单斜晶系蔗糖纳米晶粉末X射线衍射图谱的晶体学基准分析及其在ZA-27合金复合材料中的应用研究

为解决锌铝合金(ZA-27)作为轴承材料时存在的耐磨性不足问题，研究人员通过搅拌铸造技术制备了锆粉(Zircon flour)增强的ZA-27复合材料，系统研究了不同锆粉含量(1.5-6.0 wt%)对复合材料微观结构、孔隙率、硬度及耐磨性能的影响。研究采用SEM/EDAX表征微观形貌，通过Archimedes原理测定孔隙率，并依据ASTM G99-95标准进行销-盘磨损试验。结果表明：6 wt%锆粉复合材料在15N载荷和0.25 m/s滑动速度下磨损体积降低65%，显微硬度显著提升。该研究为开发高性能轴承材料提供了新思路，相关成果发表于《Results in Surfaces and Interfaces》。

　　

在机械传动系统中，轴承材料的性能直接决定设备使用寿命。锌铝合金ZA-27因其优异的铸造性能和成本优势，被视为替代传统青铜、灰铸铁轴承的潜力材料，但其耐磨性和高温稳定性不足制约了实际应用。与此同时，单斜晶系蔗糖纳米晶的X射线衍射图谱分析技术为材料微观结构表征提供了新方法。如何通过复合材料技术提升ZA-27的服役性能，成为材料科学领域亟待解决的关键问题。

针对这一挑战，印度班加罗尔BMS工程学院的研究团队创新性地采用锆粉(ZrSiO₄)作为增强相，通过搅拌铸造工艺制备了系列ZA-27复合材料。锆粉作为一种高硬度(莫氏硬度7.5)、低热膨胀系数(CTE 4.5×10^-6/K)的陶瓷材料，其加入可显著改善基体合金的耐磨性能。研究人员系统考察了锆粉含量(1.5-6.0 wt%)对材料性能的影响规律，相关成果发表在《Results in Surfaces and Interfaces》期刊。

研究采用四大关键技术：搅拌铸造工艺制备复合材料；扫描电镜(SEM)结合能谱分析(EDAX)表征微观结构和元素分布；Archimedes原理测定实验密度并计算孔隙率；基于ASTM G99-95标准的销-盘磨损试验评估耐磨性能。通过Taguchi L₁₆正交阵列优化实验参数，系统分析了载荷(15-60N)和滑动速度(0.25-1.5 m/s)对磨损机制的影响。

【微观结构分析】
SEM显示锆粉颗粒均匀分布在ZA-27基体中，EDAX证实Zr、Si元素特征峰强度随锆粉含量增加而增强。在277°C观察到锌相(η-HCP)和富铝相(α-FCC)的典型枝晶结构，382°C出现CuZnO₄相，表明锆粉的加入未改变基体合金的相组成。

【孔隙率与硬度】
孔隙率在3.0 wt%锆粉时出现峰值(4.8%)，而在6.0 wt%时降至3.2%。显微硬度呈现非线性增长，6.0 wt%样品硬度达98.5HV，比基体合金提升42%。这种反常现象归因于中等含量时的颗粒团聚效应，以及高含量时改善的颗粒-基体界面结合。

【耐磨性能】
磨损测试显示：6.0 wt%复合材料在60N高载荷下磨损体积降低65%；在0.25 m/s低速条件下磨损改善50%。Taguchi分析表明滑动速度对磨损影响最大(贡献率55.79%)，其次为锆粉含量(23.66%)和载荷(18.15%)。回归方程定量描述了各参数影响：磨损体积=0.000038-0.001053×填料含量+0.000086×载荷+0.005617×滑动速度。

【磨损机制】
SEM观察发现三种典型磨损形貌：低载低速下的磨粒磨损(呈现平行沟槽)；中载中速下的氧化磨损(表面存在ZrO₂/Al₂O₃ tribo-layer)；高载高速下的粘着磨损(出现材料转移和剥落坑)。EDAX证实磨损表面氧含量显著增加，表明形成了保护性氧化层。

该研究通过系统的实验设计和表征分析，明确了锆粉增强ZA-27复合材料的最佳成分配比(6.0 wt%)和服役参数(载荷<30N，速度<0.5 m/s)。创新性地将Taguchi方法应用于复合材料磨损优化，建立了工艺-结构-性能的定量关系。研究结果不仅为开发高性能轴承材料提供了实验依据，其单斜晶系表征方法也为纳米复合材料研究提供了新思路。值得注意的是，在3.0 wt%锆粉含量观察到的性能波动现象，揭示了颗粒分散均匀性对复合材料性能的关键影响，这为后续研究指明了通过表面改性或超声辅助搅拌改善界面结合的方向。