時效Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金高溫摩擦磨損性能研究

鄭潤國，黃 婷，武凱琦，林小娉

(1.東北大學 材料科學與工程學院,沈陽 110819；2.東北大學秦皇島分校 資源與材料學院,河北 秦皇島066004)

鎂合金具有比強度和比剛度高、導熱性能好、阻尼減振降噪性佳、機械加工性能優良等優點，在航空航天、汽車及通訊領域有著廣泛的應用[1-3].然而，鎂合金的耐磨性較差，限制了其進一步的應用.為了改善鎂合金的耐磨性，學者們進行了一系列的研究[4-13].Blau等[4]研究了利用壓鑄法和觸變成型法得到AZ91D鎂合金的摩擦磨損行為，兩種方法得到的材料摩擦系數范圍為0.29～0.35，而觸變成型法制備的鎂合金平均磨損率低于壓鑄AZ91D鎂合金.An等[5]研究了不同法向載荷下表面溫度變化及其對AZ91合金磨損性能的影響，研究表明，當載荷為150和200 N時，β-Mg17Al12相可能因表面溫度過高而熔化，進一步增加載荷后，表面溫度可使α-Mg相發生融化.

結構輕量化的需求使得鎂合金在高溫條件下的應用有了進一步發展，如汽車發動機部件、油泵蓋、氣缸套等，這對鎂合金在高溫下耐磨性提出了更高的要求.Huang等[6]研究了壓鑄AZ71E鎂合金的高溫摩擦磨損行為，研究發現，磨損率隨著載荷及滑動距離的增加而增大，而摩擦系數則減小，150 ℃時磨損機制為輕微剝層磨損和黏著磨損，而200 ℃時則為嚴重剝層磨損.Zafari等[7]研究了AZ91合金在室溫及高溫下的摩擦磨損性能，結果表明，嚴重磨損時，嚴重塑性變形為主要磨損機制，此外，還提出了由輕微磨損向嚴重磨損機制轉變時臨界表面溫度的計算公式.

目前，已有大量針對鎂合金摩擦磨損行為的研究報道，但對于鎂合金在高溫條件下的摩擦磨損行為尚鮮有研究，對其在高溫下的磨損機理缺乏相應的研究.Mg-Zn-Y合金熱處理時能夠形成GP區強化，提高Y的含量，可以形成強化相.Zr元素可細化晶粒，減小合金熱裂傾向，降低其應力腐蝕敏感性，提高力學性能和耐蝕性.本文將主要對鑄態及時效態Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金在高溫條件下的摩擦磨損行為進行研究，并探討其在高溫條件下的磨損機制.

1 實 驗

實驗原材料選用鎂錠，金屬鋅，鋯和釔(純度為99.9%)，及自配的Mg-Y中間合金.將原料按照質量配比加入到真空電阻熔煉爐中熔煉，各元素含量分別為8%Zn, 1%Y, 1%Zr, 90%Mg，熔化溫度750 ℃，將熔化的合金液體澆入石墨鑄型中，制備鑄造合金.整個熔煉和澆注過程中采用CO2+0.3vol.% SF6混合氣體進行保護.利用等離子體光譜(ICAP)分析實驗合金的最終成分為(質量分數，%)：8.14%Zn, 1.44%Y, 0.5%Zr, 余量為Mg.此外，為了提高鑄態合金的性能，對其在不同溫度下進行了熱處理.熱處理后的硬度值如表1所示.由表1可以看出，時效溫度為240 ℃，12 h時，Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金的硬度最高，因此，摩擦磨損實驗所用Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金均在此條件下進行時效處理.將鑄態及時效態合金利用線切割實驗機加工成Ф5 mm×6 mm摩擦磨損試樣.材料硬度用維氏硬度計(HV-1000A)測量.

摩擦磨損實驗在HT-1000型高溫摩擦磨損實驗機上進行.實驗載荷分別為7、8、9、10 N，實驗溫度分別為27、100、150、200、250、300 ℃，滑動速率為0.136 m/s，對磨材料為硬質合金，實驗后采用掃描電子顯微鏡(SEM，ZEISS SUPRA 55)對磨損表面進行分析.

表1 不同時效條件下Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金的硬度值(HV0.5)Table 1 The hardness value of Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr alloy at different aging conditions

2 結果與討論

2.1 載荷對合金摩擦學行為的影響

圖1 為室溫條件下鑄態和時效Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金在滑動速度0.136 m/s 下的磨損體積隨載荷的變化.由圖1可以看出，兩種狀態下Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金的磨損體積隨著載荷的增大而增加.在相同實驗條件下，鑄態合金的磨損體積均大于時效Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金.當載荷較小時，二者的磨損體積相差不大， 而載荷達到10 N時，合金的磨損體積差值變大.磨損體積的變化可用下式解釋[14].

(1)

式中：V為試樣的磨損體積損失；K為磨損系數；P為施加的法向載荷；L為滑動距離；H為較軟接觸面的硬度.由式(1)可知，材料的磨損體積損失隨著載荷的增加而增大.由于時效合金的硬度明顯高于鑄態合金，導致時效合金磨損體積損失小于鑄態合金.

圖1 磨損體積損失隨載荷的變化曲線Fig.1 Wear volume loss with applied load

2.2 溫度對合金摩擦學行為的影響

圖2 為鑄態和時效Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金在7 N條件下的磨損體積隨環境溫度的變化.

圖2 磨損體積損失隨環境溫度的變化曲線Fig.2 Wear volume loss with ambient temperature

由圖2可知，隨著環境溫度的升高，兩種狀態下Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金的磨損體積隨著環境溫度的升高而增加.鑄態Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金在較低溫度范圍內，隨著溫度的升高，磨損體積緩慢增大；而當溫度高于200 ℃時，磨損體積急劇上升，說明合金的磨損機制隨溫度的增加發生了由輕微磨損到嚴重磨損的轉變.對于時效Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金，磨損體積發生轉變時對應的轉變溫度為250 ℃，即時效處理使合金由輕微磨損到嚴重磨損的轉變溫度產生了滯后.

2.3 磨損機制

圖3為鑄態和時效Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金在常溫下的磨損表面掃描電鏡照片.鑄態合金的磨損表面存在與滑動方向平行的細小的犁溝，局部也出現了一些比較深的犁溝.在犁溝中間存在大量的塊狀磨屑，磨損表面發生了輕微的塑性變形且有金屬從表面剝落, 如圖3(a)所示.在此條件下， 磨損機制主要為磨粒磨損和輕微剝層磨損.對于時效Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金，磨損表面比較光滑，存在大量淺的擦傷痕跡，此外，在磨損表面也有少量的磨屑出現，如圖3(b)所示.此時，磨粒磨損為主要的磨損機制.

圖3 室溫下鑄態和時效Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金的磨損表面Fig.3 Wear surface of Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr alloy as cast alloy(a), aging alloy(b)

圖4是時效態Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金在不同溫度下的磨損表面照片.由圖4可見，當環境溫度較低時(100 ℃)，在光滑的磨損表面存在一些細小的擦傷痕跡，個別地方出現較深的犁溝，見圖4(a)，此時輕微磨粒磨損為主要的磨損機制；當環境溫度增加到200 ℃時，磨損表面要比低溫時光滑，只有少許淺的犁溝，EDS分析表明，磨損表面O元素的含量(質量分數)為13.28%，主要是合金表面形成了氧化膜.氧化膜的存在能夠改變摩擦副的接觸方式，對Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金起到有效的保護作用，此時，主要為氧化磨損和磨粒磨損；當環境溫度增加到250 ℃時，隨著滑動的進行，氧化膜部分發生破裂，有塊狀磨屑脫落，磨損表面發生塑性變形，變得比較粗糙.此時磨損機制為磨粒磨損、氧化磨損和輕微剝層磨損；當環境溫度為300 ℃時，表面產生較大的塑性變形且有黏著現象出現，磨損表面出現分層現象，有大塊的金屬剝落下來，表面粗糙度增大，見圖4(f)，表明時效Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金發生了嚴重磨損，此時的磨損機制為黏著磨損和剝層磨損.

當環境溫度超過250 ℃時，Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金發生了由輕微磨損向嚴重磨損的轉變，這主要與滑動過程中產生的摩擦熱有關，摩擦熱使接觸表面產生溫升，進而影響磨損機制和磨損率.但滑動過程中接觸表面的溫度很難準確確定.Lim等[15]通過式(2)計算了穩態時銷試樣表面的溫度Tb.

(2)

式中：T0為環境溫度;α為銷試樣的熱量分配系數；μ為摩擦系數；F為法向載荷；v為滑動速度；lb為試樣的等效長度；An為試樣的名義接觸面積；K為銷試樣的熱導率.由式(2)可知，銷試樣的溫度隨著載荷的增加而升高，從而使材料的力學性能變差，最終導致磨損率的增加(圖1).此外，銷試樣的溫度會隨著環境溫度及載荷的升高而升高.當溫度較低時，由于摩擦副實際接觸的僅是一些微凸體，其只占名義接觸面積的很小一部分.由于滑動過程中產生的熱量很大，溫度很高，導致微凸體被氧化，合金表面的微凸體由于強度低，被硬質合金刮擦下來形成磨屑，一些從摩擦副之間脫落，還有一些夾持在摩擦副之間，形成三體磨粒磨損.當溫度增加到200 ℃時，由于溫度升高，磨損表面被氧化，形成一層氧化膜，從而保護了基體.當環境溫度增加到250 ℃時，Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金的強度降低，基體不足以支撐氧化膜時，會導致其發生破裂，從而使新鮮的合金暴露出來，但由于環境溫度高，新暴露出的合金再次被氧化.當溫度繼續增加到300 ℃時，合金變軟甚至會超過合金的熔點，靠近磨損表面的基體合金很容易產生塑性變形，熔融的合金材料將凝固在磨損表面，隨著滑動的進行，材料將陸續在先形成的薄層上凝固，從而使磨損表面產生分層現象，由于摩擦配副的作用，材料將從合金表面脫落形成不規則的層狀磨屑.

圖4 不同時效溫度下Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金的磨損表面Fig.4 Worn surface of aging Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr alloy at different temperatures

3 結 論

1)鑄態和時效態Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金磨損體積損失隨著載荷和環境溫度的升高而增大，時效態合金的嚴重磨損轉折點滯后于鑄態合金.

2)高溫下，時效態Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金的耐磨性明顯高于鑄態，且其發生嚴重磨損時對應的環境溫度滯后于鑄態合金，當環境溫度低于250 ℃時，合金的磨損機制主要為磨粒磨損和氧化磨損；環境溫度超過250 ℃時，剝層磨損和黏著磨損成為主要磨損機制變.