Al2O3顆粒增強共晶鋁錳基復合材料的腐蝕磨損性能

楊 唐，劉 炳，文 鋒，郭 璐，趙明露

（新疆大學 機械工程學院，烏魯木齊830008）

新疆地處沙漠干旱地區，河流、水庫的蒸發量較大，水質鹽化較快，容易形成高礦化度鹽堿水質，對材料腐蝕尤為突出[1，2］。而鋁錳合金具有優良的耐蝕性能，在一般情況下為全面腐蝕，常伴生著點蝕，在特定條件下，有剝蝕和晶間腐蝕傾向，還未發現這類合金有應力腐蝕開裂的傾向，鋁錳合金的耐蝕性能在大氣中和工業純鋁相近，在海水中與純鋁相同，在稀鹽酸溶液中的耐蝕性則比純鋁（99.5%）還好[3］。Al2O3顆粒增強鋁基復合材料具有質量輕、比強度與比剛度高、耐磨性卓越以及簡單經濟等很多優良性能[4－6］。目前國內外一般研究錳含量小于1.6%的變形鋁錳合金[7］，而本課題研究的節水灌溉過流部件需要一定的硬度和耐蝕性，所以本次實驗將試樣的錳含量提高到1.6%以上，鑒于鋁錳合金和Al2O3顆粒增強鋁基復合材料這兩者各自的優良性能，加之錳含量超過共晶點后會變脆，故探索Al2O3顆粒增強共晶成分鋁錳基復合材料，尤其對其在三種摩擦條件下磨損性能方面的比較研究以及對試樣的沖蝕性能分析在國內外鮮見報道。本工作主要比較鋁錳共晶合金及其復合材料的金相組織，并分析它們在三種不同摩擦條件下滑動摩擦磨損性能，以及在不同條件下的耐沖蝕性能。因為節水灌溉過流部件在實際工況下，一方面受到水流帶動沖擊粒子的沖蝕作用，另一方面還會與其他機械部件發生相互摩擦，所以將材料的耐磨性能和耐沖蝕性能結合起來研究就會更有應用價值。研究結果能夠為沙漠及戈壁公路全程綠化防護林的種植、沙漠治理、農林節水灌溉等耐磨蝕過流部件的開發提供理論基礎及技術參考。

1 實驗部分

1.1 試樣材料與制備

鋁錳合金是采用井式電阻爐熔煉，將A00純鋁放入石墨坩堝中待鋁錠熔化后，升溫至860℃，扒渣后加入錳碎粒，連續攪拌5min后再加入0.3%的MnCl2除氣、精煉，降溫至760℃，澆入鑄鐵模具中獲得試樣。鋁錳基復合材料的制作工藝是將A00純鋁放入石墨坩堝中，待鋁錠溶化后升溫至900℃，扒渣后加入錳碎粒，連續攪拌5min后加入5%工業超細的Al2O3增強體，然后用碳硅棒攪拌10min，后續步驟同上。摩擦實驗試樣尺寸為8mm×8mm×30mm，沖蝕實驗試樣尺寸為8mm×8mm×60mm。所有試樣都經退火處理，其工藝是300℃下保溫1h后隨爐冷卻。

1.2 實驗方法

摩擦磨損實驗在室溫下于M－2000型摩擦磨損實驗機上進行，磨損時間為42min，共運行8408轉，相對滑動線速度為0.375m／s，分別在20，50，80，110，140 N的載荷下進行實驗。摩擦副材料用淬火45鋼，表面硬度為48HRC，外徑d為40mm。在干滑動摩擦實驗中，將試樣裝卡后壓在摩擦副表面進行實驗。在濕滑動摩擦實驗中，試樣上方放一盛滿腐蝕液體的漏斗，腐蝕液流量為60～70滴／min。該實驗中用到兩種摩擦介質：一種是腐蝕液，腐蝕液是模擬新疆西克爾水庫實際成分配制的水體成分，pH值為8.2，水化學類型為SO4·Cl－Na·Ca·Mg型，礦化度為5.607g／L；另一種介質是在該腐蝕液中再添加磨粒，磨粒加入量為1%，磨粒是根據新疆阿爾泰山、天山和昆侖山等三大山系中酸性巖石化學成分配制[1，8］，成分為 SiO2和Al2O3，其質量比為7∶3，粒度為0～0.053mm。在實驗前先后用丙酮與95%乙醇對試樣進行清洗，吹干后用精度為0.1mg的TG328A型分析天平進行稱重，實驗過程中讀出摩擦因數，實驗后進行同樣的清理，再用天平稱重，記錄數據并計算出磨損量；另外，每個試樣實驗前后都要測量摩擦副的直徑和質量。采用X射線衍射儀（XRD）分析試樣的相組成，并用LED－1430VP型掃描電鏡（SEM）觀察實驗后材料的磨痕形貌。

沖蝕磨損實驗是采用MSH型沖蝕磨損實驗機，實驗機旋轉圓盤上對稱開有夾持試樣孔。分別在四種沖蝕磨粒的粒度（0～0.053mm，0.053～0.106mm，0.106～0.15mm，0.15～0.212mm）下進行實驗，實驗中磨粒的加入量為1%，其主軸轉速分別為334r／min和673r／min，相對線速度分別為3.5m／s和7m／s，沖蝕角為45°，室溫下連續沖蝕磨損20h。用掃描電鏡（SEM）及能譜儀（EDS）分析沖蝕形貌。對實驗前后試樣的清洗與稱重、腐蝕介質和磨粒的模擬同上。另外與靜液腐蝕實驗不同，沖蝕實驗后不必針對試樣表面的腐蝕產物做專門的清理，這是因為實驗過程中表面腐蝕產物一般會被攜帶磨粒的液流沖擊掉，當然這與沖蝕速度的大小關系密切。試樣的最終沖蝕失重是由腐蝕產物的形成速率和試樣受沖擊的失重速率共同決定，因此沖蝕速度對試樣的失重率影響的實驗顯得很有意義。

2 實驗結果與討論

2.1 金相組織分析

鋁錳合金的共晶點為錳含量1.95%，下面研究共晶成分附近的鋁錳合金及其復合材料。由圖1所示，鋁錳合金由鋁錳固溶體、鋁錳化合物MnAl6及Al11Mn4相組成；復合材料是由鋁錳固溶體、鋁錳化合物MnAl6及Al11Mn4相以及Al2O3顆粒增強相組成。圖1（b）中在44，65，78°附近 Al的衍射峰強度明顯要比圖1（a）中相應位置高，對比標準卡可知44°和78°位置屬于Al標準圖譜的三強峰，更說明復合材料含有的鋁錳固溶體比合金多，硬脆的MnAl6及Al11Mn4化合物就相應減少。

鋁錳共晶合金及其復合材料的硬度（HBS）分別為25.5和27.1，圖2（a）中分布著大量棒狀的鋁錳化合物，圖2（b）中含有均勻分布的細網狀鋁錳化合物和彌散分布的Al2O3顆粒，說明Al2O3顆粒的加入改變了鋁錳化合物的形態。這是由于Al2O3顆粒在各共晶相的分配系數有差異，它可以與固－液界面前沿發生相互作用。研究發現Al2O3顆粒通常會遠離鋁錳固溶體形核的地方[6］，故Al2O3顆粒在其固－液界面前沿富集較少，沒有阻礙其長大速度，同時Al2O3顆粒相應就在鋁錳化合物MnAl6及Al11Mn4相的固－液界面前沿富集較多，將阻礙該相的繼續長大，由于搭橋作用，落后的一相將被長大快的一相分隔為網狀組織[9］。

2.2 摩擦磨損失重分析

首先，摩擦實驗中摩擦副在每個試樣實驗前后的直徑和質量幾乎沒有變化。這是由于摩擦副的表面硬度為48HRC，明顯高于鋁錳合金HBS25.5及Al2O3顆粒增強鋁錳基復合材料HBS27.1的硬度，這將不會影響各個試樣磨損量的可比性。試樣在不同摩擦條件下磨損失重如圖3所示。

圖3 磨損量隨載荷變化的關系曲線Fig.3 Variation of mass loss with load

在三種摩擦條件下，復合材料的磨損量都比合金小，說明Al2O3顆粒的加入增加了材料的耐磨性；隨著載荷的增大，試樣的磨損失重都增大，因為在載荷的作用下，試樣表面及其次表面受應力而產生裂紋并擴展，進而形成碎片最后剝落，增大載荷就加速了這個過程，從而增大磨損量；另外，試樣在僅有腐蝕液條件下的磨損量最大，腐蝕液加磨粒條件下次之，干摩擦條件下最小。

腐蝕磨損通常是由于腐蝕與磨損交互作用而發生的，可以將腐蝕磨損造成的材料損失量表示為[10－12］：

式中：WTotal為腐蝕磨損造成材料的總損失量；W1為單純的腐蝕失重；W2為單純的磨損失重；ΔW 為腐蝕與磨損交互作用產生的失重；ΔW1為磨損對腐蝕的加速量；ΔW2為腐蝕對磨損的加速量。

干摩擦的磨損量為W2，在僅有腐蝕液條件下的磨損量就是W1＋W2＋ΔW，故在僅有腐蝕液條件下的磨損失重比在干摩擦條件大。

人們一般按常識想象磨粒將增加磨損量，實驗結果表明事實并非如此，試樣在僅有腐蝕液介質下的失重要比在腐蝕液加磨粒條件下大，主要有以下原因：

1.5 統計學處理 采用SPSS 19.0 統計軟件進行數據處理。服從正態分布的計量資料以表示，組間比較采用t檢驗；計數資料的比較采用χ2檢驗；等級資料采用秩和檢驗。檢驗水準(α)為0.05。

第一，Archard方程適用于較大范圍的摩擦磨損情況，其表達式為[13］：

式中：v是材料被排出的體積；kabr為磨損系數；Wx為所加載荷；H為材料硬度。磨粒磨損可分為兩體磨粒磨損和三體磨粒磨損，三體磨粒磨損的磨損系數kabr比兩體磨粒磨損小，因為許多磨粒都傾向于滾動而非滑動[13，14］。故在其余條件都相同的情況下，加入自由磨粒反而減少磨損量。

第二，實際的金屬表面存在許多微凸體，摩擦過程中微凸體相互接觸對表面產生連續塑性剪切作用，這種連續塑性剪切將沿著滑移線產生裂紋并擴展，經過一定循環之后，沿著裂紋的擴展軌跡就分離出碎片[14］，在實驗中磨粒處在摩擦副和試樣之間，在摩擦過程中減輕金屬之間的接觸，削弱了界面的黏著作用，從而減輕了對試樣的黏著磨損，減少了磨損失重。

磨粒的加入減少了試樣的磨損，磨損對腐蝕的加速量ΔW1減少，同時腐蝕對磨損的加速量ΔW2也減少，由腐蝕與磨損的交互作用產生的磨損量ΔW 就減少，磨粒對單純的腐蝕磨損沒有影響，磨損量仍為W1。可以設單純三體磨粒磨損失重為W2′，交互作用產生的磨損量為ΔW′，那么試樣在腐蝕液加磨粒條件下的總損失量為W1＋W2′＋ΔW′。也進一步說明試樣在腐蝕液加磨粒條件的失重比僅有腐蝕液介質的失重小，即W1＋W2′＋ΔW′＜W1＋W2＋ΔW。

根據上文的分析：腐蝕液介質增加磨損失重，而磨粒的存在減少磨損失重。因此需要討論兩者對磨損失重的影響。

腐蝕液的水化學類型為SO4·Cl－Na·Ca·Mg型，試樣對溶解在腐蝕液介質中的Cl－最敏感，這是因為Cl－既能夠納入氧化膜直接參與基體的溶解反應，隨著Cl－濃度增加，點蝕將呈線性增長，在試樣表面將產生以下反應[15］：

尤其是在高載荷的狀態下，摩擦熱的產生將加快上述反應的進行，這也說明了圖3中為什么在有腐蝕液介質的四條曲線的高載荷段磨損量增幅會變得略大。

本次實驗模擬新疆西克爾水庫實際成分配制的腐蝕液介質的Cl－濃度比較高[1］，腐蝕液對試樣的腐蝕磨損作用大于磨粒對磨損失重的削弱作用，那么試樣在有腐蝕液加磨粒條件下的磨損失重要比在干摩擦條件下大。

2.3 摩擦因數分析

從圖4可以看出：兩種材料的摩擦因數都是在僅有腐蝕液條件下最大，在有腐蝕液加磨粒條件下次之，在干摩擦條件下最小。這是由于腐蝕磨損的交互作用使得表面更加粗糙，故它們的摩擦因數要比干摩擦條件下大；同時磨粒的滾動作用也降低了摩擦因數。但在僅有腐蝕液條件下摩擦過程開始時摩擦因數卻是由低到高，這是由于在開始階段摩擦熱很少，腐蝕反應進行緩慢；而在腐蝕液加磨粒條件下的開始階段摩擦因數是由高到低，其實這時的腐蝕反應同樣緩慢，但由于開始階段試樣沒有產生一定的摩擦弧面，讓磨粒沒有滾動的空間，而是快速地從極小的弧面上滑動，故增大了摩擦因數，隨著一定摩擦弧面的產生，磨粒很快擁有了滾動空間，摩擦因數降低；在干摩擦條件開始時摩擦因數由高到低，是由于磨屑的產生起到了滾動作用，降低了摩擦因數，而在僅有腐蝕液條件下的開始階段，摩擦熱逐漸產生、腐蝕反應逐漸加快才是其主要趨勢。圖4（b）的摩擦因數總體上比圖4（a）小且更平穩，說明Al2O3顆粒增強相能夠提高材料的耐磨性能。

圖4 鋁錳共晶合金（a）及其復合材料（b）在140N載荷下摩擦因數隨摩擦行程變化的關系曲線Fig.4 Variation of friction coefficient with sliding distance in 140NAl－Mn eutectic alloy（a）and its composite（b）

2.4 摩擦磨損形貌分析

圖5（a），6（a）都是磨粒磨損和黏著磨損的綜合結果，圖5（a）比圖6（a）磨損痕跡更明顯；圖5（b）比圖6（b）有更寬、更深的犁溝；圖5（c）比圖6（c）有更多由黏著作用產生的凹坑。說明Al2O3顆粒增強相的加入增強了材料的耐磨性。圖5（b）比圖5（a）的犁溝更深，進一步證明了腐蝕磨損的交互作用是磨損失重的主要方面；圖5（c）比圖5（b）有更多的凹坑，也進一步證明了磨粒的加入減輕了界面的黏著作用，從而減少了磨損失重。這也符合了圖4（a）中三種摩擦條件下整個摩擦行程結束前最后一刻摩擦因數大小的關系。再將圖6（a）與圖6（b）、圖6（b）與圖6（c）分別比較，分析同上。

2.5 沖蝕磨損失重分析

從圖7可以看出：兩種材料在7m／s下的失重率均大于3.5m／s時的失重率，這是由于沖蝕速度增大，粒子的沖擊能量增大，試樣失重率增大。又發現復合材料的失重率要比合金小，主要由于復合材料中存在A12O3顆粒增強相，它的硬度和剛度比合金要高，會承受一部分粒子的沖擊和切削，對材料起到了保護作用。

在7m／s下，隨著粒徑的增大，失重率呈現出先增大后減小的趨勢。“先增大”是由于物體的動能大小由物體的質量和速度共同決定，當沖蝕速度一定的時候，粒徑增大，沖擊能量越大，磨損率增大；“后減小”這是由于磨粒SiO2，A12O3顆粒的密度均遠大于溶液密度，由斯托克斯公式[16］：

式中：v—下沉速度；g—重力加速度；r—球形雜質半徑；ρ1—溶液密度；ρ2—雜質密度；η—動力黏度。

隨著磨粒粒徑的進一步增大，磨粒下沉速度在逐漸增大，能對材料造成有效沖蝕磨損的粒子數量明顯降低，從而導致兩種材料的失重率逐漸減小。

而在3.5m／s下，隨著粒徑的增大，失重率逐漸減小。相比7m／s，由于速度較低，較難將粒子懸浮，下沉作用更明顯，磨粒下沉速度隨粒徑的增大而逐漸增大，失重率逐漸減小，就沒有了7m／s下“先增大后減小”的現象。一般看來，試樣在沖蝕實驗后重量一定會減少，然而在0.15～0.212mm粒徑下實驗的復合材料就出現了“零失重率”，合金出現“增重”現象。主要原因在于：一方面，在0.15～0.212mm粒徑下實驗，粒子大量下沉，很少有懸浮粒子對試樣進行沖擊；另一方面，試樣在Cl－的作用下產生點蝕具體化學反應式同（4）～（7），反應產物有 Al（OH）3，由于沖蝕粒子的撞擊減少，便會有Al（OH）3附著在表面。即腐蝕產物的形成速率比失重速率快，從而發生“增重”現象。

圖7 磨損率隨磨粒粒徑變化的關系曲線 （a）7m／s；（b）3.5m／sFig.7 Variation of wear rate with particle size （a）7m／s；（b）3.5m／s

2.6 沖蝕形貌分析

圖8（a）中試樣表面有“白斑”，對A處“白斑”做能譜點掃，結果如圖9，主要含有O元素和Al等元素，它們便是材料發生點蝕后遺留的腐蝕產物，而圖8（b）中僅有大量的沖蝕凹坑，進一步證明在沖蝕速度小和粒徑大的情況下，腐蝕產物的形成速率比失重速率快，這就是“增重”發生的原因。圖10（a）中也有極薄的一層細小的腐蝕產物，而圖10（b）中部分區域比較平整，只有少量的沖蝕凹坑，說明沖蝕速度小和粒徑大時腐蝕產物的形成速率與失重速率相當，故出現“零失重”現象。由上述分析說明7m／s下的沖蝕失重率比3.5 m／s大，復合材料比合金的耐沖蝕性能更佳。

圖8 鋁錳共晶合金在0.15～0.212mm粒徑下實驗的沖蝕形貌SEM 照片 （a）3.5m／s；（b）7m／sFig.8 SEM morphologies of the eroded surface of Al－Mn eutectic alloy in 0.15－0.212mm particle size（a）3.5m／s；（b）7m／s

圖9 圖8（a）A處的EDS譜Fig.9 EDS pattern of A point in fig.8（a）

3 結論

（1）鋁錳共晶合金由鋁錳固溶體和棒狀的鋁錳化合物組成，其復合材料中含有鋁錳固溶體、均勻分布的細網狀鋁錳化合物以及彌散分布的Al2O3顆粒增強相。

（2）鋁錳共晶合金及其復合材料的磨損失重和摩擦因數都在僅有腐蝕液條件下最大，在有腐蝕液加磨粒條件下次之，在干摩擦條件下最小；兩種材料在僅有腐蝕液條件比在腐蝕液加磨粒條件有更多的凹坑，在腐蝕液加磨粒條件比干摩擦條件有更深的犁溝。

圖10 Al2O3 顆粒增強共晶成分鋁錳基復合材料在0.15～0.212mm粒徑下實驗的沖蝕形貌SEM 照片 （a）3.5m／s；（b）7m／s Fig.10 SEM morphologies of the eroded surface of Al－Mn eutectic alloy reinforced by Al2O3particle in 0.15－0.212mm particle size （a）3.5m／s；（b）7m／s

（3）在7m／s的沖蝕速度下，隨著粒徑的增大，兩種材料的沖蝕失重率均呈現出先增大后減小的趨勢；在3.5m／s下，隨著粒徑的增大，試樣的失重率逐漸下降，并在0.15～0.212mm粒徑下復合材料出現“零失重率”，合金試樣出現了“增重”現象。

（4）腐蝕液中摩擦磨損與沖蝕磨損機理的共同點是它們都存在交互作用增大失重量。不同點在于前者是腐蝕與摩擦交互作用增加磨損；后者是沖蝕粒子的撞擊與腐蝕液的腐蝕協同作用增加材料失重量，速度低時缺少粒子的撞擊，就可能發生“零失重率”或“增重”現象。

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