变化受摩擦表面石墨成膜过程的影响规律。关键词：电磁一机械搅拌技术；铝．石墨复合材料；半固态；摩擦分类号：TB331；Tilll7．1 ABSTRACTAluminum—graphitecompositeisaveryidealself-lubricatingandconductingwearablematerialforbearingandcylinderliner．Inthispaper,Aluminum—graphitecompositeispreparedbythesemi—solidcastingtechnology,itsmicrostructureandfrictionperformanceisstudied鹪follows：1．Theuniformaluminum-graphitecompositeispreparedbythesemi-solidcastingtechnology．Thealuminum-graphiteslurrywhichispreparedbytheelectromagnetic-mechanicalstirringtechnologyisresearched．ThelinearformulabetweenthesolidfractionandthestirringtemperatureWasattained；Therelationshipbetweenthesolidfractionandthesizeofaggregategraphiteisdeterminedandtheconditionforeliminatingmacro-·segregationofgraphiteinthesolidAluminum··graphitecompositeisobtainedasfollows：whenthesolidfractionofthecompositeslurryisabove30％，themacro-segregationofgraphitecallbeeliminated．2．Frictionbehaviorofsemi·solidcastingAluminum—graphitecompositeagainst45steelunderdryslidingisevaluatedinthepin-on—disctribologicaltester．TherelationshipbetweenfrictioncoefficientgandloadNisinvestigated，quadraticformulaisconcludedasfollows：∥=0．256+(1．157x10-4)Ⅳ+(8．749x10_7)Ⅳ2Therelationshipbetweenfrictioncoe伍cientandfrictiontimehavegot．Themicrostructurecharacteroffrictionsurfaceunderdifferentfrictiontimeisanalysedandthemechanismoffrictionisconfirmed．Theresultsshowthatwhenfrictiontimeiscontrolledbetweenm40minutes．frictioncoe伍cienttobogganastimeextends；ontheotherhand，whiletimeiscontrolledbetween4∞120minutes，descendoffrictioncoe伍cientgoestobeslower,andonlyalittledecliningisformalafterthe120minutes，frictioncoe伍cienthasasteadyvalueofabout0．2763．withoutchangewithtime．3．Theformationmechanismofgraphitelubricatingfilmwereanalyzedintheprocessoffrietion．Thereductioninfrictionofcompositesisbecauseoftheformationofgraphitelubricatingfilmduringsliding．KEYWORDS：electromagnetic-mechanicalstirringtechnology,aluminum—graphitecomposite；semi—solid；frictionCLASSNO：TB331：THIl7．1 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名．斧苣娥签字日期：工帅等年多月／。日导师签名：a呜．，签字日期：M年汐6月佑日， 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：琴’卿签字日期：矽参彦年∥明／o日55 致谢本论文的工作是在我的导师张鹏老师的悉心指导下完成的，张老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来张老师对我的关心和指导。杜云慧老师悉心指导我们完成了大量实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向杜老师表示衷心的谢意。刘汉武老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。在实验室工作及撰写论文期间，张君、姚莎莎以及韩海东、张新等师姐们、师弟们对我的研究工作和论文撰写工作给予了热情帮助，在此向她们表达我的感激之情。另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1综述1．1铝一石墨复合材料的国内外研究现状铝一石墨复合材料是由铝合金基体和均匀分布在铝合金基体中的石墨颗粒构成的。这种复合材料不仅具有铝基的比强度高、导热性好等金属特性，而且综合了石墨的自润滑性和良好的化学稳定性，克服了金属基体耐磨性差的缺点，因此，非常适用于制造轴瓦、缸套等耐磨减摩零件。另外铝基材料本身具有价格便宜、耐蚀性好等优点，对于进一步使汽车轻型化，节省能源有较大影响，成为近年来的研究热点之一【l】。摩擦是两接触的物体在接触表面间相对滑动或有一趋势时产生阻碍其发生相对滑动的切向阻力，这种现象叫摩擦；磨损是由于摩擦引起的摩擦能耗和导致表面材料的不断损耗或转移，即形成磨损。磨损是机械设备重要的失效方式，我国每年因磨损消耗的金属耐磨材料约300万吨以上，在机械零件的报废中，由磨损造成的约占50％以上【21。由此造成的直接和间接经济损失是非常巨大的。因而，减少摩擦和磨损是提高资源利用率、建设资源节约型社会的重要措施。因此长久以来新型耐磨复合材料摩擦性能的研究一直是世界各国材料学界和工程学界关心的重要课题。1．1．1铝一石墨复合材料制备的研究现状石墨是一种性能优良的固体润滑剂，在铝合金中加入石墨颗粒可制得耐磨性能优异的铝一石墨复合材料，可用于制造在高温、中速工况下长期运转的滑动轴承等耐磨零件。铝一石墨复合材料的制备方法有多种，目前国内外常采用粉末冶金法、液态浸渗法、喷射沉积法、自蔓延高温合成法、热压制备等【3】工艺，其各种制备方法的特点见表卜l。(1)粉末冶金法是先将基体金属粉末与石墨颗粒在固态机械混合均匀后，再装入模具中经冷压、封装、抽气，然后在液相线与固相线之间进行真空热压烧结，制得复合材料坯料，再经过挤压、轧制、铸造等二次加工制成零件或型材。其工艺流程为：混粉．压实．除气．烧结．二次加工。(2)液态浸渗法即挤压铸造，挤压铸造法被认为是金属基复合材料最有效的 制造方法之一，工艺过程是将预先制备的含有较高空隙率的强化成型体含浸于熔融基体金属中，随即用压头加压(约150．300MPa)，使金属浸透预成型体后凝固来制备复合材料的方法。获得优良复合材料的关键是预制件的制作。选择合适的外加压力和浸渗温度是保证复合材料组织致密、性能良好的重要因素【4】。(3)喷射沉积法是将熔融金属用喷嘴射出的高压气体喷射雾化成细小的液态金属流，同时将石墨射入雾化的金属流里，在气流下面设一个接受器，这样雾化的金属液滴和石墨共同沉积到接受器上凝固后制得复合材料。(4)自蔓延高温合成法基本原理是在外界给粉末压坯提供能量，使该处发生剧烈化学反应(点燃)，形成燃烧波，化学反应放出的热量使燃烧波不断向前蔓延，最终波及整个坯，形成复合材料。(5)热压制备法热压制备法除了综合了挤压铸造和粉末冶金的特点，将石墨颗粒与铝粉球磨混料后，在低于铝的熔点温度下热压成型，可制颗粒均匀分散且致密度较大的复合材料，选用不同的模具还可形成形状复杂的试样，国内外对该工艺方法鲜有报道。由于石墨与铝液的润湿性差，合成困难，制备过程中必须借助一些改善两者润湿性的方法。一般采用石墨颗粒表面镀层(Ni、Cu等)和基体合金化等，刘强等用此方法在基体合金粉末中直接添力l：IMg粉以增强石墨与铝之间的润湿性，制备了不同石墨含量Gr／A1．0．7Si．1．2Mg基复合材料，并揭示了石墨含量及磨损条件对复合材料摩擦磨损性能及其磨损机理的影响【51。表1-1铝一石墨复合材料常用制备方法的特点Tabl—-1characteristicofpreparationmethodforA1·-graphitecomposite2 除以上几种方法之外，近年来又发展了许多新的制备方法。比如离心铸造成形技术阐，这是一种利用离心力将液态金属挤入增强材料闻隙霭使复合材料成形的方法，用此法可制备石墨颗粒增强铝一硅合金复合材料。综合上述各种制备方法的不足之处为：制备过程比较复杂，制备工艺参数较难控制，所用设备比较昂贵。所以对于新的制备方法的研究加快了铝一石墨复合材料的产业化进程，网时拓展了金属基复合材料的研究领域。1．1．2锅一石墨复合材料的摩擦性麓研究现状开发各种低摩擦系数的摩擦材料是摩擦学研究的重要内容。在铝基复合材料中加入各种增强相，形成铝基复合材料的技术为制造新型耐磨材料提供了新的途径【玎。其中之一是在铝合金中加入圆体润滑材料，如石墨、二硫化铝等，出于它们提供的固体润滑作用，使复合材料具有自润滑的特性。对予铝一石墨复合材料来说，由于把石墨颗粒引入到铝合金基体中，使得铝基复合材料的耐磨性能得以显著改善，摩擦系数在相当程度上得到控制，而且还具有铝合金基体密度低、导热性良好和价格适中昀特点。石墨增强铝基复合材料在摩擦学簇域的应用褥到了避界各国的广泛关注和研究。从上世纪70年代初，人们就开始研究在铝合金中加入石墨颗粒制成铝一石墨复合材料，把它用作摩擦材料。经过三十多年戆研究和发展，对石墨增强铝基复合材料的摩擦磨损特性有了较丰富的认识，铝一石墨复合材料被证明是一种优良而又廉价的轴承材料，用于机加工工具和连杆轴承等【8】。本节将简单阐述国内外对铝一石墨复合材料摩擦性能的研究现状。1983年，Komuro等人采用机械搅拌法制造石墨颗粒增强铝基复合材料≯l。通过向铝熔体中添加n、Cu、Cr、zr、Ni、V、Mg、Nb、Co、Si等元素来提高铝熔体与石墨颗粒的润湿性，其中主要研究了元素加入量对石墨润湿性的影响，以及搅拌焉采用加压条件下(400"--"1000kg／cm2)凝固的手段，制造了石墨含量在4～30％wt，颗粒尺寸在50～2509m的复合材料。1988年，Skibo等人对漩涡法和复合铸造法进行了分析，发明了一项搅拌法制造金属基复合材料的专利技术【10,11】。该技术是在真空中完成颗粒的搅拌加入，采用主剐两组桨叶，使其能高速旋转(2500r／min)，产生很大的剪切力，但在熔体表面只产生很小的漩涡，这些设计避免了气体的卷入。另外，高剪切力使熔体对颗粒表面产生物理刮擦作用，有利于除去颗粒表面的吸附气体和气泡，增进润湿。该专利属于美国Dural铝复合材料公司，其予1990年夏天在加拿大魁北亮建成了一座年产l1000t的金属基复合材料工厂。3 新加坡学者S．C．Lim等采用半固态浇铸工艺制备的AI．Cu／C复合材料叫-4．5Cu／4．2wtC％A1和4．5Cu／6．8wt％C)[12】。其工艺过程是在石墨坩埚中，对非常纯净的金属加强热到950。C，然后将预热(900"C下保温1小时)的石墨颗粒加入液态金属熔体中，当这些混合物处于液固两相体系时一直进行搅动使石墨颗粒在金属基体中分散均匀。制得的复合材料在石墨坩埚中逐渐凝固并且紧接着进行重熔(在同一坩埚中)，然后加入预热到400"C的柱型钢模中。摩擦和磨损性能通过销一转盘测试仪来检测，在相同测试条件下增强铝合金复合材料比未增强基体合金有更高耐磨性能。1997年台湾学者C．B．Lin对石墨粉采用化学镀铜的方法进行表面处理，通过镀覆金属铜镀层明显改善了石墨颗粒与铝熔体的润湿性。然后在惰性气体氩气气氛保护下采用机械搅拌法制造了铝基复合材料。此复合材料经过T6热处理与其他未增强合金基体相比具有更好的耐磨性【131。近20年来，我国摩擦性能研究和耐磨材料都有很大的发展，东北大学Il剞、西安交通大学‘151、四川联合大学【161、上海交通大学【17】均有关石墨增强铝基复合材料摩擦磨损性能的研究报道。研究表明，经过增强的铝基复合材料的滑动磨擦系数减少，耐磨性显著提高。石予源用预成型压力浸渗技术制备了石墨颗粒增强铝基复合材料【181。铝合金中含有弥散分布的石墨颗粒，有优异的抗擦伤性能，低的磨损率，其膨胀系数、弹性模量、热导率、导电率都能通过其所含的石墨颗粒数量来控制。复合材料的石墨颗粒没有被损伤，仍成颗粒状。颗粒与基体之问界面清晰，无空洞及石墨颗粒脱开现象。随石墨含量的增加，复合材料的摩擦系数减少，而磨损量有所增大。文章从润滑膜的连续程度和基体的强度极限两个角度考虑的。戴斌煜采用消失模铸造工艺制备铝一石墨复合材料并对此材料做磨损性能试验。得出石墨颗粒与铝液之间的润湿性是影响石墨收得率的非常重要的因素【19】。将石墨粒子进行活化或表面镀铜处理，加入表面活性元素或适当提高浇注温度，均可改善铝液与石墨间的润湿性，提高石墨收得率。唐仕英，刘晓新等采用粉末冶金和热压烧结的方法制备了纳米铝一石墨复合材料，分析了纳米石墨加入量对复合材料摩擦磨损性能的影响【20】。结果表明：纳米石墨的加入量为l％时，在基体中易于分散，可以显著降低复合材料的摩擦因数；但随着纳米石墨含量的增加，材料的磨损量也相应增大。黄来铀，王伟在铝锌系合金中加入石墨自润滑颗粒，制成铝基轴承复合材料。该材料的抗拉强度和硬度优于6-6．3锡青铜，而摩擦系数和磨损率则低于6-6．3锡青铜，该材料的承载能力，顺应性和亲油性也明显优于锡青铜，可用于制造较高负荷，中高速条件下工作的轴承和轴瓦类零件【2l】。复合材料中的石墨以机械混合物形式存在，能谱分析表明石墨中无任何元素。石墨与基体结合比较牢固。石墨4 在摩擦过程中先脱落，在摩擦副表面形成一层固体润滑剂薄膜，起减摩润滑作用，构成了理想的轴承合金组织。曹占义等研究了铝一石墨复合材料的摩擦特性和磨损机理【221。研究发现，在低速低载荷条件下，在相对滑动初期，复合材料的摩擦系数与基体合金接近；随着摩擦过程的进行，复合材料的摩擦系数逐渐趋于稳定；石墨含量越高，达到稳定摩擦系数所需要的时间越短；摩擦系数的变化与摩擦表面石墨的成膜过程相对应；摩擦系数达到稳定时，自润滑薄膜覆盖面积大约为摩擦表面的85％，这时自润滑薄膜在摩擦表面上生成和剥落达到平衡。综合国内外关于铝一石墨复合材料摩擦磨损性能的研究状况，可以得出铝一石墨复合材料的摩擦学特性主要取决于复合材料的制备方法、石墨的体积分数、外加载荷、石墨与铝基体之间的润湿性，自润滑薄膜的成型状态等因素。1．2半固态金属成形技术的发展和应用20世纪70年代初期，美国麻省理工学院Fleming教授开始对半固态金属的性质进行了研究【23矧，它是将普通铸造成形时易于形成的树枝晶网络骨架，在成形温度达到液固两相区时，进行强烈搅拌，将其打碎而保留分散的颗粒状组织，悬浮于剩余液相中，形成多晶核组织，并且这种颗粒非枝晶的显微组织，在固相率达0．5～O．6时仍具有一定的流动性，从而可利用常规的成型工艺如压铸、挤压、模锻等实现金属的成形。这种对半固态金属进行成形的加工工艺称为半固态成形技术1251o凭借非枝晶半固态金属的优良特性，使得金属半固态加工与传统的N-r方式相比，具有几点明显的优势：①与固态金属加工比较，半固态浆料具有流变性和触变性，变形抗力小，提高成形速度，进行复杂件成形，缩短加工周期，利于节能节材，可进行连续形状的高速成形；②与液态金属加工相比，随着固相分数的降低，呈现粘性流体特性，在微小外力作用下可发生变形流动，但粘度比液态金属高，容易控制；③复合材料制备和成形，当固相分数在极限值(约0．75)以下时，浆料可以进行搅拌，并可很容易混入异种材料的粉末、颗粒和纤维；④应用广泛，凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工，适用于多种加工工艺。目前已有包括中国在内的二十多个国家和地区开展了半固态成形研究【26--2引。研究的对象主要集中在铝合金和镁合金材料的成形。半固态成形技术在美国、日本和欧洲等国已进入规模工业应用阶段，主要应用于汽车、摩托车、通信、电器、兵器、航空航天和医疗器械等领域。其中，铝合金半固态成形产品每年约2万吨。5 1．2．1半固态浆料的制备方法在金属半固态浆料的制备过程中，核心问题是如何获得具有均匀细小、近球形的固相组织的半固态浆料。针对这个问题先后出现了多种制备半固态浆料的新技术，其中某些技术在国外已成功应用于工业化生产，在国内也初步向生产转化。根据这些技术制备半固态浆料的基本方法或手段可将它们分为以下几类。1．2．1．1机械搅拌法机械搅拌法是在20世纪70年代由Fleming首先提出的，是最早用于制备半固态金属浆料的方法。其工作原理是：通过搅拌棒或者旋转的叶片对熔体直接施加搅拌，利用半固态金属流层速度不同产生的剪切应力或者采用螺旋式搅拌器来强化凝固过程中金属液的流动使枝晶折断，成弥散球状固相颗粒的半固态合金【30’311。从而使凝固初期的枝晶破碎、变形，形在搅拌过程中，通过控制搅拌室的温度来控制半固态金属的固相率，通过改变叶片或搅拌棒的转速来控制剪切速率，并可以保证搅拌过程中的剪切速率不变。机械搅拌制备半固态金属浆料是目前实验室应用最广泛的方法，这是因为机械搅拌装置结构简单、造价低、操作方便、剪切速率易于控制，但是，机械搅拌方法的生产效率低、搅拌室和搅拌棒的寿命短、搅拌棒和搅拌室易污染半固态金属浆料，所以机械搅拌方法只适合于实验室的研究工作，无法制备高质量的半固态金属浆料，也无法满足商业生产的需要。1．2．1．2电磁搅拌法电磁搅拌技术是20世纪瑞典人德雷富斯首先开发的【32】。其工作原理是：采用单相或两相以上线圈绕组，在接通交流电流后，产生感应旋转磁场；利用该旋转磁场，对处于其内部空间的金属熔体产生周向电磁力作用，通过电磁力改变凝固过程中熔体的流动、传热和传质，达到晶粒细化的目的。旋转磁场的磁感应强度主要与绕组线圈的输入功率及电源的频率有关；绕组线圈的输入功率或输入电压越大，旋转磁场的磁感应强度就越高，金属熔体的搅拌强度就越大；电源的频率越高，旋转磁场的透入深度越浅，金属熔体的搅拌效果越差。在交流感应旋转磁场搅拌时，不存在类似于机械搅拌的叶片或搅拌棒，金属液纯净、不卷入气体、控制方便、产量大，是目前工业应用的主要方法之一。其缺点是电能消耗量大，设备结构复杂而且成本高。6 1．2．1．3变形诱变激活法(SIMA)变形诱变激活方法是Strain—inducedMeltActivationProcess的意译。其工作原理是：利用传统连铸方法预先连续铸造出晶粒细小的金属坯料，将该金属坯料在回复再结晶的温度范围内进行大变形量的热态挤压，通过变形破碎铸态组织，然后再对热态挤压变形过的坯料加以少量的冷变形，在坯料的组织中储存部分变形能量，最后按需要将经过变形的金属坯料切成一定大小，迅速将其加热到固液两相区并适当保温，即可获得具有触变性的球状半固态坯料【33矧。该技术不仅能制备铸造铝合金的半固体坯料，还能制备变形铝合金的半固态坯料，也能制备铜合金、黑色金属的半固态坯料。已经成功应用于不锈钢、铜合金等高熔点合金，应用于镁合金也有一定潜力。该技术制备半固态坯料具有材料无污染，致密度高的特点。目前，美国Alumax公司已用该专利技术生产一种军用航天器中的小型电器零件。但由于该技术工艺流程较长、能耗高，因此成本高，同时要求材料需具备一定的塑性，因此实现大规模的产业化也比较困难，目前只能小批量地生产部分半固态浆料。1．2．1．4单辊剪切冷却技术(SCR)单辊剪切冷却技术(SheafingCoolingRollProcess)是一种制备半固态金属浆料的机械搅拌方法的变种，其工艺原理是：利用一个机械旋转的辊轮把静止的弧状结晶壁上生长的初晶不断碾下、破碎，并与剩余的液体一起混合，形成流变金属浆料。该技术是一种稳定有效制备多种半固态合金的方法，获得的固相颗粒尺寸在30-～50／nn之间，单辊旋转方法可以制各半固态金属浆料或坯料，也可以制备半固态金属薄带。这种技术首先在日本进行了实验研究，并取得了重要研究成果。国内东北大学和哈尔滨工业大学罗守靖、霍文灿等人对单辊旋转技术进行了进一步研究，取得了重要研究成果【35-391。在国家自然科学基金的资助下，东北大学温景林等人将该技术成功与连续铸挤工艺结合，通过优化模具设计与控制工艺参数，成功实现了半固态材料的连续挤压成形。该工艺有如下优点：设备结构简单，其设计、制造、运转及操作比较容易；辊轮表面周期性的接触金属熔体，其温度升高有限，辊轮对高温强度要求不高，因此，辊轮的选材简单；辊轮和静止弧形结晶壁的冷却容易实现；辊轮和静止弧结晶壁的表面温度及两者之间的缝隙宽度、辊轮的转速均可实现独立控制，易于达到所要求的工艺条件。虽然单辊旋转法具有这些优势，但该工艺尚处于研究开7 展阶段，未见有成熟的技术报道。1．2．1．5电磁一机械复合搅拌法本课题拟采用改进的机械搅拌装置即电磁一机械复合搅拌技术来制备铝一石墨半固态浆料。该技术是针对组分物性(尤其是密度与熔点)差别较大金属液的半固态浆料的制备开发的，其工作原理是：利用电磁搅拌装置产生的周向运动，打碎金属液凝固过程中形成的初生枝晶；借助于机械搅拌器上下移动控制，不断地将周围的金属熔体移到内部，将上部的金属熔体推到下部，利用半固态浆料的高粘度和半固态浆料中初生固相颗粒来阻止增强体颗粒的悬浮，得到组织均匀的半固态浆料。这种改造后的电磁搅拌技术明显优于传统的电磁搅拌技术，它一方面能够有效的避免合金成分在搅拌时偏析，另一方面还能够确保初生固相颗粒均匀分布。该方法在制备半固态复合材料浆料方面具有明显的优势和应用前景。1．2．1．6其它方法制备半固态的方法还有：液相线铸造法、低过热度浇注法、超声波处理法、电磁脉冲法、紊流管道法、溅射沉积法等，以上方法主要在实验室应用。1．2．2半固态金属的成形工艺通常的半固态成形工艺路线主要有两种：流变成形和触变成形。工艺流程如图1．1所示。(1)流变成形(Rheoforming)流变成形又称流变铸造，是将经搅拌等特殊工艺获得的半固态浆料直接进行半固态成形(图1．1a)。由于半固态金属浆料的保存和输送很不方便，因而这种成形方法投入实际使用的较少。目前成功的流变成形技术都是将两个工序紧密结合成一体，进行工业化生产的典型流变成形技术就是射铸技术，该技术是将液态金属送入多区段加热与螺旋式剪切的圆桶中，在特殊的加热与螺旋推进搅拌系统中，通过对合金料的加热剪切，并直接射入压射室进行成形舡421。但流变成形工艺流程短、设备简单、节省能源，仍然是未来金属半固态成形的一个重要发展方向。近年来东北大学经过大量的努力，结合国家自然科学基金项目，在连续铸挤和单辊剪切冷却制备半固态合金材料的学术思想基础上，提出了半固态连续扩展成形机制，经过多年努力，终于实现了二者的有机结合，设计 制造了半固态连续扩展挤压成形试验机，得到了组织性能良好的成形材[37,38】。与普通铸造相比，流变铸造有许多优点：晶粒细小、减少偏析、结构分布均匀、减小了收缩、微缩孔和裂纹、改善了铸件的机械性能。(2)触变成形(Thixofonning)触变成形是将经搅拌等特殊工艺获得的半固态坯料冷却凝固后，按所需尺寸下料，再经二次加热至半固态温度，然后放入模具型腔中进行压力加工成形(图1．1b)。由于半固态金属坯料的加热、输送很方便，成形过程容易控制，便于实现自动化生产。因此，实际工业生产中主要采用触变成形方法。形图1．1金属半固态成形工艺技术路线Fi91．1Technicscou艇圮8ofsemi-solidforming触变成形技术应用最广泛的就是触变锻造，可采用组合模生产形状复杂产品以及成形强度较高的难成形合金与高熔点材料。与流变成形法相比，触变成形法更为实际可行，解决了半固态金属浆液制备与成形设备的衔接问题和半固态金属的保存运输问题。1．2．3半固态金属组织的形成机理采用常规铸造方法得到的铸造组织通常是典型的枝晶组织，在合金溶体凝固的初期，初步形核长大的晶粒是可以自由移动的，但随着晶粒的进一步长大会形成大的枝晶网，具有枝晶组织的合金如果变形较大，连续的裂缝就会产生。与采用常规铸造方法形成的枝晶组织不同，利用流变铸造方法生产的半固态金属具有独特的非枝晶、近球形的显微结构。这种含有球状晶粒组织的半固态合金在固相率甚至高达60％时，流动性能也与液态合金基本一样，变形抗力很小，可以用传统的铸造方法成形。在半固态浆料的制备过程中，组织的形成过程伴随着复杂的物理化学作用过程。但是所有这些行为都受到三个基本工艺条件影响，即半固态合金温度、固相率与剪切速率。半固态组织形成过程主要表现出两个基本特征，即形貌的球化与9 尺寸的细化。然而，人们对于这种特殊组织的形成机理的认识还很不够，曾提出了枝晶臂机械断裂【43即】和枝晶根部熔断的理论【43，45q7】来解释非枝晶的形成，认为在搅拌作用下树枝状晶发生机械断裂，或由于根部颈缩及搅拌引起的热扰动的作用而熔断，枝晶碎片在搅拌对流作用下被带入熔体内部作为新的长大核心保存下来，晶粒逐渐转变为圆球形。在常规铸造中，人们也认识到了搅拌、振动等方式可以起到细化晶粒的作用，但却往往认为这只是枝晶发生了碎断。演化过程如图卜2所示。外场作用下树枝晶破碎球化技术的核心是通过外场作用使凝固生成的树枝晶破碎，其特点是外场几乎作用于整个浆料制备过程。现在普遍认同的观点是：合金熔体首先以树枝晶凝固(图1．2①a)，在外场作用下，初始树枝晶得到破碎(图1．2①b)，初始树枝晶碎片提供了更多的人工晶核，从而使晶粒细化；在持续的外场作用下，树枝晶碎片演变成球状或近球状(图1．2@c)。该技术中自由晶粒来源于两部分：一次形核，凝固初期产生细小树枝晶；二次形核，初始树枝晶破碎产生的破碎枝晶臂，即发生晶粒增殖。控制形核与抑制树枝晶生长技术的核心是在合金熔体中形成大量的自由晶，通过控制合金熔体凝固的热力学条件，抑制晶粒呈树枝状生长，从合金熔体中直接获得球形／近球形的初生固相，如图1．2②b。形核鳘曩叨略宁流变铸造圣。嚣抑震长踞形核晶粒球化最近几年人们对非枝晶组织的形成机理有了更深入的认识。张景新等【48】，提出了电磁搅拌作用下的晶粒漂移和混合一抑制机制，认为在固液两相区，枝晶是难以机械断裂的，枝晶碎断并不是非枝晶组织形成的主要原因，由于电磁搅拌在熔体中产生的强烈混合和对流改变了传热和传质过程，使得晶粒在各个方向上的生长条件都相同，于是晶粒发生了类似于等轴晶生长的过程，搅拌冲刷作用使晶粒呈球状。由于金属的不透明性，限制了人们对半固态组织形成过程中微观组织的动态演化过程进行直接研究。李涛掣印】采用丁二腈．5％水的透明模型合金，通过实时观察技术对半固态处理过程中的组织形成及演化机理进行了研究。结果表明，10 球晶是由液相形核长大产生的，而非传统的枝晶断裂机制。但目前对半固态组织的形成还缺乏理论分析及理论模型。1．3复合材料的摩擦和磨损理论1．3．1摩擦磨损概述摩擦、磨损是一个古老的课题，特别是工业革命以后，机器的大量使用对其产生了迫切需求，使其研究和发展进入了一个新的时期。表征摩擦力相对大小的是摩擦系数厂。古典摩擦规律：认为摩擦系数与表面名义接触面积、滑动速度和载荷大小无关、只与材料性质和表面性质有关。影响摩擦阻力的因素：接触表面的运动情况、外载荷、环境条件(温度、润滑等)、表面形貌和材料性质。产生摩擦和摩擦阻力的原因主要是：接触点的粘着作用、表面微凸体间啮合的机械作用、表面间边界膜的剪切作用、表面间流体的剪切作用和滚动接触中的弹性滞后作用等。从微观尺度来看，物体表面是粗糙的，因而在正压力作用下发生相互接触时，两表面仅仅在他们的理论接触区中的微凸体上相遇，一些微凸体被压平或压入配偶表面，真实接触面积通常远远小于名义接触面积。不仅在两个接触物体的硬度和弹性模量不同时会出现压入，而且在两个物体的硬度相同，而轮廓峰的外形不同时也会产生压入。而且，一般情况下，物体表面被一层称为边界膜的东西所覆盖。在真实接触的这些区域内，接触处被边界膜所分隔，当两表面作切向位移时，就必须克服因微凸体压入的啮合作用和边界膜的剪切作用而产生的变形阻力。如果表面上的边界薄膜因种种原因被去除或被破坏，如载荷或温度过大等，接触将发生在表面微凸体的洁净材料间，则两个表面的接触处的原子间将会相互吸引，从而产生强大的粘着力，能在一定程度上形成牢固的结点。粘着性质取决于接触物理学及接触化学。当发生相对滑动时，一定要克服这些粘着力，也就是说，粘着产生的结点必须被剪断。剪断这些结点的力也是两个表面间产生摩擦的主要原因之一。称作粘着摩擦。粘着作用产生的摩擦系数与结点的剪切强度相关，微凸体压入的啮合作用产生的摩擦系数与材料剪切强度与结点的剪切强度相关。如果两表面之间有润滑剂存在，由于润滑剂有粘度存在，相对运动使润滑剂剪切润滑所产生的阻力就形成了摩擦的另一个原因，称为流体摩擦。多数情况下，两表面之间既有材料间的直接接触，又有边界膜和流体膜的存在，称作混合摩擦。滚动摩擦则是作相对滚动的两表面之间的材料变形的滞后现象引起的。 1．3．2滑动摩擦涉及的主要摩擦理论在一般压力与速度下对确定的摩擦副和环境气氛，其摩擦力大体与载荷成比例，可以认为摩擦系数为常数。然而，摩擦系数不能视为接触时材料的基本“设计’’性能，因为摩擦力取决于许多可变因素，例如：表面的宏观形状、表面粗糙度、表面可能形成的润滑膜、滑动速度等。(1)机械啮合理论早期的摩擦研究者认为，摩擦是由表面的粗糙不平的凸起之间的机械啮合作用的结果，解释了表面越粗糙，摩擦系数越大的现象，但无法解释经过精密研磨的洁面的摩擦系数反而增大的现象，该学说的摩擦系数：yF厂2箭2斋2蚀9(L1)F为摩擦力，Ⅳ为正压力，秒是接触微凸体的倾斜角。(2)分子吸引理论鉴于精密研磨的洁净表面的摩擦系数反而增大的现象，英国、俄国的研究者提出了当两表面的材料分子接近时，分子之间的吸引作用是产生摩擦阻力的假说，利用分子力与分子之间距离的关系导出了摩擦系数与接触面积成正比的结论：F=l心七pA’、(1．2)p为分子引力，4为真实接触面积。(3)分子～机械理论苏联科学家克拉盖尔斯基1939年提出了分子一机械摩擦理论，认为摩擦阻力是由机械变形抗力和分子引力的综合，并不是一个常量，用下式的摩擦二项式定律表示：／=等+∥(1．3)如果认为，tZ'=％则分子分量与下述的粘着是一回事。金属的p=o．06～O．12，塑料的p=o．017"-0．06。(4)粘着理论英国学者鲍登等经过深入研究，提出了摩擦的粘着学说，得到普遍接受：在外载荷的作用下，两表面的微凸体之间的接触压力很大，造成接触点的粘着(冷焊)。当相对滑动时，粘着点被剪断。如果两表面的硬度不同，硬的微凸体还会在软表面上产生犁沟。剪切力与犁沟作用的总和就构成了摩擦阻力F：厂：Art／,：互(1．4)。N盯．、12 f。，仃，分别是较软材料的剪切强度极限(或界面剪切强度)和屈服极限。表明摩擦系数与接触面积无关。但计算出的摩擦系数为O．2左右，仍与实际不符。后来，人们又考虑了结点的长大(正应力与剪应力的综合结果)、表面膜的作用、表面能效应等因素，提出了更为符合实际的摩擦理论。更深入的研究说明，当表面的微凸体之间的接触是弹性接触或塑性接触以及表面膜的作用，影响微凸体接触的结点强度，因此影响摩擦阻力的大小。(5)机械一粘着一犁沟综合作用学说为了解释摩擦的复杂现象，人们又在粘着理论的基础上提出了“机械一粘着一犁沟’’综合作用的学说，综合了各个理论：'．f=等+tan0+‘(1．5)仃日为硬度，．凡为犁沟效应分量。一般认为，犁沟和机械作用可能大于粘着作用。静摩擦系数决定于微凸体的变形的机械作用。1．3．3磨损机理的分类磨损是摩擦的直接结果，使材料损耗增加，工作精度降低，可靠性降低，一般是有害的。典型的磨损过程包括：磨合磨损过程即形成一个稳定的表面粗糙度，且在以后过程中，此粗糙度不会继续改变，所占时间比率较小；稳定磨损阶段即经磨合的摩擦表面加工硬化，形成了稳定的表面粗糙度，摩擦条件保持相对稳定，磨损较缓慢，该段时间长短反映零件的寿命；急剧磨损阶段即经稳定磨损后，零件表面破坏，运动副间隙增大进一步引起振动、温度升高，从而使磨损速度急剧上升，直至零件失效。目前，有关颗粒增强铝基复合材料摩擦磨损性能的研究报道很多，但是由于各自的试验条件不同，得出的结论也相差较大，其摩擦磨损机理很难用统一的模型来概括。涉及的主要磨损理论【49】：(1)粘着磨损粘着磨损理论是R．Holm提出的【删，其定义为，两种材料在相对运动过程中，由于两表面之间的固体焊合或局部粘着所造成的材料从一个表面向另一个表面的转移，即一个表面上的磨屑永远或暂时的粘着在另一表面上。其后由Rabinowicz和Archard进一步完善了这一理论。根据Rabinowicz[51】的理论，当两表面相对滑动并且接触面之间的压力足够高，能够造成局部塑性变形，就会发生粘着。材料的硬度决定了接触材料表面之间的真实接触面积。因此，认为材料的表面硬度比整体硬度更为重要。 Archard进一步发展了这～理论，定义磨损体积为滑动距离、法向载荷和材料硬度的函数【521。这一理论基于粗糙表面的粘着机制，认为材料的转移过程是粗糙表面的粘着失效有关，他描述了粘着过程中裂纹的萌生及随后的扩展过程。假设在接触区域内，磨损颗粒为具有相同半径的半圆球形颗粒，Archard建立了下列材料的磨损体积形表达式：矿：—Kd—P(1．6)式中：足为摩擦系数；d为滑动摩擦距离；P为施加的法向载荷；H为材料的宏观硬度。Archard总结出磨损率与施加载荷成正比(假设接触区域的平均尺寸和颗粒的平均尺寸为常数，并且，磨损率与接触面积无关。这一结论预示着提高材料的表面硬度，可以提高材料的耐磨性能。(2)磨粒磨损摩擦副相对滑动时，硬的表面上有粗糙微凸体，或是在滑动摩擦面间存在硬磨粒对软表面产生切削或犁削作用，即产生磨粒磨损。其他磨损形式产生的磨屑，如粘着磨损的磨粒保留在摩擦表面间，经受加工硬化作用，成为硬磨粒，也将导致磨粒磨损。主要特征是摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成的沟槽，如图1．3和图1．4所示是磨粒磨损的简单模型。水平分力～图1．3显微切削模型Fi91．3Modelofmicrographcutting上图1．3所示磨粒作用在材料的表面上，在法向分力作用下，磨粒的棱角刺入材料表面，在切向力的作用下，磨粒沿平行表面的方向滑动，带有尖锐棱角的磨14 粒切削材料形成切屑[53-55】。当磨粒的棱角不够锐利，或是刺入表面角度不适合切削，将使材料表面产生犁沟变形，如图1．4所示。犁沟变形有两种：一种是由于磨粒推挤材料，使之堆积在磨粒的前方，随着磨粒平行表面向前运动，堆积在磨粒前面的材料增多，阻碍磨粒运动直至磨粒被碾碎。第二种是磨粒将材料犁向沟槽的两侧。磨粒犁沟表面并不一定能够一次性产生磨屑，第一个磨粒推挤金属或犁沟金属后，已经使沟槽底部或沟槽两侧的金属发生一定程度的变形，后继磨粒可能切削金属，也可能犁沟变形金属，这时磨粒所切削或犁沟的金属材料已经不是它原始性能了，而是经过一定程度冷作硬化的材料。如果磨粒不够锋利，则已经受到一定程度塑性变形的金属表面将再次塑性变形，金属经过多次变形，产生疲劳裂纹而断裂形成磨屑。水平分力变形脊图I．4磨粒推挤材料模型Fi91．4Modeloftrituratejostlematerial(3)表面疲劳磨损是两接触材料作滚动或滚动加滑动摩擦时，交变接触压应力长期作用使材料表面疲劳损伤，局部区域出现小片或小块状材料剥落，而使材料磨损的现象。接触疲劳的宏观形态特征是：接触表面出现许多痘状、贝壳状或不规则形状的凹坑(麻坑)，底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹。减少表面疲劳磨损的措施：减小接触应力、提高硬度、减小表面粗糙度；适当提高润滑油的粘度，在润滑油中加入极压添加剂和固体润滑剂。(4)腐蚀磨损摩擦过程中，金属与周围介质发生化学反应或电化学反应而引起的磨损。(5)剥层磨损剥层磨损理论是Sub在1973年提出的【56朋。这一理论的提出对滑动磨损机理的研究起到了重要作用。剥层理论包括诸如粘着磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损等不同磨损形成机理。该理论认为磨屑的形成由下列相随过程所致：15 1)当两个滑动表面相接触时，法向载荷和切向载荷通过接触点传递，较软表面的微凸体易于变形或在重复载荷下发生断裂，从而形成较光滑的表面，这时接触成为微凸体对平面的接触。这样当较硬表面的微凸体对平面相对摩擦时，较软表面上的每一接触点都要承受周期性的载荷。2)施加于软表面上的摩擦牵引力使其表面层发生塑性剪切变形，变形因重复载荷而累积。3)随亚表面变形的继续，裂纹或孔洞在变形层中的杂质或第二相粒子处萌生。而在接触区之下存在有三维高压缩应力，这使得在很接近表面处的裂纹不易形核。4)裂纹一旦出现，在外界载荷作用下扩展或许会与邻近的裂纹相连接，当这些裂纹最后向表面(某些薄弱位置)剪切时，导致长而薄的磨损薄片“脱落"，这种片状磨屑的厚度受到亚表面裂纹生长的位置控制，形成磨屑的位置受表面法向载荷和切向载荷的控制。这一磨屑剥落形成过程可以解释在很多情况下观察到的片状磨屑产生的原因。Sub在提出这一理论时，假设在磨损表层存在一低位错密度层。这样的薄层可承受很大的塑性变形而不会断裂。这一层的厚度与金属表面能和作用在位错的拽力的大小有关。因为当表面上出现位错时，总的表面积改变，所以表面能会影响这个区的厚度。而拽力是使位错在固体中运动所需克服的应力。它决定于由其它位错、合金中置换原子或间隙原子、位错的节距、第二相点的分布和性质等所产生的内应力。在硬的微凸体在软的表面滑动过程中，在这一层下的高位错密度区由于位错的堆积导致形成空穴，裂纹形核、扩展，形成磨屑脱落。1．3．4影响金属基．石墨复合材料摩擦磨损性能的因素在理想的摩擦情况下，石墨颗粒从表层镶嵌的地方转移到摩擦表面，在表面形成一个富含石墨的薄膜，该膜能够阻止两对磨金属表面的直接接触，从而减小摩擦系数和磨损率，达到自润滑的效果。而在一般情况下，由于各种原因，石墨膜不能完全覆盖摩擦薄膜，则没有石墨膜的部分就会产生较高的摩擦系数，复合材料的总摩擦系数就上升。所以，石墨在表面的铺展程度就决定了金属基一石墨复合材料的摩擦系数。影响金属基一石墨复合材料摩擦性能的因素分为内部因素和外部因素两大类。内部因素即复合材料方面的因素，包括基体、增强相的种类、体积分数、形态大小、分布和热处理等。外部因素包括载荷、滑动速度、环境温度及配偶件性能等。下面加以讨论。16 1．3．4．1石墨的作用(1)石墨的特性石墨是最常使用的固体润滑剂之一，石墨具有层状晶格结构，原子之间彼此具有较强的共价键相连，但层与层间的键合力为弱的范德华力，这决定了在切向摩擦力的作用下，石墨晶体比较容易发生分层破坏。这一点保证了石墨作为一种润滑剂具有较低的摩擦系数。石墨的化学稳定性高，它与金属具有很强的分子结合力，在金属表面上形成一层润滑膜有效地保护了晶体结构。石墨作为润滑剂所具有的这些优良的性能使它在不同成分的材料中得到广泛的应用。但石墨本身的耐磨性不够，所以必须与金属基体相结合，形成金属基一石墨固体自润滑材料。在铝合金基体中均匀弥散一定量的石墨粒子，使得铝基复合材料不仅具有基体的强度、硬度等金属特性，而且综合了石墨的自润滑性、良好的减震性和导热性等。(2)石墨的体积分数石墨的体积分数是影响金属基复合材料摩擦性能的一个重要参数。通常认为石墨颗粒的加入会使复合材料的耐磨性得以改善，但实际上这种复合材料的耐磨性还受到其他因素的影响。石墨颗粒的含量对耐磨性的影响有双重性。一方面石墨颗粒可以在磨损面上形成一层固体润滑薄膜，避免基体合金与对磨件的直接接触，从而减小摩擦系数，降低摩擦表面温度，减小磨损率；但另～方面石墨的加入也同时降低了复合材料的强度和延伸率，增加材料的脆性，减小了材料的承载能力，使材料在磨损过程中易产生剥落而增加磨损量。不同的试验条件可能产生不同的结论。Rohatgi等综述了各种基体、各种石墨含量的金属基一石墨复合材料的摩擦性能【58】，如图1．5所示。石墨增强不同基体的复合材料的摩擦系数都随石墨含量的升高而较低。当石墨含量为0时，基体的摩擦系数高低不同，但当石墨含量超过20v01％时，直至U60v01％，各种复合材料的摩擦系数都基本稳定在0．2。这说明此时复合材料表面已经全部被石墨膜所覆盖，复合材料摩擦系数完全由石墨膜决定，与具体的基体无关。复合材料摩擦系数随石墨含量的升高而降低，说明了磨损表面的石墨覆盖程度随石墨含量升高而增加．多数研究都表明复合材料磨损率随石墨含量升高而降低，变化趋势也类似。只有Jha等的研究结果得出了相反的结论，复合材料磨损率随石墨含量增加而直线升高【591。分析产生这种结果的原因，可能是由于采用了粉末冶金方法制备复合材料，在材料中存在较多缩松。另一方面，对耐磨性而言，并不是复合材料中石墨含量越多越好，当石墨含量增加到一定时候时，复合材料的磨损率可能升高。这是因为石墨颗粒本身强度极低，加入金属中能够使复合材料强度比基体低，塑性17 变差，而且随着石墨含量的升高，复合材料的强度越来越低，塑性也越来越差。而摩擦磨损时，复合材料需要足够的强度来承担正载荷和摩擦力，摩擦表面的塑性变形较大，要求复合材料的塑性也要好。所以，一般在铝基复合材料中的石墨含量都在lOv01％以下，如图1．5所示。如Gibson等的研究表明，当砧一Si合金中石墨含量达N8wt％时，复合材料的耐磨性就变差。从这个角度看，其它一些因素，比如基体成分和组织、复合材料制备方法、基体与石墨的界面反应等，也能通过影响复合材料的组织和力学性能，进一步影响其耐磨性L6UJ。—讨l75曩iR皿啊％譬■髓，l口，■蠡t●xM矗匿谴IttP-rd堋·暑脚心f=．I，■托c|Ill传nCUCkkN衄I'幡-豫04∞强》5．蝴·州和2弘曾疆昆M阻●她lO{-O叠O阳礴-4e’备舯-一OBspeed皿门图1．5各种基体一石墨复合材料的摩擦系数随石墨含量的变化m’Fi91．5Variationofcoefficientoffrictionwithgraphitecontentforcompositeswithdifferentbasealloys基体的硬度和塑性对石墨的铺展程度有影响。Kawamoto等研究了不同组织的铸铁的摩擦系数与基体硬度的关系【61】。研究结果表明：随着基体组织从铁素体向珠光体、屈氏体和马氏体变化，基体的硬度逐渐升高，钢铁的摩擦系数也逐渐升高。这首先说明基体的硬度对摩擦系数有重要影响。进一步，由显微分析表明，在较软基体磨损表面比较硬基体有更大面积的石墨膜，这说明基体的塑性变形能力对石墨在表面的铺展成膜有作用。即基体的硬度低，则塑性变形大，能使更多的石墨在表面铺展。但基体的硬度太低，复合材料的摩擦系数也不好。Barry等102J研究了在不同基体表面涂敷MoS2薄层的摩擦性能，结果表明，当基体硬度反而比涂层低时，体系的摩擦系数随基体硬度降低而激烈上升。综上所述，颗粒增强金属基复合材料中，在一定范围内，颗粒含量增加，增毫。9i譬譬k峪口卜葛霹口甚医Ⅲ—D口 大了硬质点比例，强化了基体，耐磨性提高。但含量如果过高，超过一定的限度，颗粒易聚集成团，破坏材料的组织，耐磨性反而降低。所以对于颗粒体积含量较高的复合材料，采用适当的工艺使颗粒在复合材料中均匀分布，并与基体紧密结合，才能获得高的耐磨性。图1．6铝一石墨复合材料磨损率与石墨含量的关系嘲’Fi91．6Variationofwearratewitllgraphitecontentandalloymatrix(3)石墨尺寸Suwa等研究了不同粒度石墨增强青铜基复合材料的耐磨性【63】，对同样的磨损距离，随着石墨粒度的增加，复合材料的磨损体积逐渐减小。这说明小颗粒石墨的润滑性能不如大颗粒，原因可能有两点。一是因为基体的塑性流动对石墨颗粒有覆盖作用，使这些颗粒不能露出表面发生铺展，从而发挥不了润滑作用。石墨颗粒越小，被基体覆盖的可能性越大。二是因为小粒度的石墨在磨损时容易包裹在基体屑中被排除，起不到润滑作用。Kawamoto等研究认为，片状石墨铸铁的耐磨性不如球状石墨铸铁，因为片状石墨对基体强度的损害比球状石墨大，导致片墨铸铁的力学性能不如球墨铸铁，从而影响耐磨性【641。1．3．4．2载荷的影响由于金属基复合材料磨损过程的复杂性，在单一条件下，如单一载荷、单一19茸叠嘧善田蓦翻《豳亭 滑动速度和较短的滑动距离时的研究都不能全面地反映复合材料磨损性能，而只有更系统的研究才更有意义。J．Zh觚g等观察到复合材料磨损的三个阶段【651，如图1．7所示。在20vol％砧，O，／6061体系中，在(1～10)N范围内为第一阶段，复合材料耐磨性是基体的十倍左右。此时，复合材料磨损机制为显微犁削，但复合材料中A1203颗粒承担主要载荷而与配偶件摩擦，从而极大地保护了基体，并在复合材料表层形成Fe203富积层，起到一定的固体润滑作用，所以复合材料耐磨性好。在(10．230N)范围内为第二阶段(其中5-20N为第一阶段向第二阶段转变的范围)，复合材料磨损上升，比第一阶段高两个数量级。与基体合金相比，又可分为两个亚阶段。—一、，●1日●I目日、一，朗白爰瞄叠10AD《N)图1．7基体和复合材料磨损率与载荷的关系旧1Fi91．7WearratevsappIiedloagdiagramsfor(·)606l灿-20pet越203md(o)606l砧wom∞SAE52100stc埒l在第一亚阶段(10N～60N)，复合材料磨损率与基体相当。此时，载荷增大造成复合材料中增强相颗粒破碎，不能起到较大的承载作用，基体开始产生大的塑性变形，此时复合材料及基体合金的主要磨损机制都为表层剥落机制。由于颗粒的破碎以及颗粒一基体界面结合处较薄弱，导致复合材料亚表层裂纹产生，抵消了颗粒的增强作用，所以复合材料的耐磨性相比基体并没有提高。在第二个亚阶段(60N～230N)，基体发生向严重磨损的转变，而复合材料却维持在第二阶段，复合材料磨损率比基体高两个数量级。大于230N时为第三阶段，复合材料发生严重磨损。J．Zhallg等认为，朋，O，颗粒的加入提高了基体的高温强度和热稳定性，从而提高了复合材料发生严重磨损的转变载荷，以及高载荷时的20 耐磨性。总之，由于增强相的加入，增加了第一阶段(超轻微磨损阶段)，大大延长了第二阶段(轻微磨损阶段)，所以提高了复合材料的耐磨性。类似的三磨损阶段在Moustafa等㈣的试验中也得到。1．3．4．3滑动速度的影响滑动速度表征单位时间内摩擦距离的长短。滑动速度对磨损表面的变形和破坏机制、对摩擦表面的发热和温度升高有直接的影响，所以对金属及合金磨损率的影响复杂。一方面不同的滑动速度有不同的磨损率一滑动距离曲线，另一方面不同的滑动速度，其跑合阶段和稳定磨损阶段的磨损率都不同。滑动速度也能引起复合材料磨损的突变。L．Cao等发现，在一定载荷时，基体及复合材料的磨损也有一个临界速度，称为转变速度。它对复合材料磨损率的影响与转变载荷相似(67】。复合材料比基体有更高的转变速度。随载荷和滑动速度的升高，复合材料转变速度会下降。Lee等发现，对不同的复合材料体系和不同的配偶件，磨损失重随速度的升高都出现“双峰’’现刻681。当速度小于lmso时，磨损机制为粘着和磨粒磨损。其中，当速度小于约0．25msd时，复合材料的摩擦系数较高，磨粒磨损严重，所以磨损率较大，在0．25mso时出现一个峰值。随着速度的进一步增加，摩擦系数减小，复合材料磨损率逐渐降低。当速度超过1．OmsJ后，复合材料表面开始出现熔化磨损，磨损率又逐渐加大，出现又一个峰值，而且磨损率随着增强相体积分数增加而降低。可见，滑动速度对复合材料磨损率的影响与一定磨损机制相关，而这些磨损机制的出现是一定的滑动速度与复合材料的特性(基体、增强相的引入)共同作用的结果。同时，分析滑动速度对复合材料磨损的影响，还需结合载荷等其它磨损条件，因为它们也会影响具体的磨损机制，与滑动速度的作用不是相互独立的。综上所述，影响金属基复合材料的摩擦磨损因素主要取决于以下几个方面：(1)金属的组织和成分；(2)石墨的尺寸、形状及其在复合材料中的体积分数；(3)石墨在金属基复合材料中的分布状态和界面的特征；(4)摩擦形成的润滑膜的性质，厚度和分布状态；(5)制备方法及环境因素等。1．4小结以上综述了铝一石墨复合材料的国内外研究现状，包括铝．石墨复合材料的制备方法和摩擦性能的研究现状，指出了铝一石墨复合材料目前的各种制备方法的优点与不足，叙述了铝一石墨复合材料摩擦磨损性能研究中的进展情况，以及目前研究21 的不足之处。综述了半固态金属成形技术的研究现状与应用，强调了半固态金属成形技术在材料制各中的优越性，特别是在金属基复合材料的制备与研究方面的突出优点。综合概述了影响金属基一石墨复合材料摩擦磨损性能的内部因素和外部因素，为研究铝一石墨复合材料的摩擦磨损性能提供了参考；通过对铝．石墨复合材料目前的研究现状以及半固态金属成形技术在复合材料制备方面的优越性的阐述，为进一步在研发中开发新的铝一石墨制备方法、制备高性能的铝一石墨复合材料提供了借鉴与依据；简单介绍了材料的摩擦理论与磨损机理，为铝一石墨复合材料的摩擦磨损性能的研究提供了理论基础。1．5选题的背景和意义1．5．1选题的背景轴瓦是汽车发动机的重要零件，它与旋转轴构成发动机四大摩擦副之一。轴瓦在使用过程中，不仅受到来自旋转轴产生的交变载荷冲击，还会受到润滑油引起的电化学腐蚀，以及外来硬质点的嵌入而引起轴瓦擦伤，同时还会由于轴与轴瓦的不同轴产生局部接触磨损而导致烧瓦，因此作为轴承合金必须具备以下性能要求：(1)足够的承载能力和疲劳强度；(2)良好的顺应性能和吸纳外来硬质点的嵌藏性；(3)较好的耐磨、减摩性能；(4)较强耐腐蚀能力、抗穴蚀能力；(5)良好的油膜吸附能力。目前常用的新型钢背轴瓦铝基固体润滑材料主要有铝锡合金和铝铅合金两种材料，这些润滑材料在低温下具有优良的润滑性能，然而，在高温下由于其中的润滑剂锡和铅熔化后造成流失，所以其润滑性能急剧恶化，使得轴瓦的应用范围受到了极大的限制。石墨具有优良的润滑性能，是最常用的一种固体润滑材料，其使用温度可在400℃以上，这种使用温度比铝锡合金和铝铅合金高得多。所以铝一石墨复合材料是一种用于高温下的非常理想的润滑材料。随着汽车产品档次的提高和火车的不断提速，对轴瓦的质量提出了更高的要求，因此开展对轴瓦新材料摩擦性能的研究十分迫切。铝一石墨复合材料是在纯铝或铝合金基体中均匀地弥散一定量的石墨。所得复合材料不仅具有石墨的自润滑特性，而且具有比基体合金高的耐磨性，尤其是在干摩擦条件下、抗磨粒磨损能力比基体好得多。然而在各种摩擦工况下，复合材 料的摩擦磨损过程较为复杂，影响因素众多，所以其摩擦磨损特性在许多时候表现得很复杂，缺乏可比性。人们对它的理解也不够全面和准确，即一方面简单认为其很耐磨，另一方面在使用时可能发现情况又不理想，所以阻碍了铝基复合材料的推广应用。1．5．2研究的意义铝是一种比较年轻的金属，其整个发展仅仅是20世纪初才开始的。但由于铝及其合金材料具有优良的物理性能，良好的加工成型性以及高的回收再生性等，因此，在工程领域内，铝一直被认为是“希望金属’’。成为发展国民经济与提高人民物质和文化生活的重要基础材料。在国防军工现代化、交通工具轻量化和国民经济高速持续发展中占有极为重要的地位，是许多国家和地区的重要支柱产业之一。特别是当今世界人类的生存和发展正面临着资源、能源、环保、安全等问题的严峻挑战，加速发展铝工业及铝合金材料加工技术更是追在眉睫【691。前述的几类铝一石墨复合材料的制备方法各自存在着不足，可具体归纳为两方面：(1)工艺复杂、设备庞大、能耗大；(2)N得的产品的孔隙率大，致密度不高。铝一石墨复合材料制备的发展方向是工艺简单、能耗小，制得的产品组织均匀性好、致密度高。因此开发研制铝一石墨复合材料新的加工方法必须以此为原则。综合上述的半固态金属成形工艺，可看出金属半固态成形中主要包括两个关键技术环节：一是半固态金属材料的制备；二是半固态成形。因此，半固态材料的制备方法、半固态合金组织的研究是金属半固态成形的基础研究。通过研究开发适于制备铝一石墨复合材料的专用设备，揭示合金组织演化规律，可为半固态成形提供理论指导，通过优化工艺参数可为实际生产提供数据依据。采用半固态铸造复合方法的基本思想是：对处于凝固过程中的金属熔体进行强烈搅拌，充分打碎凝固过程中形成的树枝晶，得到一种在液态金属中均匀地悬浮着一定球状或椭球状初生固相的非枝晶半固态浆料【70】。然后对浆料采用常规铸造法进行加工，从而得到半固态铸造的铝一石墨复合材料．采用该种方法加工的优点是：(1)工艺简单，能耗低；(2)所得产品的孔隙率小，致密度高。本课题采用半固态铸造法制备铝一石墨复合材料能很好地解决石墨颗粒在铝合金液中的上浮和聚集现象，得到了石墨颗粒均匀分布、性能良好的铝一石墨复合 材料。参考国内外大量文献，对于铝一石墨复合材料在摩擦磨损性能上仍存在一些问题。在铝一石墨复合材料中，复合材料的磨损性能在高石墨含量时可能变差，所以石墨含量不能太高，复合材料的适用工况范围也受到限制。例如，一般铝一石墨复合材料的摩擦系数随着石墨含量的升高而下降，直到当石墨为20v01％时降No．2，但其磨损率不能够随着石墨含量升高而一直下降，一般在超过约10v01％时开始升高。因而这样的石墨体积分数不能充分发挥石墨的减摩作用。铝一石墨复合材料摩擦学性能的研究，对该材料的使用和推广具有重要的指导意义。对铝一石墨复合材料的摩擦磨损性能进行研究，可确定铝一石墨复合材料的摩擦磨损机理，为铝一石墨复合材料的应用提供理论依据。总之，这样的研究既对铝一石墨复合材料的摩擦磨损机理很有理论价值，同时对这种复合材料在机械领域和汽车行业，尤其是要求在高温、中速运行下的零部件的应用方面提供了参考依据。1．6本文研究的主要内容本文主要讨论铝一石墨复合材料的半固态制备及摩擦性能研究。主要进行了以下几方面的工作：(1)利用自行研制开发的电磁一机械复合搅拌装置制备铝一石墨半固态浆料，并对不同固相率下浆料常规铸锭的微观组织进行了试验分析；确定了制备组织均匀的铝一石墨半固态浆料的技术条件。(2)采用销一盘摩擦磨损实验机对半固态制备铝一石墨复合材料进行了摩擦性能测试试验。研究了载荷和摩擦时间对铝一石墨复合材料摩擦系数的影响规律，建立了摩擦系数与试样承受压力以及摩擦时间的关系；通过摩擦表面的微观组织和成分分析，确定了复合材料的磨损机理。(3)分析在摩擦过程中石墨自润滑膜的形成机理，确定其对铝一石墨复合材料摩擦系数的影响规律。 2．1实验材料2铝一石墨复合材料的半固态制备本研究中所用实验材料是含硅wt(Si)--1．5％的铝合金和230目(约60朋)的vol(Gr)=9％的石墨颗粒(以后若未标注均为石墨的体积分数)，制成舢．9％Gr半固态浆料。由砧．si二元系相图2．1所示，该合金的凝固温度范围为577℃～660．37℃，其凝固区间为83．37℃。在这个凝固区间内，通过对搅拌温度进行控制，可以获得不同固相率时的半固态浆料，从而决定最终铝一石墨复合材料的组织结构和性能。飘(原予／sOl一，1一，【⋯rHl《甓一．．■n1．1———一．／lr_一I'7。、l毛!．一——／-}_，’‘，l／¨“●／．。Z[一j?。}⋯．⋯●—●●一一一t1限Ⅳ一‘。9，．髭一tr／"℃’二：魔。幅12：码■『_]『鼍si》一／-鼻f_～’～I．．f—一A量口⋯一aI∞囊I蝴曩l。-7}Oy舶基．瓢(重量／sO图2．1M-Si二元系相图Fig．2．1A1·Sibinaryphasediagram-岂谜瓣 2．2半固态浆料的制备装置本课题在充分考虑铝一石墨复合材料制备方法的特点，特别是石墨在铝基体中均匀分散困难、铝石墨界面结合差等特点的同时，充分结合复合材料加工制备的最前沿技术，开发出了铝一石墨复合材料的半固态铸造技术。该技术充分利用了半固态加工技术，在复合材料制备过程中很好地解决了石墨在铝基体中由于密度差而偏聚的难题。采用自行研制开发的电磁一机械复合搅拌装置制备铝．石墨半固态浆料，该装置如图2．2所示。N极保护罩冷却孔石墨坩埚加热孔固态浆料S极图2．2电磁一机械复合搅拌装置Fi92．2Schematicdiagramofelectromagneticandmechanicalstirringapparatus电磁一机械复合搅拌装置主要包括电磁搅拌系统、机械搅拌器、石墨坩埚等26 三部分。电磁搅拌是由三对相对放置的N极和S极对半固态浆料产生的周向电磁力来实现的，电磁搅拌器的功率为10千瓦，其主要作用是利用旋转磁场产生的搅拌作用来打碎凝固过程中形成的枝晶。图2．2中的机械搅拌器为自行设计装置，由电机控制，可上下移动，其主要作用是利用特制的弧形叶片和运动在整个坩埚范围内改变半固态浆料的规则周向流动，从而消除石墨上浮和离心运动造成的偏析，促进其均匀分布。石墨坩埚上的冷却孔和加热孔是用于放置冷却管和加热管的，这些器件作用是为了精确控制半固态浆料的温度，以便得到固相率稳定的半固态浆料。在整个搅拌过程中实施氩气保护，以免半固态浆料发生氧化，影响半固态浆料的质量。铝的密度2．7x103kg／m3大于石墨的密度2．2x103kg／m3，而熔点660℃远小于石墨的熔点3700。C[711，并且在铝一石墨复合材料中，石墨与铝两组分间互不相溶、不发生化学反应【721。这样在长期的电磁搅拌过程中，半固态浆料中的铝合金会在离心力的作用下向搅拌室的边缘偏聚，而石墨向中间聚集，并在浮力作用下向上部聚集，造成复合前的成分偏析。所以，如何将石墨颗粒加入到铝液中并使其均匀分布是制造这种材料的技术关键。我们必须在电磁搅拌时采取必要的措施来改变半固态浆料在搅拌室内的流动，使石墨颗粒能够随着半固态浆料的流动不断地均布在半固态浆料内部，而这种半固态浆料在搅拌室内的流动对半固态浆料中的初生铝固相颗粒的均匀分布也起到积极作用，所以这种改造后的电磁搅拌技术要明显优于传统的电磁搅拌技术，该技术一方面能够避免铝一石墨复合材料在搅拌时的宏观成分偏析，另一方面能够确保半固态浆料中的初生铝固相均匀分布，我们称之为电磁一机械复合搅拌技术，2．2．1电磁搅拌的原理和作用对于电磁处理系统，均匀分布在石墨坩埚外面的三对电磁极线圈分别与三相交流电的一相相连，每对线圈中的电流回绕方向一致，共同产生一个单相磁场，其方向沿着线圈的轴线。这样，当把三相交流电通入三对线圈时，便会在坩埚中心点产生幅值Bn相同、相位彼此差2靠／3、数值交交的磁场Bl，B2和B3，将其合成便得到一个幅值为3B。／2、大小不变、转速为交流电角频率(50f／s)的旋转磁场B。当半固态浆料位于电磁搅拌器的旋转磁场中时，可以将呈电磁流体的半固态浆料假想为无数个薄壁同心圆柱管，每个薄壁圆柱管又可分为数个导体条，这些导体条平行于搅拌器的轴线，如图2．3。这些无数的导体条垂直于合成旋转磁场的磁感应强度B，当合成旋转磁场扫过该半固态浆料时，在该半固态浆料中便会 产生相应的感应电动势，又由于半固态浆料本身就构成了回路，半固态浆料中便产生了感应涡电流，该感应涡电流又受到旋转磁场的作用力，即洛伦兹力的驱动，半固态浆料就跟着旋转磁场一起旋转，产生了电磁搅拌的运动效果，如图2．4所示。图2．4中N、S表示两极旋转磁场，中间为半固态浆料，只表示出了两根导体条f731。可以证明：如果改变旋转磁场的旋转方向，半固态浆料的旋转方向也跟着改变，即半固态浆料的旋转方向永远与旋转磁场的旋转方向相同。一甲一日一[?2图2．3半固态浆料分割示意图l一分割薄层2一分割导体条Fi92．3Schematicdiagramofsemi-solidmushypattingoff1-·partingofffolium2·-partingoffconductorbar图2．4电磁感应的洛伦兹力Fi92．4Lorentzforceofelectromagneticinduction在制备半固态铝合金浆料时，金属熔体的搅拌要求达到一定的强度，否则，28 金属半固态浆料中初生固相的圆整度较差，这会加大后续流变成形或触变成形的困难。旋转磁场中金属半固态浆料的搅拌强度与金属熔体所受的电磁力或洛伦兹力F成正比，金属半固态浆料所受的电磁力F越大，金属半固态浆料的搅拌强度就越大。金属半固态浆料所受的电磁力F与金属半固态浆料的感应电流密度I和旋转磁场的磁感应强度B有如下的关裂74l：F三I×B(2．1)式中：F-电属熔体所受的电磁力；卜金属熔体的感应电流密度；B_旋转磁场的磁感应强度。金属熔体的感应电流密度可用下式表示：I-名(y×B)(2．2)式中：I_金属熔体的感应电流密度；l，——旋转磁场相对于金属熔体的运动速度；B_旋转磁场的磁感应强度；Z——金属熔体的电导率。由式(2．1)和(2．2)可知，影响金属半固态浆料搅拌强度的因素主要有旋转磁场的磁感应强度、旋转磁场与金属熔体的相对速度及金属熔体的电导率。但是，当电磁搅拌处于相对稳定状态时，旋转磁场与金属半固态浆料的相对速度不再发生变化，此时影响金属半固态浆料搅拌强度的主要因素只有旋转磁场的磁感应强度和金属熔体的电导率。在相同磁感应强度的旋转磁场下，金属半固态浆料的电导率越大，金属半固态浆料的感应电流密度越大，金属半固态浆料所受的电磁力就越大，金属半固态浆料的搅拌强度就越大。在金属半固态浆料的电导率不变情况下，旋转磁场的磁感应强度越大，金属半固态浆料的感应电流密度越大，金属半固态浆料所受的电磁力就越大，金属半固态浆料的搅拌强度也就越大。因此，提高旋转磁场的磁感应强度主要与绕组线圈的输入功率及电源的频率有关。绕组线圈的输入功率或输入电压越大，旋转磁场的磁感应强度就越高，金属半固态浆料的搅拌强度就越大；电源的频率越高，旋转磁场的透入深度越浅，金属半固态浆料的搅拌效果越差。因此，提高绕组线圈的输入电压和选择适当的频率也是提高电磁搅拌强度的有效手段。金属半固态浆料在电磁搅拌力F的作用下将迫使坩埚内的熔体产生周向运动，于是就对金属半固态浆料起到了搅拌的作用，使运动的液体和初生固体相互碰撞，金属半固态浆料的枝晶受到破坏，形成了分布在液态中更多的等轴颗粒，为接下来的凝固提供了更多的晶核。在强烈对流作用下，熔体中存在的有效形核 质点(这些质点在适宜的条件下能以非均匀形核的方式形成大量晶核)和金属熔体中的等轴颗粒在金属熔体中更加分散，同时强烈的混合对流则极大地促进了熔体中温度场的均匀化，有利于非枝晶组织的形成。总之，在电磁搅拌力作用下金属熔体的流动形态由一集中的大漩涡和较多的小漩涡构成。这种流动形态宏观上有助于温度场和浓度场的均匀化，微观上增加了局部紊流密度，从而为半固态组织的形成及转变提供了环境，促使枝晶组织向球状组织转变。2．2．2机械搅拌器的原理和作用由上述分析可知，熔体的流动速度在接近坩埚容器的边缘处最大，这样在长时间的电磁搅拌过程中，半固态浆料中的铝合金会在离心力的作用下向搅拌室的边缘偏聚，造成复合前的成分偏析。另一方面，由于石墨密度比铝合金的密度小，因此石墨颗粒会不断的上浮聚集，形成宏观偏析。所以，我们必须在电磁搅拌时采取必要的措施来改变半固态浆料和石墨颗粒在搅拌室内的流动，使铝合金和石墨颗粒能够随着半固态浆料的流动不断地均布在浆料内部，而这种半固态浆料在搅拌室内的流动对半固态浆料中的初生铝固相颗粒和石墨颗粒的均匀分布也起到积极作用。图2，2中特制的机械搅拌器由方形导向杆和四个弧形叶片构成，材质为耐热陶瓷，四个弧形叶片，位于导向杆下部，与导向杆的四个表面垂直，互成90。，凹弧面朝下，为圆弧形，弧度为40~900；迎着熔体周向运动方向布置，凹弧面上部切线与水平线平行，叶片外端部与坩埚内壁之间的距离为5n1In；机械分散器上下移动控制装置由电机、传动机构和上、下二个行程开关构成。传动机构位于机械分散器导向杆上部与电机之间，由齿条与齿轮、涡轮与蜗杆传动构成，电机的转向由上、下二个行程开关控制，也就是，当机械搅拌器叶片向上移动到石墨颗粒上方时，导向杆触动上行程开关，电机改变转向，使机械搅拌器向下移动；当机械搅拌器向下移动到石墨坩埚底部时，导向杆触动下行程开关，电机改变转向，使机械搅拌器向上移动；机械搅拌器上下移动速度控制在1-10mm／s，导向杆依靠导向套定位，加气管与热电偶通过上盖上的孔和机械搅拌器叶片之间的孔隙插入石墨坩埚，堵塞位于坩埚底部，电机、传动机构、行程开关、导向套采用机械连接方式固定于支架上。利用机械搅拌器可以不断地将顶部和底部、芯部和外围的熔体进行转移，因此有效地阻止了熔体中石墨的偏聚和上浮，并且实现了初生铝固相在液相中的快速弥散，通常仅需进行15rain电磁一机械复合场处理，便可得到初生铝固相和石 墨均匀分布的铝．石墨半固态浆料。同时，由于在交流感应旋转磁场搅拌时，边界速度较高，中心速度几乎为零，所以在电磁搅拌制备半固态金属浆料时，金属熔体中心区域肯定会形成很深的液穴；搅拌功率越大，这个液穴就越深。这样深的液穴容易卷入气体和夹杂物。通常为了避免电磁搅拌液穴的危害，搅拌室或连铸结晶器的上方必须维持较高的金属压头；也可以将～定尺寸的非磁性和非导体芯棒插入搅拌室或连铸结晶器的中央位置，以降低金属熔体液穴的深度。机械搅拌浆的上下移动在一定程度上具有这种效果，起到了减少气体的卷入作用。2．3半固态浆料的制备过程利用改进的电磁一机械复合搅拌装置制备铝．石墨的半固态浆料，其工艺流程如图2．5所示。图2．5铝．石墨复合材料半固态铸造工艺流程图Fig．2．5flowdiagramforSemi·solidcastingprocessofAl—graphitecomposite本节对电磁一机械复合搅拌技术制备鲇．9％Gf半固态浆料工艺技术问题进行了研究，得出了制备工艺、浆料和铸锭组织等方面的规律。3l 实验过程具体如下：(1)按质量百分数制备含硅量为1．5％的铝合金液，精炼除气后，温度控制在700℃：(2)将上述铝合金液与230目vol(Gr)=9％的石墨颗粒倒入预热温度为550℃的石墨坩埚，盖上上盖，接通Ar气以防氧化；冷却管内通入冷却液将A1．9％Gr半固态浆料降至所需温度；(3)启动电磁搅拌装置，进行搅拌，打碎铝合金液凝固过程中形成的初生枝晶；同时，接通并调节石墨坩埚壁内的冷却管与加热管，将熔体温度控制在所需温度，以确保半固态浆料的固相率；(4)在稳定的浆料搅拌温度下，电磁搅拌5分钟时间后，启动机械搅拌器及其上下移动控制装置，借助连续上下移动的机械搅拌器的弧形叶片，不断地将坩埚内漂浮在铝合金半固态浆料上部的石墨颗粒分散到铝合金半固态浆料中，利用铝合金半固态浆料的高粘度和半固态浆料中的初生固相颗粒来阻止石墨颗粒的上浮运动。搅拌15min后，打开堵塞，放出部分半固态浆料，进行快速冷淬，制备不同温度下的A1．9％Gr半固态浆料试样；(5)利用A1．9％Gr半固态浆料采用常规铸造方法制取直径100mmX200mm的圆柱铸锭，冷速为200"C／rain；(6)进行微观分析，确定不同电磁．机械复合搅拌条件下半固态浆料的固相率、微观组织等，为确定合理的A1．9％Gr半固态浆料电磁一机械复合搅拌制备条件提供依据。2．4半固态浆料固相率与搅拌温度之间的关系当温度低于熔点时，金属便会发生凝固，生成枝晶。在搅拌的作用下，凝固生成的枝晶被打碎，并且随着搅拌的进行，逐渐转变成球形或椭球状的固相颗粒，当搅拌时间足够长时，初生固相颗粒会均匀地分布在未凝固的液相中，形成金属半固态浆料。在实验中，由于采用了自制的机械搅拌器，在搅拌过程中石墨颗粒不断地从铝液上部被带入到铝液内部，并且迅速分散在整个石墨坩锅内部，所以得到初生铝固相颗粒和石墨颗粒均匀分布的半固态浆料的时间大大缩短。表2．1所示的为采用电磁一机械复合搅拌技术制备AI．9％Gr半固态浆料时的搅拌温度与半固态浆料固相率。对其进行理论回归分析，得到回归方程式(2．3)。Z=575．1·0．871T(2．3)式中，Z——A卜9％Gr半固态浆料固相率；丁——搅拌温度。32 表2-1A1—9Nir合金半固态浆料固相率与搅拌温度Tab．2一lAI·9％Grrelationshipbetweensolidfractionandstiringtemperature2．5石墨的分布规律及半固态组织研究对于铝一石墨复合材料中，石墨的分布至关重要。若石墨分布均匀则轴瓦的整个接触面可以得到有效润滑；若石墨分布不均匀则在石墨少的地方会造成铝基体迅速磨损，导致轴瓦报废。对于铝和石墨这两种材料来说，由于其物理性能尤其是熔点和密度差别较大，所以在铝一石墨半固态浆料的铸造凝固过程中总会存在石墨的宏观偏析问题。本论文采用的是自行研制的电磁一机械复合搅拌装置制备的试样，由于机械搅拌棒所携带的螺旋桨在强烈的搅拌作用下不断地把上浮的石墨推到合金液的底部，因此所得到的半固态浆料温度均匀，质量高，这样可以有效防止石墨的偏析。同时也采用强烈的电磁搅拌的方法，浇注时间保证在5秒内完成，浇注试样采用金属模可以防止石墨的偏析。2．5．1固相率对石墨在铸锭中分布的影响规律由于石墨颗粒的密度小于铝的密度，所以在半固态浆料凝固过程中，在浮力作用下，石墨颗粒将不断上浮并且相遇后产生聚集，越靠近铸锭顶部，聚集越严重，这样造成石墨颗粒沿铸锭纵向上分布的差异，因此可以把铸锭不同高度上石墨颗粒聚集区尺寸的差异作为石墨颗粒在铸锭中分布均匀与否的判断标准，当整个纵向上石墨颗粒聚集区尺寸变化不大时，就可以认为石墨颗粒在铸锭中的分布是均匀的。在实验中，为了确定半固态浆料固相率对石墨颗粒在铸锭内分布的影响，试33 样分别在铸锭靠近顶部、中部和底部三个部位制取，表2．2所示的是按关系式制得的半固态浆料的固相率和铸锭中石墨颗粒聚集区尺寸(平均值)的实验数据，用此试验数据得到的三维图，如图2．6所示，可以定性地看到当半固态浆料固相率为0时，铸锭底部石墨颗粒聚集区的尺寸为0即没有石墨颗粒，而靠近铸锭顶部的石墨颗粒聚集区的尺寸非常大；随着固相率的增大，三个部位的石墨颗粒聚集区尺寸之间的差异不断减小；当固相率大于30％时，石墨颗粒聚集区尺寸基本接近，也就是说，当A1．9％Gr半固态浆料的固相率大于30％时，石墨颗粒可均匀地分布在铸锭内。表2-2固相率与石墨颗粒聚集区尺寸Tab．2·lRelationshipbetweensolidfractionandsizeofaggregategraphite图2．6石墨颗粒聚集尺寸与半固态浆料固相率的关系Fig．2．6Graphofarelationbe|嗡，e即sizeofaggregatedgraphiteandthesolidphaserateofsemi—solidslurry j{；Jj磐蠖故硇2．7固相率与总体标准差的变化曲线Fig．2．7Graphofarelationshipbctw∞llsolidfractionandstandarddeviationoftotal通过对试验数据的统计学分析如表2．2(平均数和总体标准差)，可以定量地得到石墨在铸造过程中的偏析情况，图2．7为固相率与总体标准差之间的关系曲线，随着固相率的增大，总体标准差在不断减小，即三个部位的石墨颗粒聚集区尺寸之间的差异不断减小，而且当固相率大于30％以上，总体标准差为0，即铸定顶部、中部和底部的石墨分布已经均匀，消除了石墨的宏观偏析。可见，石墨的分布受半固态浆料固相率的控制，恰当控制半固态浆料的固相率可以得到石墨分布均匀的复合材料。2．5．2A1．9％Gr复合材料的微观组织研究石墨的熔点为3700℃，所以在700℃的铝液中，石墨以固体颗粒的形式存在，由于铝的密度大于石墨的密度，并且这两种材料不相互润湿，所以搅拌后在浮力作用下，石墨颗粒不断上浮并且相遇后产生聚集，直到最后被固态铝包围为止。当半固态浆料固相率为O％，即铝合金完全为液态时，铸锭底部石墨颗粒聚集区的尺寸为0，即没有石墨颗粒，而在靠近铸锭顶部存在一个石墨颗粒聚集层如图2．8所示，黑色部分为石墨颗粒聚集区，白色部分为铝，灰色部分为后生组织。可见石墨颗粒聚集得非常严重。当固相率大于0时，由于半固态浆料中的初生铝固相颗粒在一定程度上阻碍了石墨颗粒的上浮运动，因此随着固相率的不断增大，铸锭中不同部分处石墨颗35 粒聚集区尺寸的差异逐渐减小，当固相率达到30％时，半固态浆料中石墨颗粒被初生铝固相颗粒均匀地分割包围起来，从而消除了石墨颗粒的上浮和聚集，所以石墨颗粒均匀地分布在铸锭的各个部位，石墨颗粒聚集区尺寸的差异得以消除。图2．9所示的是固相率为30％的A1．9％Gr铸锭顶部试样的显微照片，黑色部分为石墨颗粒，白色部分为初生铝固相颗粒，可见石墨颗粒和初生铝固相颗粒分布相当均匀，石墨颗粒的聚集得以消除。另外，铸锭顶部、中部和底部试样的照片几乎相同，这充分说明A1．9％Gr在铸造过程中存在的石墨颗粒分布不均匀问题可以通过采用半固态铸造方法来解决。膏一ll图2．80％固相率时A1．9％Gr铸锭的顶部组织Fig．2．8TopsecdonmicrostmcturcofAI-9％Gringotswitha0％solidphaserate——⋯”7⋯●图2．930％固相率时A1．9％Gr铸锭的顶部组织Fig．2．9TopsectionmicrostructumofAl-9％Gringotswitha30％solidphase36 综上所述，通过电磁一机械复合搅拌技术可以制备石墨分布均匀的铝一石墨复合材料，可以为半固态铸造铝一石墨复合材料的摩擦性能研究提供理想的实验材料。2．6小结(1)采用电磁一机械复合搅拌技术可以制备出初生铝固相颗粒和石墨颗粒均匀分布的A1-9％Gr半固态浆料，固相率．f与搅拌温度r之间的关系为：Z=575．1—0．871T(2)采用A1．9％Gr半固态浆料进行常规铸造时，随着固相率的增大，石墨颗粒的聚集程度逐渐减小，当固相率大于30％时，石墨颗粒的聚集得以消除，因此有效解决AI．9％Gr复合材料铸造过程中石墨颗粒分布不均的半固态加工技术为采用固相率大于30％的A1．9％Gr半固态浆料进行常规铸造。37 3铝．石墨复合材料的摩擦性能研究3．1摩擦性能的表征摩擦学特性包括了材料的摩擦与磨损性能、摩擦条件与性能之间的关系规律等，摩擦实验的目的是为了对摩擦的现象及本质进行研究，正确的评价各种因素对摩擦性能的影响，从而确定符合使用条件的最优设计参数。采用合适的分析方法与表征参数对真实描述摩擦学特性具有重要的意义。摩擦性能一般采用摩擦系数表示，其意义为“两物体接触表面抵抗切向相对运动的能力’’。传统摩擦系数的定义为摩擦力F(切向力)与法向力N(载荷)的比值，即：∥=F／N(3．1)通过测量摩擦力与所施加的载荷，即可获得摩擦系数。摩擦力一般通过机械与电测量两种方法来实现。机械测量法是通过测量摩擦力或摩擦力矩的平衡外力大小来测量摩擦力。电测量法是利用应变传感器检测该变形信息，并通过标定后即可获得摩擦力。在摩擦的刚开始阶段，新的摩擦表面具有一定的粗糙度，真实接触面积较小。在此状态下的切向阻力称为不完全摩擦力。也叫做预位移区，之后做稳定滑动，以滑动摩擦力来表征。3．2半固态铸造铝一石墨复合材料的摩擦试验方法滑动摩擦副是常见的摩擦形式之一，对于半固态铸造铝．石墨复合材料滑动轴承具有承载能力大、自润滑性能好等特点，所以在中速机械中得以广泛应用。滑动轴承的寿命和失效直接关系到这些设备的正常运行，突发性故障会导致灾难性事故，而频繁停机来更换轴承也同样会带来巨大的经济损失。另外，摩擦不仅会使材料磨耗，而且还会发热，导致接触表面瞬时温度升高，降低工件的机械效率，加重材料磨耗，故生产中总是力图减少摩擦，降低摩擦系数。因此研究滑动摩擦副的摩擦磨损过程，认识失效机理和规律，对于延长设备使用寿命和提高运行可靠性具有十分明显的经济效益和社会效益。目前把滑动摩擦副的磨损归结为擦伤、过度磨损、裂纹、疲劳等形式，虽然在理想润滑状态下，油膜可以避免摩擦副的接触摩擦，但疲劳损伤依然存在。 摩擦实验的目的正是针对摩擦的现象及本质进行研究，正确地评价各种因素对摩擦性能的影响，从而确定符合使用条件的最优设计参数。3．2．1试验方法材料的摩擦磨损特性评价、磨损过程及机理的研究等往往都需要进行摩擦磨损试验。实际上测定材料磨损性能的途径通常有两种。一种是现场使用试验，即在实际运转条件下的试验，它可真实反映材料的磨损情况。另一种是实验室试验。实验室试验是常用的快速的试验方法，能较快地比较出不同材料的耐磨性能。实验室试验包括试样试验和台架试验。本论文采用的是试样试验，主要因为此试验方法周期短，试验费用低，试验的参数可以选择和控制，试验数据重现性、可比性和规律性强等。根据需要可选择不同的试验参数，重复地对大量试样或零件进行摩擦磨损试验，获得数据易于分析比较和发现影响磨损规律性的因素。3．2．2试验设备利用销．盘摩擦磨损试验机能进行平面接触磨损规律的研究，可评价各种摩擦副及润滑材料磨损性能，本论文采用销．盘摩擦磨损试验机测量滑动摩擦系数的试验装置示意图如图3．1所示。其中，试样销固定在上试样夹具器上，并在上试样销作用一垂直压力Ⅳ；下试样为45号钢制成的盘，做角速度为y的转动。每次试验采用一个销试样与盘试样组成摩擦副。测量摩擦系数时，上试样轴不动，试样固定于上试样轴。采用杠杆机构加载，摩擦力矩由标尺读出。改变砝码的重量可以调整摩擦力矩的范围。摩擦系数值可以通过试验机上自动记录的摩擦力矩和垂直载荷换算出来。面接触试验摩擦系数的计算公式为：∥=曼：土(3．2)∥=一=——kj．ZJ‘NRxN式中：∥——摩擦系数r——摩擦力矩(N·am)，——摩擦力(N)Ⅳ——试样所承受的垂直载荷(N)尺——下试样的半径(cm)39 Z图3．1M200摩擦磨损试验机结构图1、电机2、皮带3、皮带轮4、变速机构5、销试样6、摩擦盘7、加力弹簧Fi93．1skeletondrawingofM200frictionweartestingmachine3．3实验结果与分析3．3．1压力对AI．9％Gr复合材料摩擦系数的影响根据铝．石墨复合材料实际应用及工况条件的需要，本试验的试验条件确定如下：销盘实验，滑行速度为0．2m／s，滑行距离为2160m，销为直径7．6mm的A1．9％Gr复合材料，对磨件为45钢(HRC62)、表面抛光RMS0．3∥m，温度为室温，大气环境。实验测得压力值在50N---400N范围内，铝．石墨复合材料摩擦系数随压力值的变化关系，试验数据如表3．1所示。由表中数据可以看出，摩擦系数随压力的增大呈增大趋势，载荷为50N时摩擦系数是0．2638，而当载荷增大到400N时，摩擦系数增大到0．4413，足见压力对复合材料摩擦系数的影响。进一步对所得数据进行线性回归可得到回归方程为：∥=0．256+(1．157x10．4)Ⅳ+(8．749x10-7)Ⅳ2(3．3)其中，∥为摩擦系数，N为压力。回归方程的回归系数R=0．9994。由此可知， 摩擦系数与压力之间有相当好的二次关系。表3-1压力与摩擦系数Tab．3—1Relationshipbetweenfrictioncoefficientandpressure压力／NAI-9％Gr摩擦系数O∞1∞2∞2503∞3∞柏O4∞压力／N图3．2摩擦系数与压力的变化关系Fig．3．2Graphofarelationbetweenfrictioncoefficientandpressure由图3．2可以看出，A1．9％Gr复合材料的摩擦系数随压力的增大而增大，并且在高载荷时，摩擦系数增大的频率变快；而且由二次回归方程可知，摩擦系数与压力之间有较好的二次关系。因此，降低复合材料所受到的压力，是有效降低其摩擦系数、提高材料摩擦性能的途径。图3．3和图3．4是载荷为100N时，摩擦过程稳定后，得到的摩擦面的扫描电镜图和碳面分布图。由图3．3可以看出，在载荷为100N时，A1．9％Gr复合材料表面有被轻微犁削的痕迹，形成了长条形的沟槽，这说明A1．9％Gr复合材料表面的4182929345368136L2167174234O0O0O0O如∞粥舳如啪抛姗耥∞¨铊∞弘∞M般∞孙俎“O纂帐蜷避 磨损机制以轻微的磨粒磨损为主。分析产生的原因可能是摩擦副相对滑动时，对磨件钢的表面较硬有粗糙微凸体存在便会对软基体铝表面产生切削或犁削作用，但由于石墨在铝基表面形成了自润滑膜，很好地保护了铝基表面，使得摩擦系数大大降低，麾熔表而的特况阴昆两善．；彩裁m艄。i瓣螽帮糍萋释一麟％鹈雾祥谚黪辫*辫蕊谚彩”⋯?黟髯”荔蠢j“1：1；|。二雾瑟g㈣j赫一一≈域戮荔霸黼翩溺黼瀚绣麓滋缀瓤戮滋鬃灞鬻灞翳灞黧雾缀爹缪翳黝图3．3载荷为100N时的摩擦表面Fig．3．3FrictionsurfacewithlOONpressure图3．4载荷为lOON时碳面分布Fig．3．4Distributionofcarbonface1)l，im100Npressure由图3．4可以看出，在载荷为100N的情况下，在对磨的两表面形成了富含石墨的表面膜，石墨颗粒能较均匀地铺展在铝基体上，该石墨薄膜的存在，能够使铝基体与对磨件45钢直接接触摩擦变为石墨与45钢之间的摩擦，而铝基体得到42 了很好的保护。所以摩擦系数较低，100N时为0．2763。由图3．4还可以看出，只有少数沟槽处的石墨含量较少，可能是由于配偶件的刮擦而被优先磨掉了。石墨是一个理想的固体润滑剂，它与45钢之间的摩擦系数较低。因此，石墨薄膜层的存在有效地降低了铝．石墨复合材料与对磨件之间的摩擦系数，提高了复合材料的摩擦性能。图3．5为载荷300N时扫描电镜图，可以看出，摩擦表面被严重磨削，出现了较宽大的磨槽，复合材料表面塑性变形明显。分析原因，基体铝合金直接与对摩件45钢接触，铝与45钢之间的摩擦系数要比石墨与45钢之间的摩擦系数大的多，随着摩擦试验的进行，磨粒平行表面向前运动，磨粒将石墨犁向沟槽的两侧，石墨薄膜受到严重的破坏，摩擦面上的石墨分布也不再均匀，在犁沟处，磨粒犁沟表面并不一定能够一次性产生磨屑，第一个磨粒推挤金属或犁沟金属后，已经使沟槽底部或沟槽两侧的金属发生一定程度的变形，后继磨粒可能切削金属，也可能犁沟变形金属，这时磨粒所切削或犁沟的金属材料已经不是它原始性能了，而是经过一定程度冷作硬化的材料。如果磨粒不够锋利，则已经受到一定程度塑性变形的金属表面将再次塑性变形，金属经过多次变形，产生疲劳裂纹而断裂形成磨屑。一图3．5载荷为300N时的摩擦表面Fig．3．5Frictionsurfacewith300Npressure图3．6为相应的碳面分布图，可看出摩擦表面的石墨膜被严重破坏。分析压力增大导致摩擦面上石墨薄膜破坏的原因是，石墨是一种强度很低的材料，当在300N这样大载荷的作用下，石墨薄膜很容易被压碎。同时，对磨件的摩擦面有一定的表面粗糙度，对磨件表面的凸起部位，在较大压力的作用下，被压入到石墨层中，在接下来的滑动过程中，割裂石墨薄膜，最终导致石墨薄膜的破坏，使铝基体裸43蔫 露出来；铝基体的强度相对较低，在高载荷作用下发生塑性流动反过来又对石墨有覆盖作用，使表面参与铺展和润滑的石墨颗粒数量更加减少；另外，载荷升高造成的摩擦表面温度升高，也会降低石墨的润滑作用。所以在300N时，摩擦系数迅速增大。图3．6载荷为300N时的碳面分布Fig．3．6Distributionofcarbonfacewith300Npressure综上所述，铝一石墨复合材料的摩擦系数随压力的增大而增加。原因是较大的压力会导致石墨润滑膜的破坏，高载荷下，铝基体易发生塑性变形覆盖了石墨膜导致铝基体与对磨件直接接触，摩擦系数增大，并产生严重的磨损。3．3．2滑动时间对AI．9％Gr复合材料摩擦系数的影响在本试验中，测量摩擦系数时，把压力定为定值100N。试验测得了压力为100N时，AI．9％G-r复合材料的摩擦系数与摩擦时间之间的关系，所得数据如表3．2所示。由表中数据可以发现，复合材料的摩擦系数随摩擦时间的增加有不断降低的趋势。摩擦的开始阶段，摩擦系数较大，达到0．3911，这主要是因为静摩擦系数一般都大于动摩擦系数，随着滑动摩擦时间的延长，摩擦系数开始降低并呈现不断下降的趋势，当摩擦时间到120分钟时，摩擦系数降低为0．2763，但在随后的摩擦过程中，摩擦系数仅有微小的上下波动，基本保持不变。这说明当摩擦时间达到120分钟时，摩擦副之间的摩擦过程已经达到稳定状态，摩擦系数也趋于稳定值。 表3-2摩擦系数与摩擦时间Tab．3-2Relationshipbetwcenfrictioncoefficientandfrictiontime摩擦时间／min摩擦系数图3．7是由表3．2得出的复合材料摩擦系数与摩擦时间之间的关系曲线。由曲线图可以清楚地看出，在0--40rain阶段，摩擦系数随时间的延长，急剧下降。在40--120min阶段，随着时间的增加，摩擦系数的下降趋于缓慢，只有小量的降低。而在120min之后，曲线基本为水平线，说明摩擦系数随时间增加不再变化，稳定在0．2763左右。籁谣转避图3．7摩擦系数与摩擦时间的关系Fig．3．7Curvediagramofrelationshipbetweenfrictioncoefficientandfrictiontime图3．8为在100N压力作用下，摩擦时间为2分钟时，摩擦表面的扫描电镜图，摩擦表面上有两条较宽的沟槽，这是45钢表面微凸体对复合材料表面的严重犁削。摩擦表面大部分是铝基体直接与对磨件的直接接触摩擦。4519l7298343l4957869598732Oom加∞∞粥m啪啪啪 绷嬲瘌孵黧髀一赢#i；菇j强瓣黪獬溺搋绷嘲攀潞蠛骥溺鳜锄麴嗍赢，一。耋～。铲黪．．纛缪瀛8“一”⋯蝴图3．8摩擦时间为2分钟时的摩擦表面Fig．3．8FrictionsuFfaccduring2minutes图3．9摩擦时间为2分钟时的碳面分布Fig．3．6Distributingofcarbonfaceduring2minutes图3．9是与图3．8所示摩擦表面的相应碳面分布图。由图可知，2分钟时，摩擦面上的石墨薄膜的分布不完整，表面层上石墨含量较少，被犁削过的部位石墨的含量很少，在局部区域铝基体暴露在摩擦面上。原因是在2分钟这样较短的时间里，复合材料中的石墨未能充分的转移到摩擦面上，而且，已经转移到摩擦面上的石墨由于摩擦时间短，也未能转移到整个摩擦面上，而只是在局部摩擦面上聚集。因此，石墨的润滑作用得不到发挥，摩擦系数很大。但随着摩擦时间的延长，从复合材料中转移到摩擦表面的石墨越来越多，石 墨的分布也越来越均匀，石墨薄膜越来越完整，厚度也逐渐增加，当摩擦时间延长到120分钟时，这种石墨转移的过程趋于稳定，摩擦表面石墨含量不再增加，石墨薄膜在整个面上分布均匀且厚度不再增加，这时摩擦过程就达到了稳定状态，摩擦系数降到最低，且不再变化。如图3．12所示，石墨已经覆盖了整个摩擦表面，形成了一个完整稳定的石墨薄膜。图3．10摩擦时间为15分钟时的摩擦表面Fig．3．10Frictionsurfac,odu,-ing15minutes图3．11摩擦时间为15分钟时的碳面分布Fig．3．11Distributingofcarbonfaceduring15minutes由图3．13可以看出，经过120分钟的摩擦过程，与图3．10和图3．11所示的15分钟时的摩擦过程相比，石墨分布的均匀性和密集度得到了极大的改善，石墨47 在整个摩擦面上分布非常密集且均匀，铝基体裸露在摩擦表面的区域非常小。这种完整的石墨薄膜的形成，把铝基体和对磨件钢隔开，使铝一石墨复合材料与45钢之间的摩擦变成石墨与45钢之间的摩擦，大大的降低了摩擦副之间的摩擦系数，提高了复合材料的摩擦性能。翻溯瀚鬃编翩灞缀鬻戮鬻缀缨嘲缫嘲群：图3．12滑动120分钟时的摩擦表面Fig．3．12Frictionsurfaceduring120minutes图3．13滑动120分钾时的摩摞表面及碳面分布Fig．3．13Distributingofcarbonfaceduring120minutes综上所述，随着摩擦时间的增加，复合材料的摩擦系数逐渐减小。通过摩擦面的观察分析得知，摩擦时间的延长，能够促使摩擦面上石墨润滑膜的形成，当摩擦时间增加到120分钟时，能够形成一个完整稳定的石墨润滑膜，此时，摩擦48 系数是一个较低且稳定的值。石墨润滑膜的存在，使得复合材料与对磨件之间的摩擦变为石墨与对磨件之间的摩擦，摩擦系数得到显著的降低。3．4润滑膜的形成和特性在AI．9％Gr复合材料摩擦试验的过程中，铝基石墨复合材料中石墨析出到表面上形成润滑膜的过程参看图3．9、图3．11、图3．13中其摩擦表面的碳面分布图，随着摩擦时间的延长，石墨在铝基表面的分布越来越均匀，这是因为铝一石墨复合材料被置于滑动摩擦条件下时，由于石墨的层状结构及低硬度特点，将会剥落而转移到摩擦表面；同时随着摩擦进行，摩擦应力引起亚表面上铝基体的形变，使亚表面中的石墨被挤到表面上，因此表面润滑膜的成膜过程是石墨颗粒剥落和亚表面石墨的挤出过程与铝变形表面石墨覆盖的平衡过程。陶瓷一石墨复合材料的摩擦学特性也有类似的规律【75l。因此可以认为这是含石墨复合材料的基本摩擦学特性。3．5小结本章主要研究了由半固态铸造技术制备的A1．9％Gr复合材料的摩擦性能，分析了载荷、滑动时间对AI．9％Gr复合材料摩擦系数的影响。结果表明，摩擦系数∥随压力Ⅳ的增大而增大，在实验研究的范围内，它们之间满足二次关系：∥=0．256+(1．157x10-4)Ⅳ+(8．749x10—7)Ⅳ2摩擦系数随摩擦时间的增加变化情况：在0,--40min阶段，摩擦系数随时间的延长，急剧下降。在40．--120min阶段，随着时间的增加，摩擦系数的下降趋于缓慢，只有小量的降低。而在120rain之后，摩擦系数不随时间变化，稳定在0．2763。在AI．9％Gr复合材料摩擦过程中，表面润滑膜的成膜过程是石墨颗粒剥落和亚表面石墨的挤出过程与铝变形表面石墨覆盖的平衡过程；铝一石墨复合材料的摩擦系数随着润滑膜覆盖面积的增加而降低，当摩擦表面形成了一个完整稳定的石墨润滑膜时，摩擦系数是一个较低且稳定的值。 4结论总结前述几章的研究内容，本文可以得出以下主要结论：1．采用电磁一机械复合搅拌装置制备了A1．9％Gr半固态浆料，并对不同固相率下浆料常规铸锭的微观组织进行了研究。研究表明，随着浆料固相率的增大，石墨颗粒的上浮聚集程度逐渐减小，当固相率大于30％时，其上浮聚集基本得以消除，石墨颗粒可均匀地分布在整个铸锭中，不存在石墨的宏观偏析。因此，采用电磁一机械复合搅拌装置，在固相率大于30％时，可以制得石墨含量达9％且能够均匀分布的铝一石墨复合材料。所以，采用电磁一机械复合搅拌装置制备铝一石墨半固态浆料，然后进行常规铸造是一种能够简单方便、经济实用地制备出组织分布均匀的铝一石墨复合材料的工艺技术。2．A1．9％Gr复合材料的摩擦系数∥随压力Ⅳ的增大而增大，它们之间满足二次关系，其关系方程为：∥=0．256+(1．157x10。4)Ⅳ+(8．749x10。7)Ⅳ23．A1．9％Gr复合材料的摩擦系数∥随摩擦时间t的增加，在0-40rain阶段，摩擦系数随时间的延长，急剧下降。在40～120min阶段，随着时间的增加，摩擦系数的下降趋于缓慢。而在120min之后，摩擦系数不随时间变化，稳定值在0．2763左右。4．在铝一石墨复合材料摩擦过程中，表面润滑膜的成膜过程是石墨颗粒剥落和亚表面石墨的挤出过程与铝变形表面石墨覆盖的平衡过程，石墨在摩擦表面分布越均匀，相对应的铝一石墨复合材料的摩擦系数越小。当摩擦表面形成了一个完整稳定的石墨润滑膜时，摩擦系数是一个较低且稳定的值。 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作者简历梁金娥，女，1982年9月24日生，山西临汾人。2000年9月考入北京交通大学(北京)机电学院机械工程及自动化专业，2005年7月获得学士学位；2006年9月考入北京交通大学机电学院攻读硕士学位。申请专利：l、一种钢铝．28铅固液相的后处理方法专利号：20079．52、一种钢铝．7石墨复合板铸轧复合方法专利号：200710121416．9