TiB的磨损性能及其与力学性能的关系₂加强对铝瓶装复合材料

摘要

基于铝的TiB₂增强复合材料是将被用作制动鼓材料有前途的材料，并且它可能成为替代传统的灰铸铁。人uminium-based composites containing 2% by wt copper reinforced with 2.5 and 5 wt% TiB₂采用同步加注卤化物熔剂的原位合成方法在感应炉中制备复合材料₂的TiF₆和KBF₄)。对铸造复合材料的显微组织、硬度、流动曲线性能和拉伸性能进行了评价。观察到，与灰口铸铁相比，复合材料的整体磨损行为与力学性能有相当好的相关性。

1.介绍

含陶瓷颗粒的金属基复合材料通过限制材料在机械加工过程中的变形来提高材料的机械性能和磨损性能。金属基复合材料(特别是铝和钛基复合材料)由于具有模量、硬度、抗拉强度和耐磨性等性能的增强以及显著的重量节省，在航空航天和汽车工业中得到广泛应用[1，2]。铝与陶瓷增强，如铝₂Ø₃， SiC, TiC和TiB₂，以其良好的韧性和耐磨性[3]。复合材料的模量随TiC-和TiB的增加而增加₂-颗粒的添加量大于铝复合材料的添加量₂Ø₃和原文如此。同时，TiC-和TiB的界面结合增强₂- 增加复合材料[4]。有形成的TiB不同的技术₂基体中如粉末冶金法、喷雾法、沉积法以及流变铸造、挤压铸造、搅拌铸造和复合铸造等几种铸造方法[五，6]。不同的体系用于合成这种复合材料，如TiO₂-Al-B，二氧化钛₂-Al-B-CuO的，二氧化钛₂-Al-B₂Ø₃，硼氢化钠₄,TiCl₄和含Ti和含B的盐被加入到熔化从而产生一系列的化学反应能产生亚微米的TiB₂熔体内的颗粒[3，7，8]。与铸铝相比，加筋可提高基础合金的强度和刚度，但有损延性[4，9]。复合材料的磨损率与的TiB显著改善₂内容。摩擦系数也随着降低的TiB₂，表明磨损率降低，从而提高了复合材料的耐磨性[10，11]。铸铁（GI250，GIHC，GI 250Ti，和CGI）的商业上使用的等级的磨损和机械特性表明，所有等级中紧凑石墨铸铁表现出更高的机械强度，但它具有比其它等级的铸铁[耐磨损性更小12]。

众所周知，铝- mmc在汽车零部件上的应用可以使车辆的重量比灰铸铁轻三分之一。目前工作的目的是建立一个磨损行为与机械性能的Al-TiB₂复合材料与灰口铸铁比较。

2.材料与实验方法

2.1。材料与加工

商业纯（CP）铝作为基体材料。原位磁通分摊合成技术来形成的TiB₂通过使用可商购的氟乙烯类焊剂即，六氟钛酸钾复合-reinforced（K₂的TiF₆和四氟酸钾(KBF)₄)。在原位合成过程为所述复合材料的制造通过。个别通量即，六氟钛酸钾（K₂的TiF₆和四氟酸钾(KBF)₄)，加入铝液中，按(1）

矿的形成₂是否受到白蛋白的影响₂和Al₃铝液中的钛。但是由于铝的生成的吉布斯自由能₃钛比ALB高₂，硼的回收率较低[13]。因此，20％的额外KBF₄此外相比化学计量量是为了减少有关制品的存在和完成反应产生的TiB₂加固[14]。合成复合材料的性能与用于汽车应用制动鼓灰口铸铁相比较，它由3.54％C，2.15％Si和0.51％的Mn（按重量计）的。

Induction furnace (25 KW, Make Autocontrol, Mumbai) was used for making the composites with controlled argon shrouding and as well as for gray cast iron as the reference material. After sufficient holding time and degasing of melt, the molten composite was poured into preheated mould (200°C) to get cast specimens of dimensions 150 mm length and 20 mm diameter for material charaterisation.

2.2。材料表征

扫描电镜(make-JOEL, Japan)观察强化相。采用电解抛光机(Eletropol Metatech)对SEM分析样品进行抛光，电解液为甲醇-730 mL、丁基纤维素-98 mL、高氯酸-78 mL和蒸馏水-100 mL。此外，为了揭示基质的晶界和强化分布，使用Villella试剂(20 mL氢氟酸、10 mL硝酸、30 mL甘油)进行刻蚀。

复合材料的硬度使用显微硬度机（FM-700，未来科技）来测定。施加的载荷为100克用15秒的停留时间。报道六个读数的平均值。

拉伸试样按照ASTM a370标准制作，并在一台通用试验机(容量10吨)中进行测试。用拉伸试验得到的三个试样的数据平均值。在同一台机器上，对试样进行了压缩试验（毫米)。将试样按1000kg的步骤逐步压缩，记录试样的瞬时高度和直径，取三个试样的平均值，得到真实应力与真实应变图。推导了各复合材料的流量曲线方程 在哪里真应力(MPa)，真应变，应变硬化指数。

销 - 盘磨损试验机（M /秒马格南工程师，班加罗尔）用于磨损分析。Pin specimen (Ø 10 mm) was kept stationary perpendicular to disc, while the circular disc (SAE 52100 steel, 61 HRC, 0.3 μRA, and disc diameter 165 mm) was rotated as shown in Figure1。A load of 60 N and sliding velocity 1.8 m/s was employed for wear rate evaluation. An average wear rate was reported based on three samples of same composition. In order to find out the rise in temperature during wear test, temperature sensor was positioned in 1 mm diameter drilled hole at 15 mm distance from sliding end of the specimen.

3.结果与讨论

3.1。微观结构分析

铝的TiB光学显微₂不同增强量的复合材料如图所示2。与纯铝相比，复合材料中相的平均晶粒尺寸较小。

3.2。SEM组织

数字3显示Al-5% TiB的微观结构₂的TiB的复合隔离点₂（数字3)在铝基体中。通常,矿₂颗粒存在于该分离方式由于高界面能。

3.3。SEM-EDS分析元素分布

利用SEM-EDS分析确定了增强体和基体的近似化学成分。数字4表示的Al-5％的TiB光谱₂铝、钛为峰的复合材料。EDS元素分析如图所示五确认的TiB的存在₂沉淀物。数字6显示元素分布，证实硼、铝和钛的存在。

3.4。显微硬度分析

的复合材料不同增强剂含量硬度与灰口铸铁作为参考材料进行比较。数字7显示了Al-MMC随TiB增强含量的变化₂。人-based composite containing 2.5 wt% TiB₂表明硬度47％的改善，这是不言而喻的了增加的TiB₂内容。注意到硬度为5%的TiB₂的增长率几乎是纯铝的两倍，但远远低于灰铸铁。

3.5。机械性能

3.5.1。拉伸性能

从表可见1该复合表现出更高的UTS和比铝具有降低的延展性更高的断裂强度。在复合与铝相比，机械性能的改善显著可以归因于的TiB₂矩阵中的粒子。在Al-12%的情况下，以往的研究报道了wt. TiB提高拉伸性能的类似趋势₂al -4。5% Cu-3% C-15%TiB₂复合材料(15，16]。如在图中所描绘的断裂面8示出了断裂行为从韧脆的移位;例如，纯铝表示杯和锥体型韧性断裂，铝 - 5％的TiB₂揭示了混合模式延性 - 脆性转变，和灰口铸铁所示的脆性断裂。

3.5.2。流量特性曲线

压缩试验结果以流量曲线的形式绘制，由流量曲线方程导出的相应特性见表2。它可以观察到强度系数（随增强材料的增加而增加，而应变硬化随TiB的增加而减少₂内容。总体而言，较高的TiB₂含量显示更高的应变硬化速率()。这意味着其可以从总的变形都在横向以及在纵向方向上可以看出，复合材料表现出明显的变形行为。

3.6。滑动磨损分析

数字9示出了磨损率与金属基复合材料组成的变化。显然，纯铝表现出最高的磨损量而灰口铸铁示出了最低磨损量，所采用的给定的施加的负载的和滑动速度。铝基复合节目在磨损率的下降与的TiB含量增加₂当材料在台面滑动时，作为剪切变形障碍的钢筋。但其磨损率远高于灰口铸铁。同时,矿₂作为矩阵中的承重单元。这支持TiB中其他地方报告的工作₂-增强Al-7%Si合金[17]。数字10表明，滑动过程中的温度上升是更纯的铝及其复合材料比灰口铸铁。It is well known that aluminum exhibits high thermal conductivity (237 W/m·K), and it reduces with increasing addition of TiB, while gray cast iron has relatively low thermal conductivity (70 W/m·K). It can be noted that the addition of TiB₂粒子与铝基质给出了降低摩擦系数明显在图一些效果11。在摩擦的为纯铝和复合材料的平均系数的变化，其中比灰口铸铁（0.21）的大得多的0.5-0.7的范围内变化。

4.力学性能与磨损性能的关系

磨损是一个复杂的现象，而不是仅由硬度，也可由其他影响参数，如微结构，处理的方法，所述滑动材料的热性质和机械性质[管辖18]。基于机械、热、物理特性和工艺参数的相关磨损模型已被尝试理解磨损复杂性[19]。

从拉伸试验和压缩试验得到的力学性能的各种曲线作图以建立与磨损性能的相关性。值得注意的是用硬度磨损率显示近似幂律关系（图12),UTS(图13、断裂应力(图)14)、强度系数(图15），以及应变硬化指数（图16)。所有这些关系，付出数值远高于0.9，表明机械性能对磨损率有很强的影响。值得注意的是，力学性能受到微观结构中钢筋的强烈影响。因此，体积磨损率随材料硬度的变化呈现一定的趋势，验证了Archard方程[20.]。找出对耐磨性的杨氏模量的相关性和硬度的类似的努力被用于与不同的元素添加La，镁，钯，和Zr的合金制成。据发现，硬度和杨氏模量都很好地相关与耐磨损性为铝镍基合金的[21]。

5.结论

基于Al-金属基复合材料及其与灰口铸铁相比较的前述讨论，得出以下结论可以得出。（1）机械性能强烈影响的TiB内容₂在铝金属基复合材料。（2）铝基复合材料的磨损性能与硬度、极限抗拉强度、断裂强度和应变硬化指数有较好的相关性。磨损率与力学性能的关系验证了Archard方程。（3）磨损率随降低的TiB₂内容。

致谢

作者感谢印度大学拨款委员会为这项研究提供了财政支持。同时感谢浦那工程学院院长和VNIT Nagpur提供SEM设备。

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