基于Moora的红泥铝金属基复合材料的摩擦摩擦学研究

摘要

摘要对红泥基铝基复合材料(MMC)进行了干滑动磨损试验研究，研究了外加载荷、滑动速度、强化率和表面材料硬度对干滑动磨损的影响。以比磨损率和摩擦系数作为输出质量特性。Taguchi-based L₉采用正交设计的方法完成了实验研究的目的。方差分析(ANOVA)被用来寻找最优设置和每个参数对输出性能特征的影响。据观察，每个输出性能的最优因子设置是不同的。为了使两种响应同时最小化，采用了基于比值分析的多目标优化方法。MOORA发现，对于红泥基铝的多种性能特性，干滑动磨损参数的最佳组合是设定正常载荷为20 N，滑动速度为3 m/s， %的强化率为20%，以及材料的表面硬度为58 HRC。

1.介绍

与基体合金相比，金属基复合材料在机械强度、耐磨性和阻尼性能方面有显著提高[1,2]。在许多工程应用中，铝合金的使用是不可避免的，因为它具有优良的机械性能、热性能和低耐磨性[3.]。为提高铝及其合金的耐磨性，采用了不同的增强材料，即短纤维、晶须和微粒[4]。在不同的增强颗粒中，由于其在复合材料的制备过程中，增强颗粒增强率更多地受到关注[5]。

Huda等人[6[报告指出，特定制造工艺的选择取决于用于形成MMC的基体和增强材料的类型。采用搅拌铸造工艺可以很容易地与基体材料合成颗粒增强体。Sannino and Rack [7报告指出，这种微粒复合材料适用于性能和成本都很重要的工业应用。研究了滑动速度对铝MMC与黑色基体摩擦磨损性能的影响。Unlu [8进行了实验来研究铝的作用₂O_3.用铸造法和粉末冶金法制备-SiC增强体。实验结果表明，添加强化剂后，复合材料的摩擦学性能和硬度均有显著提高。唐等人[9)捏造Al-B₄研究了复合材料干滑动磨损参数的影响，发现增加wt.%的强化能降低复合材料的磨损率。Liu等人[10研究了短碳增强铝基复合材料的摩擦磨损性能。讨论了纤维体积分数、施加的载荷、转速和磨损机理对纤维的影响。结果表明，随着配筋率的增加，磨损率降低;随着外加载荷的增加，磨损率增加。Rohatgi等人[11[研究了含硅砂强化的Al 206铝合金的干滑动磨损行为，使用三销钉在圆盘肋条流量计上对抗SAE 1045钢。结果表明，硅砂的加入降低了复合材料的摩擦系数。Iwai等人[12采用粉末冶金方法制备了SiC晶须增强2024铝复合材料，其增强率为不同的wt.%(0-16%)。根据干滑动磨损参数的计算结果，可以看出钢筋的wt.%的增加降低了磨损率。

Sahin和Ozdin [13为SiCp增强铝金属基复合材料的磨料磨损行为开发了数学模型。实验结果表明，复合材料的磨损率随外加载荷和磨料粒度的增加而增加。采用响应面法对粉末冶金法制备的AA7075铝sic复合材料的干滑动磨损性能进行了评价。研究发现，滑动速度和颗粒尺寸与磨损率成正比，而体积分数与磨损率成反比[4]。研究发现，基体合金中引入SiC颗粒强化对磨料磨损的影响最大，其次是外加载荷。滑动距离的影响要小得多[13]。许多研究人员已经使用田口方法来识别参数对复合材料干滑动磨损行为的影响。使用Taguchi和ANOVA进行了试验研究，确定了显著性因素，而使用Al 2219 SiC和Al 2219 sicc -石墨材料进行试验表明，滑动距离、滑动速度和载荷对磨损有显著影响[14]。Dharmalingam等人[15]采用灰色田口分析(GRA)确定干滑动磨损参数的最佳组合。复合材料(Al + SiC + MoS)的磨损率和摩擦系数受加筋率、滑动速度和外加载荷的影响较大。

一些人尝试使用低成本的强化材料如铝土矿、刚玉、花岗岩和硅镁石来制造MMC以提高耐磨性[16]。日益增长的低成本加固需求刺激了对赤泥利用的兴趣。赤泥是氧化铝生产过程中铝土矿碱法漂白产生的副产物[17]。每生产一吨氧化铝，就会产生大约1-2吨的赤泥残渣，并积累了数百万吨的赤泥，其中大部分被储存起来或排放到海里。赤泥贮存在湿地中具有较高的碱度，导致土壤碱化和水污染;贮存在旱地中会产生大量的粉尘，污染大气。

因此，本研究尝试以赤泥为增强材料，铝为基体材料。本文对搅拌铸造法制备的赤泥增强铝基复合材料的磨损和摩擦系数进行了优化研究。

2.实验的程序

2.1。材料

采用lm25铝合金和赤泥作为基体和增强材料。lm25铝合金应用于电气滑动触点、缸体、缸盖、制动器和其他发动机机体铸件。增强材料添加到lm25合金，以提高正在制造的部分的强度。表1和2展示了铝合金和赤泥材料的化学成分。

用于本次调查的红泥来自印度奥里萨邦的达曼乔迪国家铝业公司(NALCO)。用于研究的红泥颗粒的大小在125-150之间μ.m。

将lm25铝合金从锭中切成小块，在10%氢氧化钠溶液中95-100℃腌制10分钟。在甲醇中洗涤之前，先将形成的波纹浸入同样含有硝酸和水的混合物中以去除。在空气中干燥后，称量的腌铝在坩埚中熔化。所需数量的红泥(15、20和25%)被取在粉末容器中。红泥在电炉中预热至800℃，并在与铝熔体混合前保持该温度。

使用带控温装置的坩埚电阻炉将称量的酸铝在石墨中熔炼至所需的过热温度750±10℃。熔化结束后，将所需量的赤泥颗粒预热至800±10℃左右，加入熔融金属中，用机械搅拌器连续搅拌。在叶轮转速为600 rpm时，搅拌时间保持在120 s之间。为提高赤泥颗粒的润湿性，在搅拌过程中向熔体中加入少量镁。浇注了带增强颗粒的熔体制备复合材料试样。制备的复合材料经过机械加工以产生尺寸为以10和30mm长度进行干滑磨损实验。

2.2。复合材料的表征

利用光学显微镜研究了赤泥增强在铝基体中的分布。数据1(一)和1 (b)对20%赤泥增强铝基复合材料的SEM和EDX进行了研究。从数据1(一)和1 (b)，可知红泥均匀分布在铝基体中。从EDX可以了解到复合材料含有铝、硅和铁化合物。试样在进行微观结构表征之前进行金相抛光和蚀刻。复合材料的密度由阿基米德原理确定。用布氏硬度值评价复合材料的硬度。表格3.显示了复合材料的物理力学性能。

2.3。磨损试验

针对盘磨损试验装置(ASTM G99-95(2006)标准)用于进行干滑动磨损试验，以评估所制复合材料的磨损特性。在进行测试前，先用金刚砂纸打磨测试销和盘的表面，并打磨表面粗糙度()数值维持在0.8至1.2之间μ.m.使用三种不同硬度的台面材料进行实验。表格4显示对面材料的特性。计数器表面的表面粗糙度保持在3.8到4.0之间μ.m.抛光样品在磨损测试前用丙酮清洗。在磨损测试之前和之后，对样品称重以测量质量损失。采用共形接触法研究了复合材料的比磨损率和摩擦系数。接触压力保持在0.55 MPa。

研究了复合材料的干滑动磨损性能与载荷、滑动速度、增强材料的阻力%和抗面硬度的函数关系。干滑动磨损试验是在控制温度下进行的，滑动速度分别为2、3、4 m/s。施加的正常负荷在10 ~ 30n之间变化，步长为10n。在所有测试中，滑动距离保持在3000米。摩擦系数(cof)由加载载荷和应变片测得的切向载荷计算而得。根据材料的体积损失与载荷的比值和滑动距离计算出复合材料的比磨损率。用扫描电镜对试验结束时的磨损表面进行了检测和分析。

2.4。田口实验设计

田口实验设计是建模和分析控制因素对输出响应影响的有力分析工具。在实验设计中，最重要的环节是控制因素的选择。干滑动磨损的比磨损率和摩擦特性系数受外加载荷的影响()、滑动速度()， wt.%强化率()，以及台面材料的硬度()。在表中给出了测试的干滑动磨损条件5。

四个工艺参数在三个水平导致总共9个干滑动磨损试验。在所有的实验中，滑动距离保持在3000米。在本研究中，标准L₉选择正交阵列，其具有对应于与8自由度的参数组合的数量对应的13行。

试验的目的是尽可能减小比磨损率和摩擦系数。田口方法采用信噪比来表示某一性能特征，并要求信噪比的最大值。有三种类型的S/N比率-低-好，高-好，和名义-好。在此工作中，所有输出响应都要求具有更低的特性，因此更低的特性可以表示为; 在那里,是的S/N比th实验,是在…的实验th测试和为测试的总数。

表格6给出了正交阵列和实验结果。方程(1)使用Minitab软件版本16计算输出性能特征的信噪比。数据2(一个)和2 (b)为输出性能特征显示S/N比率主效应图。从数据2(一个)和2 (b)可以理解，比磨损率的最优参数组合为,,,摩擦系数为,,,。表格7给出了确定比磨损率和摩擦系数的最佳条件。本文利用较少的数据优化干滑动磨损参数;因此，进行验证实验是必须的。该验证实验用于验证质量特性的改善。由于比磨损率和摩擦系数具有不同的最优组合，因此对两种最优因子进行了确定试验。使用(2)，并与实验结果进行比较: 在哪里为平均信噪比，平均信噪比是否处于最佳水平为影响输出特性的干滑动磨损参数数。

比磨损率和摩擦系数的预测值与实验值的误差分别为3.1和4.4%，证明了模型的稳定性。

通过方差分析确定了干滑参数对比磨损率和摩擦系数的相对影响因素。表8和9给出了具体磨损率和摩擦系数的方差分析结果。这是从表中观察到的8和9每个参数对输出性能特性的影响是不同的。在特定磨损率下，钢筋的wt.%是主要因素，其次是滑动速度、加载载荷和反面材料的硬度，而摩擦系数受加载载荷的影响比钢筋的wt.%、反面材料的硬度和滑动速度大。基于田口的模型能够找到单目标问题的最优因子水平。但是，在公共因子水平设置下，需要建立一个模型，使所有响应的变化同时最小化。为此，采用MOORA方法进行多目标优化。

2.5。MOORA法(比率分析多目标优化)

MOORA是由Brauers和Zavadskas介绍的[18他们自己也改进了多目标问题的求解方法。现在它已成为工程领域的有力工具[19]。该方法已在众多研究中应用，解决了工程环境中各种复杂的决策问题。这种方法从对不同目标的不同选择的反应矩阵开始。MOORA指的是一种比率系统，在该系统中，对某一目标的备选方案的每个响应都与一个分母进行比较，这个分母代表有关该目标的所有备选方案。对于这个分母，选择每个目标的每个备选项的平方和的平方根[20.), 在哪里一个无因次数是否表示备选项的归一化响应客观;这些目标的可选方案的标准化响应属于区间。为了优化，这些响应在最大化时增加，在最小化时减少: 与为了使目标最大化，为了使目标最小化，是替代的规范化评估吗所有的目标。在这个公式中，线性关系到区间内的无量纲测度。最后采用普通排序法对方案进行排序。

3.结果和讨论

对各种性能特性的实验结果采用(3.)。表格10显示的值,在那里数字表示所有输出响应特性的标准化响应。通过使用（以下）计算输出特性之间的复杂合理性（4)。在此工作中，所有性能特征都是越小越好;因此为了优化输出响应被减去，它被列在表中10。采用简单的排序方法，找出最优的干滑参数组合。根据排序得到的结果代表了最佳的参数设置。用于寻找参数的最优组合的值为,,,。

3.1。最好的实验运行

每一水平的干滑动磨损参数减去的值的平均值可以通过平均减去的值来计算。对于施加荷载，1级试验编号为1 - 3,2级试验编号为4-6,3级试验编号为7-9。类似地，它是计算各自水平的应用荷载，滑动速度，wt.%的钢筋，和硬度的背面材料。减去的值越大，多响应特性越好。数字3.给出了不同水平干滑动磨损参数下的响应曲线。基于这项研究，人们可以选择一个水平的组合，提供最大的平均反应。在图3.，结合,,,显示各因子减去的值的最大值,,,,分别。因此,,,,滑动速度为3 m/s，滑动速度为20 wt。而58 HRC反面材料的硬度是红泥基铝基复合材料干滑磨损参数的最佳参数组合。

一旦确定了干滑动磨损参数的最佳水平，接下来的步骤是验证性能特性的改善。表格11给出了基于优化设置的验证实验结果。比较设定最佳参数的效果( )测试是根据初始因子水平设定( )。从表11结果表明，采用最优设置可以很好地提高输出性能。若最优设置随施载荷为10 kN，滑动速度为3 m/s, 20 wt。增强率%，并采用HRC为58的计数面材料的硬度，比磨损率从10×10下降⁻⁵到9.58×10⁻⁵，摩擦系数由0.440减小到0.41756。从表11研究表明，干滑磨损工况下的多性能特性得到了极大的改善。

3.2。最佳状态下的磨损表面分析

优化后的结果与赤泥增强金属基复合材料磨损表面的SEM显微图有关。在aluminum-20 wt。如图所示，在施加3 m/s滑动速度和58 HRC反面硬度时，掺量%的红泥钢筋表面明显出现细沟，少量处出现塑性变形4。由于暴露在磨损表面的赤泥颗粒，复合材料的比磨损率降低。这些投射的粒子在接触界面之间承担正常的载荷。这自动减少铝矩阵的负荷。因此，这些较硬的颗粒在一定程度上保护了铝基体的渐进磨损。通过荷载分担的方式，硬筋的存在限制了金属基体的表面变形。由于这个原因，随着赤泥质量分数的增加，磨损率得到了更高的降低。

从图5由于在磨损表面形成较大的凹槽，加载载荷的增加、材料表面硬度的降低和滑动速度增加了复合材料的磨损率。通过比较两个结果，还可以注意到增加了20 wt。%的强化可以改善氧化层的形成，从而降低复合材料在20 N载荷和3 m/s滑动速度时的比磨损率。

4.结论

本文报道了利用田口法结合MOORA优化红泥基铝基复合材料的干滑动磨损参数，同时考虑了复合材料的多种质量特性。

得出以下结论:(我)对于最低的特定磨损率，施加10 N载荷，滑动速度4 m/s, 25 wt。增强率为%，材料的HRC对面硬度为62。(2)摩擦系数最低时，施加10n载荷，滑动速度4 m/s, 15 wt。增强率为%，材料的HRC对面硬度为62。(3)通过分析平均减去值的响应图，可以发现，对于施加的荷载，减去值的最大值为20 N ()，滑动速度为3m /s ()，加固率20% ()，而台面材料的硬度为58 HRC ()。这是赤泥基铝金属基复合材料干滑动磨损可控参数的推荐水平，因为该参数同时考虑了比磨损率和摩擦系数的最小化。(iv)由方差分析可知，具体磨损率在很大程度上取决于钢筋的wt.%(31.79%)，其次是滑动速度(28.28%)、外加载荷(22.33%)和材料的反面硬度(17.58%)。(v)从方差分析表中还可以看出，复合材料的摩擦系数受外加荷载(67.17%)、加固率(5.05%)、反面硬度(14.22%)和滑动速度(13.23%)的显著影响。(vi)通过MOORA方法，观察了赤泥基铝基复合材料干滑动磨损参数比磨损率和摩擦系数的降低 达到最佳状态 。(七)研究还表明，通过MOORA方法，赤泥基铝基复合材料的干滑动磨损参数的耐磨性得到了显著提高。

参考资料

1. 林瑞平，“铝复合材料的磨料磨损-综述”，穿第201卷，不。1-2, 132-144页，1996。视图:谷歌学者
2. A. Alahelisten, F. Bergman, M. Olsson, S. Hogmark，《铝镁金属基复合材料的磨损》，穿第165卷第1期第221-226页，1993年。视图:谷歌学者
3. 《铝在汽车应用中的日益增加的使用》，r.r. Brown, m.s. Venice, r.a. Woods，《材料，第47卷第20-23页，1995年。视图:谷歌学者
4. S. Kumar和V.Balasubramanian，“开发一种评估AA7075 / SICP粉末冶金复合材料的磨损率的数学模型，”穿第264卷，no。2008年，1026-1034页，11-12。视图:出版商的网站|谷歌学者
5. "生产参数对粉末冶金Al-Al组织和耐磨性的影响"₂O_3.综合，”材料和设计第32卷，no。2，第1031-1038页，2011。视图:出版商的网站|谷歌学者
6. D. Huda, M. Baradie, M. S. J. Hashoni，“金属基复合材料的压实性能，”新兴金属，第86卷，第85-92页，1993年。视图:出版商的网站|谷歌学者
7. A. P. Sannino和H. J. Rack，“非连续增强铝复合材料的干滑动磨损:回顾与讨论”，穿第189卷，no。1-2，第1-19页，1995年。视图:谷歌学者
8. "摩擦学与机械性能之研究"₂O_3.-铸造或P/M法生产sic增强铝复合材料材料和设计第29卷，no。10，pp。2002-2008,2008。视图:出版商的网站|谷歌学者
9. 唐福华，吴欣华，葛等，“干滑摩擦磨损性能研究”₄C微粒增强Al-5083基复合材料"穿第264卷，no。7-8，第555-561页，2008。视图:出版商的网站|谷歌学者
10. 刘丽玲，李文伟，唐玉英，沈宝斌，胡文伟，“短碳纤维增强铝基复合材料的摩擦磨损性能”，国立中山大学机械工程研究所硕士论文。穿，第266卷，no。7-8，第733-738页，2009年。视图:出版商的网站|谷歌学者
11. P. K. Rohatgi, B. F. Schultz, A. Daoud，和W. W. Zhang，“含硅砂颗粒的A206铝合金的摩擦学性能，”摩擦学国际第43卷，no。1-2，第455-466页，2010年。视图:出版商的网站|谷歌学者
12. “碳化硅晶须增强铝复合材料的滑动磨损性能”，国立台湾大学机械工程研究所硕士论文。穿，第181-183卷，no。1995年，594-602页。视图:谷歌学者
13. Y. Sahin和K. Ozdin，“铝基复合材料的磨料磨损行为模型，”材料和设计第29卷，no。3，第728-733页，2008。视图:出版商的网站|谷歌学者
14. S. Basavarajappa, G. Chandramohan, J. Paulo Davim，“田口技术在研究金属基复合材料干滑动磨损行为中的应用”，材料和设计第28卷第2期4，第1393-1398页，2007。视图:出版商的网站|谷歌学者
15. 王建民，“灰色-田口法优化铝杂化金属基复合材料的摩擦学性能”，硕士论文。材料工程与性能杂志第20卷，no。8, 1457-1466页，2011。视图:出版商的网站|谷歌学者
16. M. Singh, B. K. Prasad, D. P. Mondal, A. K. Jha，“铝合金-花岗岩颗粒复合材料的干滑磨损性能”，摩擦学国际，卷。34，不。8，PP。557-567，2001。视图:出版商的网站|谷歌学者
17. 张元义，郑振中，吕富，朱宝刚，纪纪军，“赤泥/聚丙烯复合材料的力学性能与热性能”，国立台湾大学土木工程研究所硕士论文。复合材料学报第45卷，no。26, 2811-2816页，2011。视图:出版商的网站|谷歌学者
18. 布劳尔斯和扎瓦德斯卡，《MOORA方法及其在转型经济中的私有化应用》控制和控制网络第35卷，no。第445-469页，2006年。视图:谷歌学者
19. W. K. M.布劳尔斯和E. K.扎瓦德斯卡，“multimoora项目管理作为转型经济的工具”，科技经济的发展第16卷，no。1, 2010年5-24页。视图:出版商的网站|谷歌学者
20. V. S. Gadakh，“Moora方法在铣削过程中的参数优化中的应用”国际应用工程研究杂志，第1卷，第743-757页，2011。视图:谷歌学者

版权

版权所有©2013 S. Rajesh等人这是一篇开放获取下发布的文章知识共享署名许可，允许在任何媒体中不受限制地使用、发布和复制原创作品，只要原稿被正确引用。