增強鎂合金耐磨性研究方法的總結

尹鵬躍　張嘉璐　王云樂　李煜

摘 要：鎂合金是目前實際生產應用中最輕的金屬材料，具有密度小，比強度和比剛度高，阻尼性、切削加工性和鑄造性能好等優點。因此，鎂合金產品越來越多的用于汽車、通訊和航天工業中。

關鍵詞：鎂合金 摩擦 磨損

中圖分類號：TG146 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（c）-0024-01

Abstract：High specific stiffness，damping，the advantages of machining and foundry properties etc.Therefore， magnesium alloy products are used more and more in the automotive，communications and aerospace industries.

Key Words：Magnesium Alloy；Friction；Wear

但由于鎂合金及鎂基復合材料零部件在使用過程中因相對運動不可避免地與其他材料接觸并產生摩擦磨損，而其耐磨性較差，在汽車發動機零部件上的應用受到一定限制[1]。為了改善鎂合金的性能，學者們通過對鎂合金進行不同方法的處理，來尋找可以提高鎂合金性能的方法。該文總結了目前對提高鎂合金摩擦磨損性能研究的一些成果，并提出了一些新型研究技術。

1 鎂合金的摩擦磨損

鎂合金的摩擦磨損大致可分為4個階段：較低載荷，產生磨粒磨損，氧化磨損，此時在犁溝中分布有大量坑狀剝落；較高載荷，產生剝層磨損，此時出現唇邊及裂紋現象；高載荷，產生粘著磨損，此時犁溝更加平滑，磨損表面較為光滑；更高載荷，產生熔融磨損，輔以粘著磨損進行，此時犁溝表面十分光滑，可看到嚴重塑性變形現象。

常見的鎂合金有Mg-Al-Zn系、Mg-A1-Si系和稀土鎂合金，它們都表現出了良好的力學性能和耐熱性，在摩擦磨損過程中有一定的承載能力，磨損之后的熱穩定性也較好。

Mg-Al-Zn系合金主要有Mg-3A1-1Zn（AZ31）和Mg-9Al-1Zn（AZ91）等。AZ91鎂合金相比AZ31鎂合金的耐高溫和耐磨性要好一點。根據劉英[2]等的研究，AZ91鎂合金在較高載荷（150～200 N）下，出現了塑性變形和剝落塊。而據趙旭[3]等的研究，AZ31鎂合金在中等載荷（75～100 N）時，磨損表面就出現了大塊狀磨屑剝落。

Mg-A1-Si系合金主要有AS41 （4.50%A1、0.31%Mn、1.53%Si、Mg余量）和AS21（2.0%A1、0.70%Si、0.20%Zn、0.36%Mn、Mg余量）。Mg-A1-Si系合金的耐熱性要好一點，主要用于汽車發電機支架和空冷發動機曲軸箱上的風扇腔等。據林強[4]等的研究，AS41鎂合金主要由基體（α-Mg相）和第二相（Mg17Al12、Mg2Si和MgO）組成，在200 ℃時除伸長率較室溫時有所增加外，抗拉強度和屈服強度均比室溫時顯著下降，摩擦學性能在200 ℃也優于室溫。

鎂合金在加入稀土后，組織得到了明顯細化，變得更加致密、均勻，這一定程度上可以增加鎂合金的耐磨性。據祁慶琚[5]的研究，以AZ91和AM60合金作為基體合金，加入富鈰混合稀土制的稀土鎂合金，隨稀土含量的增加拉伸性能與硬度都得到改善，而且稀土鎂合金的摩擦因數均低于鎂合金基體，稀土的加入使鎂合金的力學性能得到明顯的增強。

2 不同的表面改性技術對鎂合金耐磨性的影響

2.1 微弧氧化鎂合金膜層

傳統的鎂合金陽極氧化技術所得的膜層薄且疏松多孔，不能有效地對基體進行防護。微弧氧化技術是在傳統的陽極氧化基礎上發展起來的，使用較高的電壓，超出普通陽極氧化的法拉第區，在火花放電區進行表面氧化處理，所得氧化物陶瓷層與傳統陽極氧化膜層相比，綜合性能大大提高[6]。氧化膜的主要磨損形式為表面微區脆性斷裂，其磨損率遠低于鎂合金，比鎂合金下降一個數量級。因此微弧氧化處理鎂合金表面，可以顯著提高鎂合金硬度，耐磨和耐腐蝕性。

2.2 激光處理鎂合金表面改性

普通陽極氧化，微弧氧化，處理后外層膜太脆，而采用化學轉化膜和鍍鎳，其溶液會污染環境[7]。激光表面改性技術是近年來興起的一種新型技術，通過在鎂基體材料表面熔覆上一層具有優異的機械、物理和化學性能的非晶涂層，以提高涂層耐磨性和耐蝕性。具體技術有激光表面重熔、激光表面合金化、和激光熔覆[8]。激光處理可以使鎂合金表面覆蓋一層其他合金的膜，大大降低鎂合金的摩擦系數。

2.3 攪拌摩擦加工表面改性技術

攪拌摩擦加工表面改性技術利用攪拌頭所造成加工區域材料的劇烈塑性變形、混合、破碎，實現材料微觀組織細化、均勻化和致密化。利用攪拌摩擦加工技術在鎂合金表面制備復合層，可以顯著提高材料的表面性能。利用這種技術，將高強度納米粒子融入鎂合金，使鎂合金具有高的強度和硬度，提高表面抗摩擦磨損性能[9]。

3 結語

目前提高鎂合金摩擦磨損性能的方法主要分為兩大類，一是改變鎂合金的不同元素配比，二是對鎂合金的表面進行改性操作。也有通過高溫處理，改善鎂合金的整體結構來進行研究。國外有學者將鎂合金進行超低溫處理，然后再在常溫下研究鎂合金的性能。不同的工藝方法，對鎂合金力學性能的影響也不同，對于增強鎂合金摩擦磨損特性的方法，總是在探索中才能找到。隨著科學技術的日益更新，相信研究者們可以找到更好的方法來提高鎂合金的耐磨性。

參考文獻

[1] 溫詩鑄.材料磨損研究的進展與思考[J].摩擦學學報，2008，28（1）：1-5.

[2] 劉英，楊冠男，張兆東，等.AZ91鎂合金的干滑動摩擦磨損性能研究[J].暨南大學學報，2010，31（5）：490-494.

[3] 趙旭，黃維剛，鄭天群，等.鎂合金AZ31的磨損性能研究[J].材料工程，2008（5）：1-3.

[4] 林強，黃偉九，王國.AS41耐熱鎂合金的摩擦學行為研究[J].輕合金加工技術，2010，38（5）：46-49.

[5] 祁慶琚.含稀土鎂合金的摩擦磨損性能[J].中國有色金屬學報，2006，16（7）：1219-1226.

[6] 梁軍，胡麗天，郝京誠.鎂合金微弧氧化膜層的結構和性能[C]//2006全國摩擦學學術會議論文集（一）.2006.

[7] 張津，章宗和，鄒鋼，等.鎂合金及應用[M].北京化學工業出版社，2004：225-245.

[8] 許晨陽，周大偉，吳智鵬，等.國外鎂合金激光表面改性技術的發展現狀[J].有色金屬加工，2007，36（3）：48-50.

[9] 王快社，王文，孫鵬，等.攪拌摩擦加工鎂合金摩擦磨損性能研究[J].潤滑與密封，2008，33（11）：14-19.endprint