鋁-硅合金摩擦磨損性能研究現(xiàn)狀

劉家?guī)?黃照超 李 陽(yáng) 曹麗杰

上海工程技術(shù)大學(xué) 201600

鋁-硅合金摩擦磨損性能研究現(xiàn)狀

劉家?guī)?黃照超 李 陽(yáng) 曹麗杰

上海工程技術(shù)大學(xué) 201600

主要分析了鋁-硅合金在干摩擦和潤(rùn)滑狀態(tài)下的摩擦磨損機(jī)理，綜述了Al-Si合金摩擦磨損的研究狀況，總結(jié)了合金元素，半固態(tài)攪拌鑄造、表面熔化處理、形成Al基復(fù)合材料等對(duì)摩擦磨損的影響。

摩擦磨損；鋁-硅合金；磨損機(jī)理；合金元素

引言

鋁硅合金由于具有高的比強(qiáng)度、良好的機(jī)械性能，特別是磨損性能，低的熱擴(kuò)散系數(shù)、高的熱導(dǎo)率以及高的耐腐蝕性，在汽車工業(yè)得到廣泛關(guān)注。鋁硅合金主要用于汽車的零部件，如活塞、閥門、缸套等。鑄造鋁硅合金在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的使用比例從1950年的6%到2000年的23%。鑄造鋁硅合金的使用量也從1995年的8.5萬(wàn)噸到2000年的14.5萬(wàn)噸。鋁硅合金根據(jù)硅的含量的不同分為亞共晶（Si小于11%）、共晶（Si等于11～13%）、過(guò)共晶（Si大于13%）合金。在液態(tài)金屬凝固過(guò)程中，α-Al首先從亞共晶合金中析出，初晶硅從過(guò)共晶合金中析出，Si的含量決定著初生相。

由于硅的含量、晶粒分布、晶粒大小以及加入其它如Fe、Ni、Mn、Cu、Cr、V等過(guò)渡族金屬元素的影響與作用，Al-Si合金的摩擦磨損學(xué)行為有較大不同。國(guó)內(nèi)外專家進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，本文對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行了詳總結(jié)，為新型Al-Si合金的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 Al-Si合金摩擦磨損機(jī)理

1.1 干摩擦磨損

磨損是固體表面和其它表面做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)固體表面的物質(zhì)不斷損失，產(chǎn)生殘余變形或其它損傷。磨損形式分為粘著磨損、磨料磨損、表面疲勞磨損、腐蝕磨損。

圖1

粘著磨損是兩摩擦物體在法向力和切向力的聯(lián)合作用下，產(chǎn)生的金屬和金屬的直接接觸和塑性變形圖1a；磨料磨損是硬表面在軟材料上摩擦?xí)r切割作用引起的圖1b；腐蝕磨損是指摩擦?xí)r材料與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或者電化學(xué)相互作用的磨損圖1c；疲勞磨損是兩接觸表面在交變接觸應(yīng)力作用下，材料出現(xiàn)疲勞產(chǎn)生物質(zhì)的磨損現(xiàn)象。

鋁硅合金的磨損本質(zhì)在于當(dāng)赫茲應(yīng)力及其在亞表面引起的最大切應(yīng)力，超過(guò)α-A1基體的屈服強(qiáng)度或硅顆粒與基體的結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，在合金的表面和亞表面通過(guò)α-A1基體的開(kāi)裂、硅顆粒與基體的分離、硅顆粒的碎化等機(jī)制而出現(xiàn)裂紋的萌生、擴(kuò)展、斷裂，從而造成材料的磨損。

1.2 潤(rùn)滑摩擦磨損

用潤(rùn)滑劑減少兩承載表面之間摩擦磨損或其他形式的表面破壞的技術(shù)稱為潤(rùn)滑技術(shù)。潤(rùn)滑劑作用是將摩擦減小到最小，防止磨損。潤(rùn)滑一般可以分為：流體動(dòng)力潤(rùn)滑、混合潤(rùn)滑、邊界潤(rùn)滑。

德國(guó)學(xué)者斯特里貝克(Stribeck)研究了運(yùn)動(dòng)速度、法向載荷和潤(rùn)滑劑黏度等參數(shù)與摩擦系數(shù)間的關(guān)系，繪制成以下曲線，如圖2。

圖2 斯特貝克曲線與潤(rùn)滑類型

圖中h為油膜厚度，為摩擦副表面的復(fù)合粗糙度。由曲線可知，潤(rùn)滑類型隨著轉(zhuǎn)速、載荷和潤(rùn)滑劑黏度的變化而變化，潤(rùn)滑狀態(tài)可以從一種潤(rùn)滑狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種狀態(tài)，同時(shí)，表面粗糙度對(duì)潤(rùn)滑狀態(tài)也有一定的影響。

流體動(dòng)力潤(rùn)滑的運(yùn)動(dòng)阻力主要來(lái)自流體的內(nèi)摩擦，兩個(gè)滑動(dòng)表面的幾何形狀在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生收斂性油楔，形成足夠的承載壓力，將兩表面隔開(kāi)，降低摩擦磨損；邊界潤(rùn)滑表面存在一層很薄的吸附膜。

邊界潤(rùn)滑摩擦力可表示為：

式中：Ar是承載載荷的全部面積，τb是粘著點(diǎn)部分金屬的剪切強(qiáng)度，τf是邊界膜的剪切強(qiáng)度，α是承載面積內(nèi)發(fā)生經(jīng)書直接接觸部分的百分?jǐn)?shù)。

2 Al-Si合金磨損行為

2.1 Cu對(duì)Al-Si合金磨損行為的影響

Sharma[1]等人研究了Cu對(duì)過(guò)共晶Al-18%-0.5Mg干摩擦磨損行為的影響，結(jié)果表明，磨損率受到接觸載荷、滑動(dòng)速度、組成以及熱軟化特性的影響，過(guò)共晶Al-Si合金的磨損率沒(méi)有受到Cu的含量的影響。同時(shí)，Al-Si的增大，可以增大2m/s時(shí)的過(guò)渡載荷，當(dāng)Al-Si超過(guò)2%，并沒(méi)有則對(duì)過(guò)渡載荷沒(méi)有影響。Cu對(duì)磨損失重的影響見(jiàn)圖3。S.A.Kor[2]則在300度的高溫下進(jìn)行銷盤摩擦磨損試驗(yàn)，磨損率卻隨著接觸壓力、滑動(dòng)速度、滑動(dòng)距離的增加而增加，當(dāng)加入0.5%Cu時(shí)，高溫磨損率有所降低。

2.2 Si的含量和形態(tài)的影響

許多研究者認(rèn)為，在Al-Si合金中，當(dāng)Si含量達(dá)到共晶點(diǎn)12%時(shí)，可以增大磨損抗力，在其它參數(shù)不變的條件下，含硅量增大到20%，可增加過(guò)渡載荷。Sarkar[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)為，在接觸載荷較小時(shí)，過(guò)共晶合金和共晶合金的磨損率相同。但也有研究者認(rèn)為，金屬的磨損行為取決于Si顆粒的大小、形狀、分布，而不是Si的含量。共晶或初晶Si以微小圓球顆粒分布，多面體、針狀的Si，在基體變形過(guò)程中，Si易發(fā)生斷裂。

熱處理可以使Si的形態(tài)從板條狀向球形轉(zhuǎn)化，也可以使其彌散、細(xì)化分布。球化的Si晶體沿著晶界分布，在Si與Al基體界面裂紋形核或者Si的斷裂幾率大大減小，進(jìn)而對(duì)磨損行為產(chǎn)生影響。硅含量對(duì)磨損行為的影響如圖3。

圖3

圖4

2.3 其它合金元素的影響

A.K.Prasada Pao[4]向Al-7Si合金中加入晶粒細(xì)化劑（變質(zhì)處理）Al-1Ti-3B，Al-3B，Al-3Ti。磨損試驗(yàn)結(jié)果是，磨損率隨著晶粒尺寸和枝晶臂間距的減小而降低，磨損率不受晶粒細(xì)化劑的影響，而只取決于晶粒大小、枝晶臂間距和第二相（Al-7Si中的共晶Si）。

文獻(xiàn)[5]在ZL101合金中添加2%Cu，0.2%，0.1%V，0.2%Mn，RE0.8%。進(jìn)行了干滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)，由于合金元素在形成過(guò)程中起到了細(xì)化晶粒、去氫、除氧等凈化金屬的作用，組織中出現(xiàn)了Al2Cu、Al7（FeMnSi）3、Al6Cu3Ni等新相，這些新相起到了固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化的作用，添加合金后，合金硬度和高溫抗軟化能力增強(qiáng)，耐磨性好。Dheerendra Kumar Dwivedi[6]認(rèn)為合金中添加合金元素不僅能降低輕微氧化磨損的磨損率，而且增大過(guò)渡載荷。

魯鑫 分析了Bi對(duì)A390硅鋁合金摩擦磨損性能的影響，表明，Bi的熔點(diǎn)為270℃，在摩擦過(guò)程中容易熔化滲出，并在磨損表面形成Bi潤(rùn)滑膜而起到自潤(rùn)滑作用，從而降低合金的摩擦系數(shù)，改善其摩擦性能的穩(wěn)定性。

V.Abouei[8]，在LM 28合金中加入1.2wt.%Fe，在合金中形成針狀的β-Al5FeSi中間相，增大磨損率。在此基礎(chǔ)上，再加入0.6 w t% Mn，則使得針狀的β中間相轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙呅蔚?Al15(Fe，M n )3Si2相，從而減少了Fe對(duì)磨損抗力 的不利影響。

2.4 半固態(tài)攪拌鑄造的影響

T.V.S.Redd[9]分析對(duì)比了傳統(tǒng)的鑄造方法和攪拌鑄造獲得的Al-17%Si-0.3%Mg合金的摩擦磨損性能，攪拌鑄造細(xì)化了初晶硅，使其均勻分布，同時(shí)改變了共晶硅的形態(tài)。在相同的參數(shù)下，攪拌鑄造合金的磨損率低于傳統(tǒng)鑄造方法。

2.5 表面熔化處理的影響

V.Abouei采用TIG熔焊方法對(duì)添加1.2 wt.%Fe的LM 28合金進(jìn)行表面處理，表面溶化后，初晶硅和富Fe相得到細(xì)化，相在快速冷卻速度下，降低了形成溫度，縮短了形成時(shí)間。大的冷卻速度還可以二次枝晶臂間距，晶粒大小和體積分?jǐn)?shù)降低了40%和69%。此外表面熔化處理增大表面硬度。所以，表面處理后，摩擦抗力得到增強(qiáng)。

2.6 添加陶瓷顆粒，形成 Al基復(fù)合材料

在Al-Si合金中添加Al2O3、SiC、TiC、SiO2，形成A基復(fù)合材料。Uyyuru[10]在干摩擦條件下，研究了Al-Si/SiC復(fù)合材料的磨損行為，在磨痕表面形成了摩擦層。S.C.Tjong[11]等人向Al-12%Si合金中添加SiCp增強(qiáng)相，形成金屬基復(fù)合材料（MMC），磨損率隨著SiCp含量的增加而減小。SEM觀察磨損表面包括硬化層和變形層，由于SiCp顆粒的加入，MMC的硬化層明顯小于Al-12%Si合金。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)的不斷提高，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞材料提出了新的更高的要求。為提Al-Si合金的摩擦磨損性，從合金化、成形方式、復(fù)合增強(qiáng)、表面改性等方面研究仍然是提高Al-Si合金耐磨性的主要任務(wù)。

[1] Sharma Ashok. PhD thesis, Univ. of RajasthanJ, aipu r, India; 1991. p. 20 45.

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.21.042