粉煤灰对铝基复合材料磨损的影响

工程科学与技术，国际期刊20（2017）1318完整文章粉煤灰颗粒对铝基复合材料磨损的影响维平KSharmaa，b，R.C.辛格b，拉吉夫·乔杜里baMaharaja Agrasen Institute of Technology，Rohini sec-22，Delhi 110086，Indiab德里科技大学，Bawana Road，德里110042，印度阿提奇莱因福奥文章历史记录：2017年3月13日收到2017年7月6日修订2017年8月10日接受2017年8月18日在线提供关键词：搅拌铸造销盘复合铝粉煤灰A B S T R A C T本文研究了粉煤灰铝基复合材料的制备及其摩擦学性能。以铝为基体，加入不同比例的粉煤灰，制备出所需的金属基复合材料。采用搅拌铸造法制备了粉煤灰质量分数为2-4-6%的复合材料。本文对光滑铸铁盘与光滑金属基复合材料销之间形成的摩擦副进行了摩擦学分析，并利用销-盘装置研究了金属基复合材料的摩擦力和磨损。结果表明，在铝基体中加入6%（质量分数）粉煤灰的复合材料的磨损量最小（0.32 g），而加入4%（质量分数）粉煤灰的复合材料的摩擦系数最小（0.12）。©2017 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍金属合金和复合材料在汽车、飞机和相关工业中有着广泛与其组成母体材料相比，金属基质中使用的增强物影响材料的强度和耐久性目前的情况直接将机械领域及其研究与汽车和飞机工业联系起来 。 社 会 需 要 降 低 化 石 燃 料 （ 可 耗 尽 ） 的 消 耗 率 Mazaheri 和Shabani[7]，Shabani等人。[12]第10段。为了实现这一点，汽车的效率需要提高。这可以通过减少汽车的总重量来实现，汽车的主要部件是发动机和车架。铝合金目前被用于制造各种发动机部件。铝合金的局限性在于它很容易产生划痕和压痕。因此，需要制造一种铝基复合材料，其通过以限定的比例添加合适的增强材料而在本质上是耐磨的。铝基复合材料具有优异的承受拉伸力和压缩力的能力，Shabani和Mazahery[13]。研究一直在进行，试图将不同的增强材料加入铝合金中。*通讯作者：Maharaja Agrasen Institute of Technology，Rohini sec- 22，Delhi110086，India.电子邮件地址：vipin.dtu@ gmail.com（V.K.Sharma）。由Karabuk大学负责进行同行审查基体，以改善和增强复合材料的性能。对于复合材料的制造，铸造，粉末冶金，摩擦搅拌处理，球磨和热轧和真空热压是研究人员使用的一些技术。然而，铸造工艺由于其低成本和高生产率而被大量使用。Faraji等人[4]，Baghani等人[5]。[3]，Shabani et al.[14]，但基体金 属中 增强 颗粒 的簇 团和 结块 的形 成是 铸造 工艺 Mazahery 和Shabani[7]的主要问题之一。最近Shamsipour et al.[17]提出了一种用于制造复合材料的半固态金属（SSM）工艺已经进行了广泛的研究来研究铝金属基复合材料的磨损行为，因为与合金相比，它提供了更好的耐磨性。碳化硼Mazahery和Shabani[8]、Al2O3、TiC、SiC是最常用的金属基复合材料增强材料.最近，非金属组分如岩石粉尘颗粒、稻壳灰（RHA）、少层石墨烯（FLG）被用作增强体，并且这些都导致复合材料的机械性能的改善。Shamsipour等人[17]，Shamsipour等人[16]将TiC纳米颗粒增强到Al-Si合金基体中。TiC颗粒的加入提高了铝合金的硬度，从而降低了磨损率。Mazahery和Shabani[9]和Sha- bani等人。[14]使用Al-Si基质中的TiB2涂层B4C颗粒据作者报道，随着涂层B4C体积分数的增加，磨损率降低。一些铁零件-http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2017.08.0042215-0986/©2017 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchV.K. Sharma等人/工程科学与技术，国际期刊20（2017）13181319来自硬化钢盘的裂纹也转移到复合材料上。在Shamsipour等人[17]的另一项研究中，找到了复合铸造不同输入的最佳组合，并用于使用TiC颗粒作为增强体的铝金属复合材料的制造。Rahimipour等人[11]使用人工神经网络算法技术预测，与其他百分比的B4 C增强相比，Al-20%B4增 强 颗 粒 的 尺 寸 也 影 响 复 合 材 料 的 摩 擦 学 性 能 Tofigh 和Shabani[21]研究了不同尺寸的B4 C颗粒对铝复合材料的影响。在磨料磨损过程中，大尺寸的B4C颗粒具有更好的耐磨性. Al-B4C复合材料的表面 粗 糙 度 随 B4C 颗 粒 尺 寸 的 增 大 而 减 小 。 类 似 地 ， Shabani 和Mazahery[13]、Shabani等人[15]将不同体积百分比的Al2O3增强到铝基体中。Al2O3有助于降低磨损率，但在铝基体中加入Al2O3后，摩擦系数增大将105μ m量级的钢加工切屑以不同重量%Alaneme和Odoni[1]在铜基体中。据报道，随着钢屑的加入，铜的硬度、强度以及耐磨性得到改善。Kumar等人[5]通过熔融AA 5052与两种无机盐K2 ZrF6和KBF4的反应，开发了具有不同百分比（0、3、6、9和10体积%）ZrB2颗粒的Al 5052/ZrB2复合材料。结果表明，随着增强体含量的增加，复合材料的硬度和密度也随之增加。随着ZrB2含量的增加，复合材料的强度也有所提高，当ZrB2含量达到9%时，复合材料的强度开始下降。Sharma等人[18]专注于通过常规搅拌铸造路线生产用不同重量百分比的氮化硅颗粒增强剂的百分比在3重量%的阶段中从0重量%变化到12重量%随着氮化硅含量的增加，铝基复合材料的塑性降低，硬度和极限强度增加。最近，研究人员的重点一直放在非金属颗粒的使用上Prakash等人[10]采用粉末冶金技术制备了Al_2O_3 6061 T_6与岩粉颗粒的复合材料过量的岩粉颗粒降低了铝复合材料的硬度，但在10%范围内的低量有助于提高复合材料的耐磨性Shin和Bae[20]采用了球磨和热轧工艺相结合的方法来生产铝合金2024 Al （ 2024 ）与少层石墨（FLG）的复合材料。对研制的复合材料进行了显微组织和力学性能在7%vol的FLG下，铝显示出改善的拉伸强度性能。Sharma等人[19]关注石墨颗粒对Al 6082金属基复合材料微观结构的影响。采用传统的铸造搅拌法制备复合材料。在铝基体中添加石墨作为增强剂是不期望的，因为它降低了复合材料的硬度。Alaneme和Sanusi[2]对铝-石墨-稻壳灰（RHA）复合材料的硬度报告了几乎相同的发现。然而，0.5%石墨和高达50%的RHA的强度和韧性得到提高。作者还报告说，使用石墨成分的复合材料导致更大的磨损敏感性，然而，随着其从0.5 ~ 1.5%的耐磨性降低。基于先前的研究文章可以得出结论，金属以及非金属增强体被用于制造铝基复合材料。对于非金属增强，增强量通常非常低所以作为一种非金属加固材料-选择粉煤灰形式的填料作为铝基体的增强体。粉煤灰是发电厂燃烧煤粉时产生的副产品。通过空气吸入对人体有害。因此，通过观察有害影响并减少大气中的飞灰含量，决定以积极的方式使用飞灰来提高铝复合材料的机械性能。本文研究了粉煤灰含量对铝基体的影响，并提出了一种潜在的复合材料，用于各种机械应用，如发动机和轴承。2. 实验采用搅拌铸造工艺制备了金属基复合材料。搅拌铸造是在连续搅拌下熔化材料并立即将熔体倒入预制型腔中，然后冷却并使其固化的过程。在搅拌铸造中，颗粒往往倾向于形成附聚物，其只能通过在高温下剧烈搅拌来溶解。搅拌铸造装置（图1）由熔炉、坩埚和连接到电机的转子组成。将铝金属在加热至约900 °C的温度的坩埚中熔化，同时以2-4- 6重量%的固定比例在外部添加增强材料（粉煤灰）。借助于专门设计的搅拌器，在100 rpm的转速下，借助于转子将铝和粉煤灰混合以均匀混合。所使用的搅拌器具有95厘米的长度和具有锯齿角的正加号叶片每边90度。 搅拌器叶片的每一侧的长度各为9cm。将铝与飞灰的熔融混合物倒入所需尺寸的预定腔中。在随后的冷却和二次加工过程中，不同的试样进行磨损和摩擦系数的测试。分析了复合材料中不同元素的百分比，并在表1中表示。使用圆盘上的销装置（图2）测量磨损和摩擦力。对于销盘磨损试验，需要两个试样。一个是圆柱形销，它垂直于平的圆形计数器盘定位。在这项工作中，圆盘以一定的转速旋转，并通过带有配重的杠杆以指定的载荷将销试样压靠在圆盘上。磨损量通过在测试前后称量销试样来确定。使用直径为165 mm、厚度为8 mm的铸铁试样作为计数盘。在圆盘上使用了表面磨削和研磨工艺，使其光滑。在圆盘试样上获得的表面粗糙度值为0.2μ m Ra。采用铝粉煤灰复合材料作为销钉试件长度为30 mm，直径为10 mm。的底表面Fig. 1. 搅拌铸造设置表示。1320V.K. Sharma等人/工程科学与技术，国际期刊20（2017）1318表1各种样品中的元素百分比。表3用于实验的测试条件。元件样品1（低样品2（中等样品3（高S. 号测试条件值粉煤灰2%（重量）粉煤灰4%（重量）粉煤灰6%（重量）1.rpm600、780、1110Si9.90110.29610.352.载荷（N）19.6Fe1.2021.3131.22663.轨道直径（mm）七十，一百，一百三十Cu0.62840.67030.6944.针直径，高度（mm）十，三十Mg0.07230.0970.8765.圆盘直径、高度（mm）165，8Zn0.58410.60210.6366.滑动距离（m）2000Ni0.1060.11550.11577.温度（℃）28PB0.4000.31770.29378.湿度（%）50–60Al86.88686.35586.30图二. 销盘设置（a）前视图（b）顶视图。针也被制成光滑的。销规格的表面粗糙度为0.2μ m Ra。试验在干燥条件下进行，不使用任何润滑油。使用ASTM G99标准进行磨损试验实验的测试条件在表3中给出。使用重量差法记录样品的磨损量，对于该方法，使用具有最小磨损量的称重天平。表2销盘式机器规格。参数值盘速量程（rpm）传感器最小计数（rpm）200–2000驱动输出1负载参数范围（N）质量标准最小计数（N）0–20020 kg梁式称重传感器0.1机器参数范围（mm）传感器规格最小计数（lm）2LVDT，品牌：Syscon0.1磨损轨迹直径（mm）150使用了0.00001 g的计数。销盘式机器配备有用于获得摩擦力的摩擦传感器。摩擦力用于计算摩擦系数（见表2）。整个实验工作分三步完成，每一步用于复合材料的每个样品，并重复三次以确保准确性。在开始实验测试之前，用丙酮清洁盘和销表面。为了保持实验工作的相同输入参数，实验运行的持续时间、施加的载荷和圆盘的相对速度保持恒定。在第一步中，将具有低飞灰含量的样品1插入机器上适当设计的销保持器中。使盘以780 rpm旋转，并选择轨道直径为100 mm。使用自重施加的荷载为北纬19.6在第二步中，将具有中等飞灰含量的样品2安装在机器上，并且在600 rpm和19.6 N的载荷下选择轨道直径类似地，对于第三步骤，将具有高飞灰含量的样品3安装在70 mm的轨道距离处，在19.6 N的负载下，盘的转速为1115 rpm。每一个的总滑动距离保持在2000 m。3. 结果和讨论3.1. 表面分析铝基复合材料的性能取决于增强颗粒在基体中的均匀性增强颗粒的团聚和沉降导致复合材料的非均匀性。为了确定飞灰颗粒的分散和复合材料中孔隙率的存在，使用光学显微镜。对于光学显微照片，三个样品表面被适当地清洁的图3（a）. 低飞灰样品的显微照片。V.K. Sharma等人/工程科学与技术，国际期刊20（2017）13181321然后在显微镜下检查清洁的样品，并获得图像（图1和图2）。3（a）、3（b）、3（c））。可以看出对于所有样品，飞灰颗粒均匀地分布在氧化铝基体中。图图3（b）和（c）还表示飞灰颗粒随着它们的量增加的累积性质。随后对复合材料上的磨损区域进行了SEM分析，以了解复合材料在摩擦磨损试验期间的不同磨损机制。使用扫描电子显微镜（HITACHI E 3700N）在1000放大倍数下进行SEM分析。获得的不同样品的SEM图像示于图1A和1B中。4（a）4（b）4（c）。图5（a）5（b）5（c）表示三个样品上磨损区域的SEM图像。从图5（a）中可以看出，低粉煤灰含量试样的磨损表面有许多沟槽、楔形截面和犁沟，这清楚地表明了表面的磨粒磨损。在中等飞灰含量的样品中，这些凹槽、楔形部分和犁削也以非常有限的量可见。具有高飞灰含量的样品表明楔形部分、凹槽和犁削的量非常低，如图5（c）所示。磨损表面清楚地表明，飞灰含量有助于保持表面颗粒在一起，提高耐磨性。铝基复合材料的摩擦学性能通常是载荷、增强体颗粒尺寸、性质和体积分数的函数。复合材料的制造工艺路线也影响性能。图3（b）. 中等粉煤灰样品显微照片。图3（c）. 高粉煤灰样品的显微照片。图4（a）. 样品1（低飞灰含量）的SEM图像。图4（b）. 磨损试验后样品1（低飞灰含量）的SEM图像。用不同粉煤灰含量增强的铝复合材料的重量损失如图6所示，很明显，复合材料的重量损失随着复合材料中粉煤灰含量的增加而降低。铝基体中的粉煤灰能抵抗磨损试验的破坏作用，从而提高复合材料的耐磨性。对于样品1（2%飞灰）、样品2（4%飞灰）和样品3（6%飞灰），获得的磨损量分别为0.44 g、0.43 g和0.38 g。磨损的性质主要是磨蚀性的。摩擦系数相对于滑动时间作图在摩擦传感器的帮助下积累摩擦系数的数据（图2）。其通过计算机软件与圆盘机上的销连接。从图中可以看出。 7的摩擦系数是最大的样品具有高含量的粉煤灰的初始阶段和最低的样品具有中等含量的粉煤灰。据观察，与其他两个样品相比，中等粉煤灰含量样品中的摩擦系数较小。在复合材料中，复合材料中的增强材料支撑所施加的载荷，1322V.K. Sharma等人/工程科学与技术，国际期刊20（2017）1318图4（c）. 样品3（高飞灰含量）的SEM图像。图5（a）. 磨损试验后样品2（低飞灰含量）的SEM图像。图5（b）. 磨损试验后样品2（中等粉煤灰含量）的SEM图像。图5（c）. 磨损试验后样品3（高飞灰含量）的SEM图像。见图6。 低、中、高掺量粉煤灰试件的磨损变化。见图7。 摩擦系数随滑动时间的变化。销和盘表面之间的接触面积。因此，与样品1相比，样品2的摩擦系数较小，Lim等人[6]。从图7中还可以看出，随着粉煤灰含量从4%进一步增加到6%，摩擦系数随滑动时间增加。大量飞灰颗粒与计数盘接触，这些颗粒开始破坏自身，从而增加摩擦系数V.K. Sharma等人/工程科学与技术，国际期刊20（2017）131813234. 结论采用搅拌铸造法制备了不同质量分数（2%、4%和6%）的铝粉煤灰复合材料。从目前的研究工作中得出以下结论。1. 粉煤灰成功地用于制备铝基复合材料。2. 复合材料的光学显微结构表明，粉煤灰组分分散在整个铝基体。3. 复合材料的耐磨性随着粉煤灰含量的增加而提高与低粉煤灰含量的复合材 料相比，高 粉煤灰含量的 复合材料的磨损 减少了13.6%。4. 中等粉煤灰掺量（4%）试样的平均摩擦系数最小（0.12），高粉煤灰掺量（6%）试样的平均摩擦系数最大（0.161）。因此，粉煤灰在铝基体中的含量限制在4%以内。粉煤灰的加入量越大，摩擦副间的摩擦系数越大。确认作者要感谢印度德里理工大学KOM/DOM实验室的Rajesh Bohra技术人员。引用[1] K.K. Alaneme，B.U.张文龙，铜基复合材料的力学性能、耐磨性和耐腐蚀性，北京：机械工业出版社，2002。 国际技术杂志19（2016）15931599。[2] K.阿拉内梅湾陈晓，氧化铝、稻壳灰和石墨增强铝基混杂复合材料的微观结构特征、力学和磨损行为，工程。Sci. Technol. 一个国际 J. 18（2015）416422。[3] A. Baghani，A. Bahmani，P. Davami，N. Varahram，M.O.沈国忠，铝合金重力铸造中浇口设计对流场影响的数值研究，缺陷扩散。论坛 344（2013）4353。[4] A. Faraji，A. Bahmani，M. Goodarzi，S. 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