通过半固态搅拌铸造工艺制备的SiC-B/4C增强AZ80混合复合材料的干滑动磨损行为

《Journal of Magnesium and Alloys》：Dry sliding wear behavior of SiC-B 4C reinforced AZ80 hybrid composites fabricated through a semi-solid stir casting process

镁基复合材料摩擦磨损性能研究：以AZ80合金为基体，添加不同质量分数的SiC（3%、6%、9%）和3% B4C，通过半固态搅拌铸造制备。结果表明，6% SiC +3% B4C复合材料的显微硬度达96.60 HV，摩擦系数最低0.48。磨损机制随载荷和速度变化：低载荷低速下以氧化、磨损为主，高速下转向塑性变形。微观结构显示，颗粒均匀分布细化晶粒，但高SiC含量导致孔隙率上升。摩擦系数降低得益于B4C表面形成的B2O3氧化膜，而9% SiC +3% B4C复合材料因自润滑层形成，在20N载荷下仍保持优异耐磨性。该研究为航空汽车轻量化部件开发提供理论依据。

　　在现代材料科学领域，轻量化材料的开发对于提升设备性能、降低能耗以及减少环境污染具有重要意义。镁合金因其密度低、比强度高、良好的铸造性能、高阻尼能力、优异的可加工性以及易于回收等特性，被视为一种极具潜力的轻质材料。然而，镁合金在实际应用中仍面临一定的挑战，特别是在其耐磨性方面。镁合金在干摩擦条件下容易发生磨损，特别是在与较硬材料接触时，导致表面变形、氧化以及材料流失，从而影响其使用寿命和可靠性。因此，通过添加陶瓷增强材料来改善镁合金的耐磨性能，成为当前研究的重点方向之一。

本研究旨在开发一种由SiC（碳化硅）和B?C（碳化硼）共同增强的AZ80镁基复合材料，并通过半固态搅拌铸造工艺进行制备。通过系统地分析不同施加载荷（10–20 N）和滑动速度（0.05–0.2 m/s）对复合材料磨损行为的影响，进一步探讨其在实际工程应用中的可行性。研究结果表明，SiC和B?C的添加显著提高了复合材料的硬度和耐磨性能，同时优化了材料的微观结构和表面特性。这些增强材料不仅增强了材料的强度，还通过形成保护性氧化层和摩擦层，有效减少了材料的直接磨损，提升了其在摩擦条件下的稳定性。

在实验过程中，研究者首先对AZ80镁合金的化学成分进行了分析，并确认其主要成分包括铝（Al）、锌（Zn）、锰（Mn）、硅（Si）、铜（Cu）、铁（Fe）、镍（Ni）以及镁（Mg）等元素。随后，通过购买商业化的SiC和B?C颗粒作为增强材料，并在半固态搅拌铸造过程中将其加入镁熔体中，形成均匀分布的复合材料。实验结果显示，随着SiC含量的增加，复合材料的硬度也随之提高，其中（AZ80 + 6% SiC + 3% B?C）的硬度达到了96.60 HV，成为研究中硬度最高的复合材料。同时，实验还发现，当SiC含量增加至9%时，由于颗粒聚集和空隙的形成，材料的硬度反而有所下降，表明增强材料的添加量对复合材料性能具有关键影响。

在磨损行为方面，研究团队采用Bruker TriboLab摩擦与磨损测试机，对未增强的AZ80合金和不同比例的SiC-B?C复合材料进行了干摩擦试验。结果显示，未增强的AZ80合金在10 N的载荷下表现出较高的摩擦系数（0.70），而（AZ80 + 9% SiC + 3% B?C）复合材料则表现出最低的摩擦系数（0.48），显示出其优越的摩擦性能。此外，摩擦系数的变化趋势表明，随着载荷和滑动速度的增加，摩擦系数整体呈现下降趋势，这可能与材料表面的塑性变形以及保护性氧化层的形成有关。

磨损率的分析进一步揭示了SiC和B?C对复合材料性能的改善作用。研究发现，随着载荷的增加，磨损率显著上升，这与Archard定律一致，即磨损率与材料硬度成正比。然而，当滑动速度增加时，磨损率却有所下降，这可能是由于摩擦过程中材料的塑性变形机制逐渐取代了磨粒磨损机制，从而减少了表面损伤。通过扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）对磨损表面进行表征，研究团队确认了氧化、磨粒磨损、剥离以及塑性变形是主要的磨损机制，其中氧化和磨粒磨损在低载荷和低滑动速度条件下尤为显著，而在高载荷和高滑动速度条件下，塑性变形成为主导机制。

在材料表征方面，研究团队通过光学显微镜、扫描电子显微镜和3D激光共聚焦显微镜对复合材料的微观结构和表面形貌进行了详细分析。结果表明，SiC和B?C的加入有效细化了AZ80合金的晶粒结构，提高了其致密性，并减少了表面缺陷。然而，当SiC含量过高时，颗粒聚集和空隙的形成可能会削弱材料的性能，因此在优化增强材料配比时需要权衡其对材料硬度和致密性的影响。此外，研究还发现，SiC与镁基体之间的结合强度较高，能够有效防止颗粒脱落，而B?C则可能在摩擦过程中更容易从基体中剥离，这进一步影响了材料的磨损行为。

本研究还探讨了复合材料在不同磨损条件下的表面变化。例如，在低载荷和低滑动速度条件下，复合材料表面出现较多的氧化层和磨粒磨损痕迹，而在高载荷和高滑动速度条件下，塑性变形和表面剥离成为主要的磨损机制。通过分析磨损后的表面形貌，研究团队确认了氧化层和摩擦层在材料表面形成的重要性。这些层不仅能够减少直接金属接触，还能通过降低摩擦系数和磨损率来提升材料的使用寿命。特别是（AZ80 + 9% SiC + 3% B?C）复合材料，其表面形成了较为致密的摩擦层，从而表现出卓越的耐磨性能。

从应用角度来看，SiC-B?C增强的AZ80复合材料在航空航天和汽车工业中展现出广阔的应用前景。这些复合材料可用于制造发动机部件、刹车系统、转向轴、外壳、变速器壳体以及活塞等关键组件，以满足对高强度和高耐磨性的需求。此外，由于镁合金的轻量化特性，这种复合材料在电子工业中也具有重要价值，例如用于制造轻质结构件和散热组件。研究结果表明，通过合理选择增强材料的配比，可以在保持材料轻质优势的同时，显著提升其在摩擦条件下的性能表现。

总体而言，本研究为镁基复合材料的开发提供了重要的理论依据和实验数据支持。通过半固态搅拌铸造工艺制备的SiC-B?C增强AZ80复合材料，在不同载荷和滑动速度条件下表现出优异的耐磨性和摩擦性能。其表面形成的氧化层和摩擦层不仅有助于减少磨损，还能够提高材料的使用寿命。此外，研究还强调了增强材料的均匀分布和界面结合对复合材料性能的关键作用。这些发现为未来开发更高效的镁基复合材料提供了方向，并有助于推动其在高端工业领域的应用。