時(shí)效時(shí)間對(duì)7075鋁合金摩擦磨損性能的影響研究

林 琛

福建工程學(xué)院材料科學(xué)學(xué)院 350001

前言

7075屬于目前國內(nèi)外廣泛使用的高強(qiáng)度超硬鋁，具有降低飛行器重量、提高飛行性能等優(yōu)勢(shì)，是航天航空領(lǐng)域廣泛使用的一種輕型結(jié)構(gòu)材料。然而，7075鋁合金的缺點(diǎn)在于硬度相對(duì)較低、化學(xué)活性高、粘性強(qiáng)，其耐磨和抗擦傷性能差，難于潤滑。特別是在常用的鋼-鋁摩擦副中，由于鋁和鋼之間存在較大的固溶度，因而以發(fā)生鋁向鋼的轉(zhuǎn)移，從而造成鋁件的嚴(yán)重磨損[1]。因而研究7075鋁合金的摩擦磨損行為對(duì)改善鋁合金的使用性能、使用環(huán)境，增強(qiáng)鋁合金的使用壽命尤為重要。

李廣宇[18]等人研究發(fā)現(xiàn)某些添加劑能提高7075鋁合金的潤滑性能，減小鋁合金的磨損。葛靈丹[19]等人研究發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，7075鋁合金的耐磨性下降。本課題對(duì)7075鋁合金進(jìn)行干摩擦往復(fù)運(yùn)動(dòng)下磨損試驗(yàn)，研究不同時(shí)效工藝對(duì)磨損性能的影響，和不同載荷、不同轉(zhuǎn)速、不同磨損時(shí)間下的磨損性能，并對(duì)其磨損機(jī)理進(jìn)行了探討。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)采用的是軋制態(tài)鋁合金，其成分如表1所示。

表1 7075鋁合金的成份

1.2 試驗(yàn)材料的熱處理

首先將試樣進(jìn)行SXL-1008箱式電阻爐進(jìn)行固溶處理，固溶溫度470℃，保溫30min后快速水淬。接著，進(jìn)行試樣的時(shí)效處理工藝。將水淬后的試樣逐個(gè)放入電阻爐進(jìn)行保溫，分別將試樣在120℃保溫8h，16h，24h，36h，48h。

1.3 摩擦磨損試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)前用金相砂紙對(duì)各試樣表面進(jìn)行研磨，拋光，用無水乙醇清洗試樣表面并吹干，保證在進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)時(shí)試樣受力和磨損均勻。

(2)將時(shí)效后的試樣在HSR-2M型高速往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上依次進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)置載荷為50N，轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)/分，磨損時(shí)間為20min。每一組參數(shù)的試驗(yàn)前都應(yīng)先用精密電子天平稱出試驗(yàn)前試樣的質(zhì)量，并記錄數(shù)據(jù)試驗(yàn)后再對(duì)試樣稱重并記錄磨損后的質(zhì)量數(shù)據(jù)，并記錄摩擦磨損過程數(shù)據(jù)。

(3)在J12-50體式顯微鏡下對(duì)表面的摩擦磨損形貌進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

摩擦磨損數(shù)據(jù)的比較中，我們可以得出時(shí)效時(shí)間對(duì)磨損量及摩擦系數(shù)影響變化的一般規(guī)律，其磨損量和摩擦系數(shù)都呈現(xiàn)了先降低后上升的趨勢(shì)。即在時(shí)效時(shí)間為16h和24h時(shí)，具有較低的磨損量與摩擦系數(shù)。摩擦系數(shù)在24小時(shí)峰時(shí)效的時(shí)候降低到0.4565。

表2 不同時(shí)效時(shí)間下磨損量與摩擦系數(shù)

7075合金在24h之后處于過時(shí)效，此時(shí)隨著時(shí)效時(shí)間的增長，其磨損量增多，耐磨性能愈差。7075鋁合金在120℃單級(jí)時(shí)效處理時(shí)鋁合金硬度的峰值是24h。

鋁合金在加熱、快速冷卻時(shí)，形成過飽和固液體。其中存在著大量的空位，因而加速了溶質(zhì)原子的擴(kuò)散速度。7075鋁合金在時(shí)效處理8h時(shí)，在晶體內(nèi)部的富集區(qū)開始從GPⅠ向GPⅡ轉(zhuǎn)變，過飽和固溶體種的富集溶質(zhì)原子逐漸從無序像有序轉(zhuǎn)變。因此，材料的硬度逐漸提高，比未進(jìn)行時(shí)效處理的具有更高的硬度，因此材料的耐磨性較好，磨損量顯著減小。

在經(jīng)過16小時(shí)時(shí)效處理后，其硬度已接近峰值，之后的硬度值緩慢增長，到24h時(shí)達(dá)到峰值[19]。7075鋁合金在時(shí)效處理16h后依然處于亞時(shí)效階段，此時(shí)隨著時(shí)效時(shí)間的增長，其硬度上升，因此磨損量下降，材料的耐磨性能愈好。隨著時(shí)效時(shí)間的延長，在軋制態(tài)鋁合金內(nèi)部，大量的Mg(Zn,Cu)2、Al3(Ti,Zr)以及Mg2Si的第二相，以及時(shí)效后形成的η、η/相，使得7075鋁合金在24h時(shí)效處理處于峰時(shí)效階段，此時(shí)材料的硬度最高，因此材料的耐磨性提高，摩擦系數(shù)減小。因此我們可以得出，7075鋁合金的耐磨性時(shí)效峰值與硬度時(shí)效峰值趨于一致。

圖1 7075鋁合金摩擦磨損形貌

圖1為7075鋁合金經(jīng)過時(shí)效處理后的摩擦磨損形貌。由圖中觀察發(fā)現(xiàn)，時(shí)效時(shí)間為16h和時(shí)效時(shí)間為24h的劃痕寬度相對(duì)較窄，磨損表面相對(duì)較暗；當(dāng)時(shí)效時(shí)間為48h時(shí)，劃痕寬度較大，磨損表面更為光亮，磨損破壞程度顯著增大。因此我們可知單級(jí)時(shí)效下，7075鋁合金在16h到24h之間達(dá)到峰值，在48h時(shí)破壞程度最大，處于過時(shí)效階段。

7075鋁合金納米析出相的彌散強(qiáng)化是AlZnMgCu合金的強(qiáng)化機(jī)制，合金硬度依賴納米析出相的形貌、大小、結(jié)構(gòu)及分布狀態(tài)。隨著時(shí)效時(shí)間由8h到24h轉(zhuǎn)變時(shí)，析出相分布均勻彌散，平均尺寸有所增長、增厚；從24h時(shí)效至48h時(shí)，析出相進(jìn)一步粗化長大，密度下降。因而在8h到48h的時(shí)效處理下，7075鋁合金的摩擦磨損性能在16h和24h之間達(dá)到最優(yōu)值，在兩端處摩擦磨損性能下降。

根據(jù)對(duì)摩擦磨損痕跡的深入分析，其磨損機(jī)制以氧化磨損為主。隨磨損時(shí)間的加長，摩擦過程產(chǎn)生的大量的熱來不及散出去，使粘著導(dǎo)致材料的脫落形成一層氧化物，試樣磨損表面的氧化物層不僅起到潤滑作用，而且有效地隔離了兩個(gè)摩擦表面，減少了金屬與偶件之間的直接接觸，在摩擦力的作用下，脆而硬的氧化層很 容易破碎，從而使基體金屬裸露出來，造成基體撕裂，氧化順著溝槽向內(nèi)部擴(kuò)散，磨損過程中就是薄而脆的氧化膜不斷剝落生成磨屑，由于無法及時(shí)排出而在磨損面來回碾壓，有的重新進(jìn)入摩擦副。而隨著磨損時(shí)間的增加，磨損試樣邊緣開始伴有微量的變形。

3 結(jié)語

（1）7075鋁合金在在時(shí)效時(shí)間為8h到16h時(shí)，處于亞時(shí)效階段，其磨損性能增強(qiáng)。在時(shí)效時(shí)間為24h到48h時(shí)，處于過時(shí)效階段，其磨損性能下降。在時(shí)效時(shí)間為16h到24h之間，達(dá)到時(shí)效峰值，其磨損性能最好。

（2）7075鋁合金的磨損機(jī)制主要是氧化磨損機(jī)制。