Influence of spheroidised eutectic silicon on tribo-mechanical behaviour of centrifugally cast functionally graded aluminium composite

ABSTRACT

This study investigates the tribo-mechanical behaviour of centrifugally cast as-cast and T6 heat-treated A359/TiB₂ functionally graded composite (FGC). Linear reciprocating wear tests were performed on both composites under varying sliding distances (500-1500 m) and loads (15-55 N). A gradient TiB₂ particle distribution was observed from the outer to inner periphery (6, 2 and 1 wt % respectively) of the as-cast FGC, whereas the heat-treated FGC displayed spheroidised eutectic Si particles throughout the cross-section. This led to superior mechanical properties for the outer zone of heat-treated composite (188.7 HV, 286.1 MPa) when compared to the as-cast outer zone (147.5 HV, 243.4 MPa). The heat-treated composite had displayed enhanced tribological properties under reciprocating wear tests, and it was observed that both composites had exhibited a proportional increase in wear rate with increasing experimental parameters and with graded particle concentration, whereas the coefficient of friction (COF) was independent of the wear parameters and directly dependent on the TiB₂ concentration. The wear mechanisms observed were adhesive and minor delamination under high and low load conditions. The mechanically mixed layer presence was confirmed through wear debris analysis, due to which the COF was observed to be constant after 1250 m of sliding distance.

ABSTRAIT

Cette étude examine le comportement tribo-mécanique des composites bruts à gradation fonctionnelle (FGC) A359/TiB₂ coulés par centrifugation et traités thermiquement au T6. On a utilisé un tribomètre à aiguille sur plan pour effectuer des essais d’usure linéaires alternatifs sur les deux composites à des distances de glissement (500-1500 m) et de charges (15-55 N) variées. On a observé un gradient de distribution de particules de TiB₂ de la périphérie externe à la périphérie interne (6, 2 et 1% en poids respectivement) du FGC brut de coulée, alors que le FGC traité thermiquement affichait des particules de Si eutectiques sphéroïdales sur toute la section transversale. Ceci a conduit à des propriétés mécaniques supérieures pour la zone externe du composite traité thermiquement (188.7 HV, 286.1 MPa) par rapport à la zone externe du brut de coulée (147.5 HV, 243.4 MPa). Le composite traité thermiquement avait affiché des propriétés tribologiques améliorées lors des essais d’usure alternatifs, et l’on a observé que les deux composites avaient exhibé une augmentation proportionnelle du taux d’usure avec l’augmentation des paramètres expérimentaux et avec une concentration graduée de particules, alors que le coefficient de frottement (COF) était indépendant des paramètres d’usure et dépendant directement de la concentration en TiB₂. Les mécanismes d’usure observés incluaient l’adhésion et un délaminage mineur dans des conditions de charge élevée et faible. La présence de la couche mélangée mécaniquement a été confirmée par l’analyse des débris d’usure, grâce à laquelle on a observé que le COF était constant après 1250 m de distance de glissement.

KEYWORDS:

• Aluminium
• FGC
• reciprocating wear
• interfacial bonding
• spheroidised eutectic Si
• mechanical properties
• delamination
• mechanically mixed layer

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the author(s).

Additional information

Funding

This work was supported by Aeronautics Research and Development Board: [Grant Number ARDB/01/2031877/M/1].