體育器械用SiC改性鋁基復合材料組織與性能研究

齊佳 周紅燕

摘要：文章主要是對SiC改性鋁基復合材料的組織和性能進行研究，為了得到體積分數不同的SiC改性鋁基復合材料，借助粉末擠壓法來參與本次試驗。著重分析了復合材料本身硬度、在顯微鏡下的形狀外貌、摩擦系數和磨損程度受體積分數不同的SiC的影響。結果發現SiC/2024鋁基復合材料中SiC顆粒體積分數與復合材料硬度呈正比，前者增加，后者硬度也增大。但當0.7-0.8為平均摩擦系數時，出現減小的是磨損體積、短軸寬度、磨痕長軸寬度以及表面磨痕深度。橢球面狀為所形成的磨損形貌。

關鍵詞：體育器械;SiC;復合材料;耐磨性能;磨損形貌

中圖分類號：TQ050.4+3

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2019）08-0024-04

體育器械以輕便為佳，科技的發展帶動了體育器械的創新。體育器械正向著高密度和高強度的方向轉變。比如合金類的體育器械。近年來鋁合金在體育器械中使用率不斷攀升[1]。為了提高促進體育器械的進一步發展，國內外開始向鋁基復合材料方向研究。以下就是筆者借助試驗的方式對SiC改性鋁基復合材料組織與性能的分析情況。

l 試驗材料分析

本次試驗所用材料為2024鋁合金粉末（粒徑在45μm）、SiC顆粒。其中構成鋁合金粉末的成分主要是4.2%的Cu、1.3%的Mg、0.56%的Mn、0.1%的Fe、0.13%的Si、0.05%的Zn，剩下的為Al。SiC顆粒外觀缺少規則性，平均出尺寸在15.25μm之間，3.2g/cm³為SiC顆粒的密度。

2 試驗方法分析

為了獲取體積分數不一樣的SiC鋁基復合材料，采用粉末熱擠壓方法。規格如表l所示。

砂紙打磨體積分數不一樣的鋁基復合材料，砂紙型號為60-2000#，后行拋光處理，工具為金剛石研磨膏。隨后行腐蝕處理，試劑為Keller，觀察時借助光學顯微鏡。行硬度測試時需要借助的設備為HB-3000型布氏硬度計，加載荷載和保持荷載時間在一定范圍內，分別為62.5kg、30s[2]。隨后行磨損試驗，妥善設置荷載、頻率、振幅和對磨時間。磨損外形測量采用表面形貌儀，型號為Form Talysurf PGI 800。

3 試驗結果分析

體積分數不一樣的SiC/2024鋁基復合材料的金相組織如圖1所示。

從上圖中可以看出，黑灰色SiC顆粒出現最多的情況是在SiC體積分數為10時，此時SiC顆粒呈現出相對均勻的分布特點，顯微空隙沒有被發現[3]。顯微空隙呈現增加的情況是在SiC體積分數增加到15%時，顯微空隙出現在SiC顆粒團聚位置（上圖箭頭所指位置）。當SiC顆粒體積分數不斷增加時，原有的顯微空隙數量和SiC顆粒團聚數量也呈現增加趨勢。SiC顆粒體積分數為25%時，顯微空隙和SiC顆粒團聚數量增加到最大。

硬度測試結果如圖2所示。

由上圖2可以發現，硬度是86HB時，此時鋁基材料中沒有添加SiC顆粒。經過處理后，不同SiC體積分數對應的硬度如表2所示。

上述表格可見，SiC/2024鋁基復合材料中SiC顆粒體積分數與復合材料硬度呈正比，前者增加，后者硬度也增大。其原因在于增加了SiC顆粒體積分數，材料抗局部形變能力提升，硬度提升。

圖3為不同體積分數下SiC/2024鋁基復合材料的摩擦系數。

上圖發現不同梯度的SiC/2024鋁基復合材料，所保持的摩擦系數均在0.7-08之間，變化不明顯。這對有關文獻顯示鋁基復合材料硬度增加時，摩擦系數出現明顯變化存在一定差異性，只是發生了較小變化，呈現出硬度增加，摩擦系數相對減少的趨勢[4]。但是伴隨不斷增多的SiC顆粒數量，整體的摩擦系數表現出來的變化幅度不明顯。

統計體積分數不同下的SiC/2024鋁基復合材料的磨損體積，發現總體的磨損體積呈現逐漸減小的變化，其原因在于復合材料硬質SiC相在體積分數不斷增加的情況下，含量也不斷增加，鋁基體和SiC顆粒在不斷增大的界面面積下，對磨損力的抵抗作用越來越強[5]。

圖4為體積分數不一樣的數SiC/2024鋁基復合材料的磨損寬度和深度情況。

上圖4發現SiC顆粒體積分數與磨損寬度和深度成負相關關系，前者增大，后者會出現降低。并且當SiC顆粒體積分數同15%增加到20%時，期間磨痕深度減小的程度稍稍變緩。其磨痕深度變化與磨損體積的變化存在相似性，都與SiC顆粒體積分數變化相一致。

觀察不同體積分數下鋁基復合材料的磨損外貌，結果發現橢球面狀是不同體積分數下鋁基復合材料的主要磨損外貌。其中根據形態好顏色的不同，可以分成不同的區域[6]。其中磨痕中心部位的區域I，該區域成黑色塊狀突起狀，外表光滑，可能與塑性變形和重復性碾壓有關。區域I的附近就是區域Ⅱ，其該區域表面是不平滑的，并且有小凹坑存在。兩側磨痕位置為區域Ⅲ，出現犁溝，呈平行方向分布。分析其原因與刮擦和犁削有關。如圖5所示。

4 結語

綜上所述，SiC/2024鋁基復合材料中SiC顆粒體積分數與復合材料硬度呈正比，前者增加，后者硬度也增大;SiC/2024鋁基復合材料中SiC顆粒體積分數的增加，呈現出來的磨損體積不斷減小，且不同體積分數下的鋁基復合材料，摩擦系數均保持在0.7～0.8[7]，在SiC顆粒體積不斷增大的情況下，出現減小的不僅是磨損體積，還有短軸寬度、磨痕長軸寬度以及表面磨痕深度。此外最終所形成的磨損外模為橢球面狀。

參考文獻

[1]江偉，張敏，體育器械用SiC改性鋁基復合材料組織與性能研究[J].鑄造技術，2018，39（1）：163-165+169.

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