CN108103361A - 一种粉煤灰泡沫陶瓷铝基复合材料 - Google Patents

Abstract

一种粉煤灰泡沫陶瓷铝基复合材料，粉煤灰泡沫陶瓷复合材料具有较高的耐磨性，其耐磨性明显高于基体，该复合材料抵抗磨损的性能比基体材料增加了3‑4倍。随转速的增加，基体材料的磨损率增加较快；转速对复合材料的磨损率影响较小，复合材料的磨损率增加较小，当转速900r/min增加到1400r/min时，复合材料的磨损率反而会轻微的降低。在本实验中，当对磨件1000Cw的砂纸时，基体材料没有出现急剧磨损阶段。两种材料的磨损率变化均较稳定。随载荷增加，两种材料的磨损率均出现明显的增加。并且基体与复合材料对载荷的变化都非常敏感。

Description

一种粉煤灰泡沫陶瓷铝基复合材料

技术领域

本发明涉及一种粉末冶金材料，尤其涉及一种粉煤灰泡沫陶瓷铝基复合材料。

背景技术

泡沫陶瓷铝基复合材料是一种三维网络陶瓷/金属双连续相复合材料，陶瓷、金属相在三维空间均连续分布，并且两相相互交叉，界面结合强度较高，具有和传统孤立相增强完全不同的拓扑结构。这种材料具有抗蠕变性能强、热膨胀系数低、耐磨性好和热导率高等优点，可应用于航空航天结构件、汽车、军事、摩擦磨损类材料等领域。

发明内容

本发明的目的是为了改善铝基复合材料的耐磨性，设计了一种采用粉煤灰泡沫陶瓷铝基复合材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

粉煤灰泡沫陶瓷铝基复合材料的制备原料包括：泡沫陶瓷增强铝基复合材料由增强体和基体两部分组成。增强体为粉煤灰泡沫陶瓷骨架，基体材料为A1-23Si合金。

粉煤灰泡沫陶瓷铝基复合材料的检测步骤为：磨损试验的对磨件为400Cw和1000Cw的砂纸，每次试验前均将试样磨平并精心抛光。试样磨损后用天平称重并在金相显微镜下观察试样磨损形貌，并分析试样的磨损机制。

本发明的有益效果是：

粉煤灰泡沫陶瓷复合材料具有较高的耐磨性，其耐磨性明显高于基体，该复合材料抵抗磨损的性能比基体材料增加了3-4倍。随转速的增加，基体材料的磨损率增加较快；转速对复合材料的磨损率影响较小，复合材料的磨损率增加较小，当转速从900r/min增加到1400r/min时，复合材料的磨损率反而会轻微的降低。随磨损时间的增加，当时间超过某一临界值时，基体材料的磨损率会急剧的增加。与之相反，复合材料的磨损率随磨损时间的延长，则变化缓慢，磨损过程比较平稳。随表面粗糙度的降低，基体与复合材料的磨损率均降低。并且在本实验中，当对磨件为1000Cw的砂纸时，基体材料没有出现急剧磨损阶段。两种材料的磨损率变化均较稳定。随载荷增加，两种材料的磨损率均出现明显的增加。并且基体与复合材料对载荷的变化都非常敏感。

具体实施方式

实施案例1：

粉煤灰泡沫陶瓷铝基复合材料的制备原料包括：泡沫陶瓷增强铝基复合材料由增强体和基体两部分组成。增强体为粉煤灰泡沫陶瓷骨架，基体材料为A1-23Si合金。粉煤灰泡沫陶瓷铝基复合材料的检测步骤为：磨损试验的对磨件为400Cw和1000Cw的砂纸，每次试验前均将试样磨平并精心抛光。试样磨损后用天平称重并在金相显微镜下观察试样磨损形貌，并分析试样的磨损机制。

实施案例2：

施加载荷20N，磨损时间20min，对磨件为400Cw的砂纸．设定旋转摩擦副的转速分别为700、900、1400 r/min。在700-900r/min的转速，粉煤灰泡沫陶瓷铝基复合材料和基体的磨损率与转速正相关，二者磨损率增加的幅度相近。当转速为1400r/min时，基体材料的磨损率迅速增加。而复合材料的磨损率则变化不大，略微下降。当转速为700-900r/min时，基体与复合材料磨损率增加的幅度相近。这主要由两方面的原因所致：首先，磨损速度速度低时，材料因摩擦产生的热量较少，基体材料的性能较稳定；当转速较高时，基体材料摩擦产生的热量较多。材料表面会发生局部熔化．基体材料会粘结在基体材料的表面变为颗粒．该颗粒将会增加材料的磨粒磨损，磨损量迅速增加；也有可能粘结在磨屑表面，在旋转摩擦盘的离心力作用下，迅速转移出去。相反，复合材料则由于泡沫陶瓷微凸体的承载作用，使基体材料的受力小，同时接触面积也较小，因摩擦产生的热量也较少。因此材料的性能也较稳定，耐磨性较好。其次，由于900-1400r/min时，变化区间较大，材料耐磨性差异表现得更为突出。在较高转速时，该复合材料的磨损率较低。由此可以推断复合材料不仅耐磨性较好，而且其耐热性能较好。复合材料与基体材料在1400r/min时的磨损形貌对比发现。基体材料在较高转速下为粘着磨损机制为主的磨损。有许多软化的基体焊附和在基体材料表面，并且与复合材料相比，基体磨损形貌较粗糙。总之，在较高转速下。复合材料的磨损率较低或其磨损性能较好，这主要归结于泡沫陶瓷对基体的增强作用，进而降低材料的摩擦时的接触面积，提高材料耐热性，最终导致复合材料耐磨性能提高。

实施案例3：

转速700r/min，施加载荷20N，对磨件为400Cw的砂纸，磨损时间为5-25min，磨损时间小于15min时，复合材料与基体材料的磨损率均变化不大，两者均为稳定磨损阶段。在此阶段，基体材料的磨损率降低，这是由于对磨件为砂纸(由许多的硬质颗粒组成)，砂纸表面的硬质耐磨颗粒在基体表面形成犁沟、磨削金属，而磨损试样是经过抛光的试样，随磨损过程的进行，基体表面的粗糙度增加，基体合金的磨损率就会下降。复合材料的磨损率却比基体材料低很多。并磨损率随时间的变化不大，磨损过程较平稳，这将为其提供稳定的制动性能奠定基础。复合材料的磨损率的大小与磨损过程中的变化主要由以下两方面的原因所致：首先复合材料的晶粒尺寸比基体材料的小，且其晶粒形状更接近等轴状。因此，复合材料中的金属相的性能较基体材料有一定程度的提高。其次，泡沫陶瓷增强相在磨损试样的表面形成微凸体，这些微凸体的硬度较高，因而耐磨性较好，并且以其特有的拓扑结构承载一定的载荷，这些因素减少了复合材料中铝合金基体的磨损率。磨损时间为5-10min时，复合材料的磨损率非常低，该时间段主要是陶瓷微凸体的磨损，因此磨损率较低，且磨损率的变化非常缓慢。当磨损时间在10-15min时，该复合材料的磨损率开始增加，这意味着单纯陶瓷微凸体的磨损结束，此阶段主要是基体与增强相的共同磨损阶段。磨损时间大于15min时，磨损率的增加速率均较前期的磨损率变化程度增加。基体材料增加的幅度最为突出。基体材料磨损率的突然增加主要是由于随磨损时间的持续。因摩擦产生的热量增加，使基体合金中局部温度大幅度升高，基体合金材料的强度降低．材料的磨损率增加。基体材料的磨损的划痕较深，这说明基体材料表面磨损时受到的应力较大。基体材料的磨损时问较长时，局部温度达到基体金属的熔点。因此，在基体合金的表面形成粘着颗粒，并加快基体金属磨损率的增加。与基体合金相比，由于磨损试样表面陶瓷微凸体的作用，复合材料中不仅铝合金相磨损时的接触面积减小，而且表面承受的应力载荷较小，因此其磨损率增加幅度较基体合金增加程度小是很自然的事。又因摩擦过程中会产生大量的热量，所以，随磨损时间的延长，该复合材料的磨损表面也会产生大量热量，磨损率增加的程度也较其前期磨损时增加的幅度大。但远小于基体合金磨损率的增加速度。

实施案例4：

转速700r/min，施加载荷20N，对磨件为400Cw、1000Cw的砂纸，磨损时间为5-25 min。随表面粗糙度的降低，复合材料与基体材料的磨损率均降低。由于互相摩擦的表面的微观形貌是由大量的微凸峰组成，互相摩擦表面的粗糙度越小，表面微凸体的体积越小，微凸的峰的密度越大，摩擦表面的接触面积增大，作用在单位面积上的应力减小，材料的磨损率降低。当对磨件的表面粗糙度降低时，其表面粗糙度与抛光的磨损试样的表面粗糙度越接近，磨损时材料自适应性提高，材料的磨损率下降。一方面，对磨件表面粗糙度的降低，缩短了磨损时的跑合阶段，材料的磨损率因而会降低；另一方面，跑合(磨损初期)阶段的缩短或几乎消除，减少了磨损初期形成的模粒的数量，减小了磨损时磨粒磨损的程度，降低了材料的磨损率。最后值得注意的是。当对磨件的表面粗糙度降低时，磨粒的尺寸减小，磨粒的形状因而更接近于球形，磨粒对材料的犁沟作用减弱。磨粒在界面处的滚动运动加强，易转移出去，降低了对材料的磨损。从表面粗糙度对磨损率的影响知。在合理选择摩擦副的加工精度时。有利于提高工作部件的耐磨性。基体材料表面的犁沟深度较泡沫陶瓷增强复合材料的深，材料表面凹凸起伏度远高于复合材料，因此即使在表面粗糙度较低时。基体材料的磨损率仍然高于复合材料。但是此时A1-23Si复合材料与A1-23Si基体材料的磨损率均降低了4-5倍。并且材料的磨损过程非常平稳。当对磨件为400Cw的砂纸时，磨损时间为15-25min时，基体材料与复合材料的磨损率均有增速加快的趋势。尤其对基体材料来说，这一现象非常明显。与之不同的是。当对磨件为1000Cw的砂纸时。两种材料的磨损率均变化不大，这将有利于材料使用性能的提高。

实施案例5：

转速700r/min，施加载荷7-30N。对磨件为400Cw的砂纸，磨损时间为15min。基体与复合材料对载荷的敏感度均较高，载荷增加时，磨损率都会增加。当载荷为7-20N时。两者随载荷增加时，磨损率的增加速率几乎是一致的，这主要是由于对磨件为砂纸。磨损机制主要为砂纸的硬质颗粒在试样的表面产生犁沟，促使材料不断磨损。复合材料具有比基体材料表面的犁沟更加清晰，基体材料的表面磨损形貌显得较为平整。这主要由于在较高转速下，砂纸很容易将材质较软的材料磨平，但材料的磨损率并不会因此而降低。基体材料的磨损率始终高于复合材料的磨损率。当载荷高于20N时，复合材料的磨损机制主要以磨粒磨损机制为主．而基体材料则主要以氧化磨损为主。复合材料具有明显的磨损痕迹，而基体材料的磨损表面的沟槽较小。这主要由于当载荷增加时。复合材料磨损时摩擦表面会产生加工硬化效应，材料表面硬度增加，表面磨损痕迹很难短时间内很难磨平。粗糙摩擦表面也会加剧复合材料的磨损。当载荷大于20N时，该复合材料的磨损率增加较快。另外，复合材料磨损形貌的粗糙也与增强相的强度有关。当增强相的强度较低时，当作用于增强相的应力大于其断裂强度时，增强相磨损的硬质颗粒也会加剧复合材料的磨损。由于该泡沫陶瓷的强度与SiC多孔陶瓷相比，强度较低，载荷较高时复合材料的耐磨性提高的幅度有限。基体材料随载荷增加磨损率的增加主要是其氧化磨损的机制决定的。当载荷增加时，由于基体材料摩擦表面的接触面积较大，摩擦产生的热量会急剧增加，这些热量将会加速接触表面的氧化，从而在基体材料的表面形成氧化层。氧化层随磨损过程的进行，将会发生表层硬化，在磨损表面的亚表层形成内应力，应力增加时表层材料在高温下变形，直至最终断裂脱离材料表面。又因载荷较大。磨损时的转速较高，摩擦产生的热量较多，氧化磨损循环的周期很短，基体材料在这种机制下不断被磨损。

Claims (3)

1.一种粉煤灰泡沫陶瓷铝基复合材料，制备原料包括：泡沫陶瓷增强铝基复合材料由增强体和基体两部分组成；增强体为粉煤灰泡沫陶瓷骨架，基体材料为A1-23Si合金。

2.根据权利要求1所述的粉煤灰泡沫陶瓷铝基复合材料，其特征是粉煤灰泡沫陶瓷铝基复合材料的检测步骤为：磨损试验的对磨件为400Cw和1000Cw的砂纸，每次试验前均将试样磨平并精心抛光；试样磨损后用天平称重并在金相显微镜下观察试样磨损形貌，并分析试样的磨损机制。

3.根据权利要求1所述的粉煤灰泡沫陶瓷铝基复合材料，其特征是以粉煤灰泡沫陶瓷复合材料具有较高的耐磨性，其耐磨性明显高于基体，该复合材料抵抗磨损的性能比基体材料增加了3-4倍；随转速的增加，基体材料的磨损率增加较快；转速对复合材料的磨损率影响较小，复合材料的磨损率增加较小，当转速从900r/min增加到1400r/min时，复合材料的磨损率反而会轻微的降低；随磨损时间的增加，当时间超过某一临界值时，基体材料的磨损率会急剧的增加；与之相反，复合材料的磨损率随磨损时间的延长，则变化缓慢，磨损过程比较平稳；随表面粗糙度的降低，基体与复合材料的磨损率均降低；并且在本实验中，当对磨件为1000Cw的砂纸时，基体材料没有出现急剧磨损阶段；两种材料的磨损率变化均较稳定；随载荷增加，两种材料的磨损率均出现明显的增加；并且基体与复合材料对载荷的变化都非常敏感。