超聲沖擊對(duì)AZ91D鎂合金耐磨性的影響

徐林林　劉堂勝

摘 要：對(duì)AZ91D鎂合金進(jìn)行超聲沖擊處理，然后使用掃描電鏡等觀察沖擊前后組織的變化，接著對(duì)不同沖擊參數(shù)的鎂合金試樣進(jìn)行磨損試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲沖擊處理能提高AZ91D鎂合金的耐磨損性能。經(jīng)分析計(jì)算，當(dāng)沖擊電流為1.2 A，沖擊時(shí)間為3 min、6 min、9 min時(shí)，AZ91D鎂合金的耐磨性分別提高了23.91%、40.00%、49.13%；當(dāng)沖擊電流為1.5 A，沖擊時(shí)間為3 min、6 min、9 min時(shí)，AZ91D鎂合金的耐磨性分別提高了53.48%、55.23%、57.40%。

關(guān)鍵詞：超聲沖擊 AZ91D鎂合金 掃描電鏡 耐磨性

中圖分類號(hào)：TG14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）01（c）-0082-04

鎂合金具有高的比強(qiáng)度和比剛度、良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性以及良好的機(jī)加工性能，而且對(duì)周圍環(huán)境沒有任何有害的影響[1]。所以，鎂合金是一種十分理想的現(xiàn)代工業(yè)結(jié)構(gòu)材料，成為近幾年國(guó)內(nèi)外研究和發(fā)展的熱點(diǎn)與重點(diǎn)，應(yīng)用前景極為廣泛。然而鎂合金的實(shí)際強(qiáng)度較低以及耐磨耐蝕性較差也是被公認(rèn)的，鎂合金較低的實(shí)際強(qiáng)度以及較差的耐磨耐蝕性能成為限制鎂合金實(shí)現(xiàn)更為廣泛應(yīng)用的主要障礙。因此要大力發(fā)展鎂合金的應(yīng)用，關(guān)鍵之一在于提高鎂合金的實(shí)際強(qiáng)度以及解決鎂合金的耐磨損問題。

超聲沖擊是一種新型的表面強(qiáng)化技術(shù)，在該試驗(yàn)中，通過對(duì)AZ91D鎂合金表面進(jìn)行超聲沖擊處理，使其達(dá)到表面強(qiáng)化的目的；然后通過實(shí)驗(yàn)觀察超聲沖擊后鎂合金磨損性能的變化，從而研究超聲沖擊對(duì)AZ91D鎂合金耐磨性的影響。

超聲沖擊是利用大功率的能量推動(dòng)沖擊頭高頻率地沖擊金屬表面，從而使金屬表面實(shí)現(xiàn)納米化加工處理的新方法[2]。近年來，使用超聲沖擊納米化技術(shù)已經(jīng)在很多金屬材料表面獲得了納米晶體結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)出的納米材料在相應(yīng)領(lǐng)域的應(yīng)用研究已經(jīng)取得重大進(jìn)展。

1 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備和方法

1.1 試驗(yàn)材料的準(zhǔn)備

該試驗(yàn)用材料為AZ91D鎂合金，首先將坯料通過線切割設(shè)備切成7 mm厚的片狀材料；沖擊試驗(yàn)試件主體尺寸為120 mm×84 mm×7 mm，然后在材料上進(jìn)行不同工藝參數(shù)的超聲沖擊試驗(yàn)，試樣表面沖擊好后，再用線切割機(jī)切成所需要的試樣尺寸30 mm×7 mm×7 mm。沖擊前要對(duì)待沖擊面進(jìn)行預(yù)磨處理，使表面光潔度提高并去除氧化物。

1.2 確定超聲沖擊參數(shù)

為了初步了解超聲沖擊對(duì)AZ91D鎂合金的沖擊效果，先在一塊AZ91D鎂合金試樣上分別用沖擊電流為1.2 A、1.5 A、2.0 A的沖擊參數(shù)進(jìn)行試沖擊，沖擊時(shí)間為10 min。沖擊后的試樣見圖1。

在超聲沖擊電流為1.2 A時(shí)，經(jīng)過10 min（劃線區(qū)域）的沖擊后，材料表面十分光滑，部分區(qū)域存在黑色物質(zhì)。

在超聲沖擊電流為1.5 A時(shí)，經(jīng)過10 min（劃線區(qū)域）的沖擊后，材料表面沒有黑色物質(zhì)，可見沖擊效果要優(yōu)于沖擊電流為1.2 A時(shí)的沖擊效果。

在沖擊電流為2.0 A時(shí)，沖擊5 min后，板材出現(xiàn)裂紋及整塊材料出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，說明沖擊電流為2 A時(shí)沖擊能量過大，不適宜對(duì)此種類型的板材進(jìn)行沖擊。

在進(jìn)行超聲沖擊的試沖擊試驗(yàn)后，初步確定該試驗(yàn)中所用的電流參數(shù)為1.2 A和1.5 A；沖擊時(shí)間經(jīng)過換算后確定為每種電流參數(shù)下分為3種情況，具體參數(shù)如表1所示。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容及所用設(shè)備

（1）超聲沖擊試驗(yàn)。

常見的超聲沖擊系統(tǒng)主要由兩部分組成，即超聲波發(fā)生系統(tǒng)和超聲振動(dòng)系統(tǒng)。超聲波發(fā)生系統(tǒng)的主要目的是將交變電流轉(zhuǎn)換為超聲頻的電振蕩信號(hào)。超聲振動(dòng)系統(tǒng)是把高頻的交流電能轉(zhuǎn)換為高頻機(jī)械振動(dòng)能，并將振動(dòng)幅值放大，推動(dòng)沖擊針撞擊處理工件來進(jìn)行工作。超聲振動(dòng)系統(tǒng)主要由超聲換能器[3-4]、變幅桿[5]和沖擊工作頭組成。該次試驗(yàn)的第一個(gè)步驟是在AZ91D鎂合金上進(jìn)行超聲沖擊，所采用的超聲沖擊設(shè)備為HJ-Ⅲ型超聲沖擊機(jī)。

（2）磨損試驗(yàn)。

摩擦磨損試驗(yàn)所需AZ91D鎂合金試樣的尺寸為7 mm×7 mm×30 mm，在磨損試驗(yàn)前，先用無水酒精把試樣清洗干凈，并用吹風(fēng)機(jī)吹干；試驗(yàn)前，先用電子天平測(cè)量試樣質(zhì)量M1（先后測(cè)3次，取平均值）；然后，預(yù)磨損3 min后再次用無水酒精清洗干凈，再次用吹風(fēng)機(jī)吹干后用電子天平測(cè)量質(zhì)量M2（先后測(cè)3次，取平均值）；最后磨損15 min后，重復(fù)上述過程測(cè)得M3。

磨損試驗(yàn)在M2000型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。磨損機(jī)的下滾輪材料為GCr15鋼，硬度為HRC61，轉(zhuǎn)速為200 r/min，壓力為300 N；對(duì)磨試樣是不同工藝參數(shù)超聲沖擊后的AZ91D鎂合金，兩者接觸面是超聲沖擊后的試樣。耐磨性采用稱重法評(píng)定，用感量為萬分之一克的ESJ205-4型分析天平稱量。

磨損試驗(yàn)后，為了更好地觀察各試樣磨損面的形貌，對(duì)各試樣的磨損表面進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)。在進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)前，要仔細(xì)清洗試樣，以免試樣表面的雜質(zhì)對(duì)掃描電鏡設(shè)備造成損害。

2 試驗(yàn)結(jié)果討論及分析

磨損時(shí)零件表面的損壞是材料表面單個(gè)微觀體積損壞的總和。對(duì)材料磨損進(jìn)行評(píng)定的方法常見的有磨損量、耐磨性和磨損比。該試驗(yàn)采用了磨損量來評(píng)定超聲沖擊前后AZ91D鎂合金的磨損性能。

該試驗(yàn)中，超聲沖擊后的AZ91D鎂合金經(jīng)線切割加工成尺寸為30 mm×7 mm×7 mm的條形試樣。試驗(yàn)條件為干摩擦，環(huán)境溫度為20 ℃左右，預(yù)磨損時(shí)間為3 min，載荷300 N；預(yù)磨損3 min后，再次磨損時(shí)間為15 min。

每組試驗(yàn)參數(shù)選取6個(gè)試樣進(jìn)行磨損試驗(yàn)，另外處理數(shù)據(jù)時(shí)，每組參數(shù)的磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值的試樣（這樣做的目的是為了避免有的試樣沖擊不均勻所造成的試驗(yàn)誤差），摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表2中可以看出，與未超聲沖擊的試樣相比，超聲沖擊能有效提高AZ91D鎂合金的耐磨損性能，隨著沖擊時(shí)間的增加，材料的耐磨損性能都有逐步的提升；在相同沖擊電流參數(shù)下，隨著沖擊時(shí)間的增加其耐磨損性能都有一定的提升。沖擊電流1.5 A時(shí)，隨著沖擊時(shí)間的增加，其耐磨損性能的提升不大；在沖擊電流為1.5 A，沖擊時(shí)間9 min時(shí)，耐磨性提升幅度最大，與未進(jìn)行沖擊的試樣相比，耐磨性提高了57.4%。

為了更好地觀察各沖擊參數(shù)下AZ91D鎂合金的磨痕表面的微觀形貌，通過掃描電鏡觀察了AZ91D鎂合金經(jīng)不同沖擊參數(shù)下的磨痕表面，結(jié)果見圖2。

從圖2中也可以觀察出，隨著超聲沖擊時(shí)間的增加，試樣表面磨痕程度逐漸下降，說明AZ91D鎂合金的耐磨損性能在逐漸提升。但是沖擊參數(shù)為1.5 A、6 min和1.5 A、9 min的試樣上，都存在部分區(qū)域磨損情況十分劇烈，這種現(xiàn)象產(chǎn)生原因可能是試樣表面不平整從而導(dǎo)致在摩擦的過程中受力不均勻，進(jìn)而產(chǎn)生了局部的劇烈磨損現(xiàn)象。但總體來說，超聲沖擊對(duì)AZ91D鎂合金的耐磨損性能有著極大改善，隨著沖擊時(shí)間的增加，其耐磨損性能越好。

3 結(jié)語

該文分析了AZ91D鎂合金超聲沖擊前后耐磨性變化，得出分析結(jié)果，總結(jié)如下。

（1）超聲沖擊后AZ91D鎂合金的晶粒得到了細(xì)化。

（2）超聲沖擊后AZ91D鎂合金的耐磨性能明顯提高了。

經(jīng)分析計(jì)算，當(dāng)沖擊電流為1.2 A，沖擊時(shí)間為3 min、6 min、9 min時(shí)，AZ91D鎂合金的耐磨性分別提高了23.91%、40.00%、49.13%；當(dāng)沖擊電流為1.5 A，沖擊時(shí)間為3 min、6 min、9 min時(shí)，AZ91D鎂合金的耐磨性分別提高了53.48%、55.23%、57.40%。

綜上所述，超聲沖擊處理能提高AZ91D鎂合金的耐磨損性能，對(duì)AZ91D鎂合金來說超聲沖擊處理是一種比較好的表面強(qiáng)化方法，該強(qiáng)化方法在其他材料的使用上也將大有用途。AZ91D鎂合金耐磨性能得到了改善，在工業(yè)中就能發(fā)揮它性能上的優(yōu)勢(shì)，成為比較實(shí)用的環(huán)保材料。

參考文獻(xiàn)

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