赵赋等：原位转化C/A,O,陶瓷基复合材料的冲蚀磨损 ·1597· 伤，同时可降低复合材料的制备成本.前期实验结果 1800 70 证明-，采用真空热压烧结工艺可以制备原位生成 1600 -0一温度 碳纤维，并对氧化铝陶瓷基体起到良好的增韧效果 1400 一一压强 60 对于碳纤维增韧陶瓷复合材料虽然在摩擦磨损领域， 1200 50 尤其是滑动磨损方面，进行了大量的研究叨，但对浆 1000 体冲蚀磨损的研究还较少.本文通过对碳纤维原位 800 增韧氧化铝陶瓷基复合材料(C,/L,O,)进行冲蚀磨 600 损性能研究，探讨该复合材料的冲蚀磨损性能和磨 400 20 损机理，同时分析增韧纤维在冲蚀磨损过程中所起 200 10 的作用，为该陶瓷基耐磨复合材料制备工艺的改进 60 提供参考和试验数据，并指导原位转化C/AL,03复 120180 240 300 0 时间/min 合材料的应用 图2C/A山20：热压烧结工艺的温度制度和压力制度 1试验部分 Fig.2 Temperature and pressure of the hot-pressing sintering tech- nique for Cr/Al2O3 1.1试验材料 C,/AL,O3复合材料的制备流程如图1所示.通过 乎没有剥落，除了少量的团聚现象，大多能在基体上 前期试验结果5-a,选用纯度99.8%以上的2000目 均匀分布，与基体在界面处结合也较为紧密；AL,O Al,0,粉末作为基体材料，选定密度1.4g·cm3、长度 陶瓷基体颗粒之间结合较好，但在基体内部分布着 3~5mm、体积分数20%的聚丙烯腈(PAN)预氧化纤 大量的气孔，致密度不高.试验通过冲蚀磨损试验 维作为先驱纤维，同时加入体积分数3%的Ca0Mg0- 对两种材料的磨损性能进行测定，并分析其磨损 SO,系助熔剂.通过纤维分散、混料球磨后，采用上海 机理 晨华有限公司生产的ZT(Y)型真空热压烧结炉在一 表1试验材料的各项性能 定温度制度和压力制度下原位转化生成碳纤维增韧氧 Table 1 Properties of the tested materials 化铝陶瓷基复合材料.复合材料热压烧结工艺的温度 显微硬度/ 密度1 断裂韧性/ 材料 制度与压力制度如图2所示 (kN.mm-2) (g.cm-3) (MPa.m2) Al203 16.7 3.6 4.8 温度制度 顶氧化纤维分散下艺 C/Al2 O 15.2 3.7 6.3 混粉 热压 原位转化 AL0粉木 工艺 烧结 C/ALO, 1.2冲蚀磨损试验 GaO-Mg0-SiO,系助熔剂 采用MSH腐蚀磨损试验机进行试验，并根据实际 压力制度 工况与被测材料特性，对标准试样的尺寸以及装卡方 图1复合材料制备工艺流程图 式进行改进，从原本的棒状样改为块样，同时设计卡槽 Fig.1 Flow chart of the preparation process for the composites 对非冲蚀表面进行包裹，使用调节装置改变冲蚀角度 选用A1,03陶瓷作为对比材料.A1,03陶瓷是应 磨损试验机及自制卡具结构如图4所示.通过初步探 用最广泛的耐磨陶瓷，在众多磨损工况中得到实际应 究试验，改进后冲蚀磨损试验机重复性和稳定性满足 用.本次试验采用天地（唐山）矿业科技有限公司生产 试验要求. 的A山，0，质量分数95%以上的工业陶瓷，该陶瓷已用 使用以上设备进行冲蚀磨损试验，采用体积分数 于重介质旋流器内部的衬板材料. 20%、20目黑SiC(2800HV)与水作为冲蚀浆体，冲蚀 试验过程中将材料加工至尺寸20mm×10mm× 时间为2h,以冲蚀速度v和冲蚀角度a作为变量.通 8mm的块状试样，冲蚀表面(20mm×l0mm)为热压烧 过改变电机转速为700、900和1100r·min,即对应冲 结施压的受压面，并对其进行抛光.两种材料的力学 蚀速度为3.67、4.71和5.76m·s,带动试样在浆体 性能见表1.其中硬度是在受压表面（即冲蚀表面）的 中发生相对运动，以及向外旋转调节装置改变冲蚀角 测量结果：断裂韧性采用单边切口梁法(SENB)测定， 度为0°45°和90°进行冲蚀试验.将每次试验的四个 测试方向垂直于受压面.由表1中可知，C,/AL,0,的 试样调整至同一角度进行冲蚀磨损. 硬度有所降低，但断裂韧性比A山，0，高出约30%.采 冲蚀前后，清洗并烘干试样，采用精度为0.0001g 用Hitachi S-3400N型扫描电子显微镜观察冲蚀表面 的电子天平称重，计算冲蚀前后试样失重，由公式得出 原始形貌，如图3.C,Al20,表面上碳纤维经抛光几 体积冲蚀磨损率：赵 赋等: 原位转化 Cf /Al2O3 陶瓷基复合材料的冲蚀磨损 伤，同时可降低复合材料的制备成本． 前期实验结果 证明［15--16］，采用真空热压烧结工艺可以制备原位生成 碳纤维，并对氧化铝陶瓷基体起到良好的增韧效果． 对于碳纤维增韧陶瓷复合材料虽然在摩擦磨损领域， 尤其是滑动磨损方面，进行了大量的研究［17］，但对浆 体冲蚀磨损的研究还较少． 本文通过对碳纤维原位 增韧氧化铝陶瓷基复合材料( Cf /Al2O3 ) 进行冲蚀磨 损性能研究，探讨该复合材料的冲蚀磨损性能和磨 损机理，同时分析增韧纤维在冲蚀磨损过程中所起 的作用，为该陶瓷基耐磨复合材料制备工艺的改进 提供参考和试验数据，并指导原位转化 Cf /Al2O3 复 合材料的应用． 1 试验部分 1. 1 试验材料 Cf /Al2O3 复合材料的制备流程如图 1 所示． 通过 前期试验结果［15--16］，选用纯度 99. 8% 以上的 2000 目 Al2O3 粉末作为基体材料，选定密度 1. 4 g·cm － 3 、长度 3 ～ 5 mm、体积分数 20% 的聚丙烯腈( PAN) 预氧化纤 维作为先驱纤维，同时加入体积分数3% 的 CaO--MgO-- SiO2 系助熔剂． 通过纤维分散、混料球磨后，采用上海 晨华有限公司生产的 ZT( Y) 型真空热压烧结炉在一 定温度制度和压力制度下原位转化生成碳纤维增韧氧 化铝陶瓷基复合材料． 复合材料热压烧结工艺的温度 制度与压力制度如图 2 所示． 图 1 复合材料制备工艺流程图 Fig． 1 Flow chart of the preparation process for the composites 选用 Al2O3 陶瓷作为对比材料． Al2O3 陶瓷是应 用最广泛的耐磨陶瓷，在众多磨损工况中得到实际应 用． 本次试验采用天地( 唐山) 矿业科技有限公司生产 的 Al2O3 质量分数 95% 以上的工业陶瓷，该陶瓷已用 于重介质旋流器内部的衬板材料． 试验过程中将材料加工至尺寸 20 mm × 10 mm × 8 mm的块状试样，冲蚀表面( 20 mm × 10 mm) 为热压烧 结施压的受压面，并对其进行抛光． 两种材料的力学 性能见表 1． 其中硬度是在受压表面( 即冲蚀表面) 的 测量结果; 断裂韧性采用单边切口梁法( SENB) 测定， 测试方向垂直于受压面． 由表 1 中可知，Cf /Al2O3 的 硬度有所降低，但断裂韧性比 Al2O3 高出约 30% ． 采 用 Hitachi S-3400N 型扫描电子显微镜观察冲蚀表面 原始形貌，如图 3． Cf / Al2O3 表面上碳纤维经抛光几 图 2 Cf /Al2O3 热压烧结工艺的温度制度和压力制度 Fig． 2 Temperature and pressure of the hot-pressing sintering tech￾nique for Cf /Al2O3 乎没有剥落，除了少量的团聚现象，大多能在基体上 均匀分布，与基体在界面处结合也较为紧密; Al2O3 陶瓷基体颗粒之间结合较好，但在基体内部分布着 大量的气孔，致密度不高． 试验通过冲蚀磨损试验 对两种 材 料 的 磨 损 性 能 进 行 测 定，并 分 析 其 磨 损 机理． 表 1 试验材料的各项性能 Table 1 Properties of the tested materials 材料 显微硬度/ ( kN·mm － 2 ) 密度/ ( g·cm － 3 ) 断裂韧性/ ( MPa·m1 /2 ) Al2O3 16. 7 3. 6 4. 8 Cf /Al2O3 15. 2 3. 7 6. 3 1. 2 冲蚀磨损试验 采用 MSH 腐蚀磨损试验机进行试验，并根据实际 工况与被测材料特性，对标准试样的尺寸以及装卡方 式进行改进，从原本的棒状样改为块样，同时设计卡槽 对非冲蚀表面进行包裹，使用调节装置改变冲蚀角度． 磨损试验机及自制卡具结构如图 4 所示． 通过初步探 究试验，改进后冲蚀磨损试验机重复性和稳定性满足 试验要求． 使用以上设备进行冲蚀磨损试验，采用体积分数 20% 、20 目黑 SiC ( 2800 HV) 与水作为冲蚀浆体，冲蚀 时间为 2 h，以冲蚀速度 v 和冲蚀角度 α 作为变量． 通 过改变电机转速为 700、900 和 1100 r·min － 1 ，即对应冲 蚀速度为 3. 67、4. 71 和 5. 76 m·s － 1 ，带动试样在浆体 中发生相对运动，以及向外旋转调节装置改变冲蚀角 度为 0°、45°和 90°进行冲蚀试验． 将每次试验的四个 试样调整至同一角度进行冲蚀磨损． 冲蚀前后，清洗并烘干试样，采用精度为 0. 0001 g 的电子天平称重，计算冲蚀前后试样失重，由公式得出 体积冲蚀磨损率: ·1597·