搅拌铸造锌铝合金中锆粉强化的磨损特性研究及田口法优化分析

为解决锌铝合金(ZA-27)作为轴承材料时磨损性能不足的问题，研究人员通过搅拌铸造技术将锆粉(ZrSiO4)以1.5-6.0 wt%比例强化ZA-27基体，结合SEM/EDAX表征和ASTM G99标准的销-盘磨损实验，系统研究了孔隙率、硬度与磨损性能的关系。研究采用田口L16阵列优化参数，发现6 wt%锆粉复合材料在15N/0.25 m/s条件下磨损量降低65%，揭示了氧化磨损-磨粒磨损的转变机制，为高性能轴承材料设计提供新思路。

　　

在机械传动系统中，轴承材料的表面与核心强度直接决定设备寿命。锌铝合金ZA-27因其优异的铸造性能和成本优势，逐渐成为青铜、灰铸铁等传统轴承材料的替代选择。然而，纯ZA-27在高速高负荷工况下易发生塑性变形和磨损，这成为制约其工程应用的瓶颈。以往研究多通过添加铜、硅等合金元素或热处理改善性能，但效果有限。近年来，陶瓷颗粒强化金属基复合材料(MMCs)展现出巨大潜力，其中锆粉(ZrSiO₄)因其高硬度(莫氏硬度7.5)、优异热稳定性和与金属基体的相容性备受关注。

针对这一挑战，BMS College of Engineering的研究团队创新性地采用搅拌铸造技术，将锆粉(1.5-6.0 wt%)引入ZA-27熔体，制备出系列复合材料。通过系统研究锆粉含量对材料微观结构、力学性能和磨损行为的影响，并结合田口实验设计优化工艺参数，为开发新一代高性能轴承材料提供了理论依据和技术路径。相关成果发表在《Results in Surfaces and Interfaces》期刊。

研究主要采用四种关键技术：1) 搅拌铸造法批量制备锆粉/ZA-27复合材料；2) SEM/EDAX分析微观形貌与元素分布；3) 阿基米德法测定孔隙率并结合混合定律计算理论密度；4) 基于ASTM G99标准的销-盘磨损试验，测试不同载荷(15-60N)和滑动速度(0.25-1.5 m/s)下的体积磨损量。

3.1 微观结构分析
SEM显示锆粉颗粒均匀分布于ZA-27基体，EDAX证实Zr、Si特征峰强度随锆粉含量增加而增强。在4.5 wt%样品中观察到最优的颗粒分散状态，而6 wt%样品出现轻微团聚，这与后续力学性能测试结果相呼应。

3.2 孔隙率与硬度分析
孔隙率在3.0 wt%锆粉样品中出现峰值(4.8%)，归因于颗粒聚集导致的致密化障碍；而硬度随锆粉含量单调递增，6 wt%样品达到最高值(128 HV)，比基体合金提升42%，证实陶瓷颗粒的强化效应。

3.3 磨损性能研究
田口L16实验设计表明：滑动速度对磨损量影响最大(贡献率55.79%)，其次为锆粉含量(23.66%)和载荷(18.15%)。最优参数组合(6 wt%锆粉、15N、0.25 m/s)使磨损量降低65%。磨损机制图谱显示：低速低载区以轻微氧化磨损为主，而高速高载区转变为严重磨粒磨损，SEM观察到明显犁沟和剥落坑。

3.4 磨损表面分析
EDAX检测到磨损表面氧含量显著升高，证实ZrO₂和Al₂O₃ tribo-oxide层的形成。6 wt%锆粉样品表面呈现连续氧化膜，这是其优异耐磨性的关键因素。

这项研究通过多尺度表征与田口法优化的有机结合，明确了锆粉强化ZA-27复合材料的构效关系。特别值得注意的是，3.0 wt%锆粉样品虽然硬度略低于1.5 wt%样品，但由于更优的颗粒分散性，其磨损性能反而提升，这揭示了界面特性对材料性能的关键影响。研究建立的磨损机制图谱为轴承材料工况选择提供了直接指导，而开发的搅拌铸造工艺参数对工业化生产具有重要参考价值。未来研究可进一步探索纳米锆粉强化及超声辅助铸造等技术，以突破现有性能极限。