不同溫度固溶+時效處理對6082鋁合金鍛件組織和摩擦磨損性能的影響

梁朝杰，王成磊，梁滿朝，陳中敢，謝映光，傅耀坤

(1.桂林電子科技大學材料科學與工程學院，桂林 541004；2.廣西師范大學職業(yè)技術(shù)師范學院，桂林 541004;3.廣西鳴新底盤部件有限公司，桂林 541004)

0 引 言

鋁合金由于綜合性能良好和生產(chǎn)成本低，在汽車、造船和建筑行業(yè)等多個領(lǐng)域已得到廣泛應用，尤其是在汽車輕量化方面[1-3]。6082鋁合金由于具有良好的鍛造加工性能[4-5]，常用于鍛造汽車用控制臂。在鍛造過程中，鍛件容易產(chǎn)生應力集中和晶粒粗化，因此在鍛造成型后，需要進行熱處理[6-8]。王飛等[9]研究發(fā)現(xiàn)，固溶+時效處理后，在6082鋁合金晶界處析出了大量Mg2Si相和α-(AlMnFeSi)相，其較佳的熱處理工藝為固溶(530 ℃×4 h)+水淬+時效(170 ℃×10 h)。鄒永恒等[10]研究發(fā)現(xiàn)6082鋁合金在530570 ℃下固溶后進行時效的力學性能較好。冉旭等[11]的研究表明：固溶及時效處理后6082鍛造鋁合金控制臂的組織除基體相外，還存在針狀或球狀Mg2Si和棒狀AlFeMnSi析出相；隨固溶溫度的升高和固溶時間的延長，時效后合金中的析出相增多，硬度和強度提高，塑性下降；隨著固溶后在空氣中的滯留時間延長，時效后析出相減少，硬度和強度下降，塑性提高。目前，對6082鋁合金熱處理工藝的研究主要集中在未成型的鍛件上，關(guān)于成型件熱處理強化效果的研究較少。作者在鍛造成型6082鋁合金控制臂心部取樣，對試樣進行固溶+時效處理，研究了固溶溫度對心部顯微組織、硬度和摩擦磨損性能的影響，確定了最佳的固溶溫度，擬為企業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)和實踐指導。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料取自廣西鳴新底盤部件有限公司鍛造的6082鋁合金控制臂，其形狀如圖1所示，化學成分見表1。從其心部截取50 mm×50 mm×50 mm的試樣進行固溶和時效處理，固溶溫度分別為510，530，550，570，590 ℃，固溶時間為4 h，水冷，時效溫度為175 ℃，時效時間為15 h。

表1 6082鋁合金的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemical composition of 6082 aluminum alloy (mass) %

圖1 6082鋁合金控制臂形狀Fig.1 Shape of 6082 aluminum alloy control arm

在不同熱處理前后的控制臂心部截取金相試樣，利用XQ-2B型金相試樣鑲嵌機鑲樣，再依次用600#，800#，1000#，1200#，1500#砂紙磨平并拋光，用體積分數(shù)為0.5%的HF水溶液腐蝕后，在AXIO SCOPE A1型光學顯微鏡上觀察顯微組織；在打磨平整的金相試樣上，采用HV-1000型顯微硬度計測試維氏硬度，載荷為9.8 N，保載時間為15 s。采用HSR-2M型高速往復摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損試驗，對磨材料為直徑3 mm的Si3N4磨球，載荷分別為2.8 N和6.8 N，往復長度5 mm，采樣頻率30 Hz，滑動時間20 min，摩擦磨損總行程為50 m。采用摩擦磨損試驗機自帶的輪廓儀測定磨損體積，用AXIO SCOPE A1型光學顯微鏡觀察磨損形貌。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖2可以看出：熱處理前后試樣組織中均分布有黑色或淺灰色斑點，形狀不規(guī)則的黑色斑點可能是夾雜相α-(AlMnFeSi)、Mg2Si或AlMnFeSi相脫落形成的孔洞，淺灰色斑點為Mg2Si相[10]；隨著固溶溫度的升高，強化相溶解程度增大，試樣的再結(jié)晶過程進行得更充分，晶粒細化，當固溶溫度為550 ℃時，晶粒最細小，繼續(xù)升高固溶溫度至570，590 ℃時，晶粒出現(xiàn)了明顯的粗化現(xiàn)象，即發(fā)生再回復，說明在這2種溫度下固溶效果不佳。

圖2 不同溫度固溶+時效處理前后試樣的顯微組織Fig.2 Microstructures of samples before (a) and after solid solution at different temperatures and aging (b-f)

2.2 維氏硬度

未熱處理試樣的硬度為60 HV。由圖3可以看出：不同溫度固溶+時效處理后試樣的硬度均遠高于未熱處理的；隨著固溶溫度升高，硬度先增加后降低，固溶溫度為550 ℃時，硬度最高，達到135 HV，這是由于固溶溫度為550 ℃時晶粒最細小。

圖3 不同溫度固溶+時效處理后試樣的維氏硬度Fig.3 Vickers hardness of samples after solid solution at different temperatures and aging

2.3 摩擦磨損性能

2.3.1 摩擦因數(shù)

由圖4可以看出，在不同載荷下，隨著滑動時間延長，試樣的摩擦因數(shù)在急劇升高后呈現(xiàn)急劇變化→相對穩(wěn)定→急劇變化的周期性變化。這是由于剛開始摩擦時產(chǎn)生了磨屑，造成摩擦因數(shù)變化較大；隨后在摩擦熱的作用下，試樣表面發(fā)生化學反應生成氧化物薄膜[7]，對摩擦過程起到潤滑作用，使得摩擦因數(shù)相對穩(wěn)定；高速往復的摩擦運動又會破壞薄膜的整體性，又使摩擦因數(shù)產(chǎn)生較大的波動；氧化物薄膜破壞后又會重新生成，周而復始。

圖4 不同溫度固溶+時效處理前后試樣在不同載荷下摩擦磨損時的摩擦因數(shù)曲線Fig.4 Friction factor curves of samples before and after solid solution at different temperatures and aging during friction and wear under different loads

分別在載荷2.8 N和6.8 N下摩擦磨損時，未熱處理試樣的平均摩擦因數(shù)分別為0.751，0.958。由圖5可以看出：試樣在2種載荷下的平均摩擦因數(shù)均隨固溶溫度呈波動變化；在較低的固溶溫度(510，530 ℃)下，較高載荷下的平均摩擦因數(shù)略低于較低載荷下的，而在較高固溶溫度(550，570，590 ℃)下則相反。

圖5 試樣在不同載荷下的平均摩擦因數(shù)隨固溶溫度的變化曲線Fig.5 Average friction factor vs solid solution temperature curves of samples under different loads

2.3.2 磨損體積

未熱處理試樣在載荷2.8，6.8 N下的磨損體積分別為0.272，0.477 mm3。由圖6可以看出：2種載荷下摩擦磨損后，熱處理后試樣的磨損體積均小于未熱處理試樣的，說明固溶+時效處理提高了試樣的耐磨性能；較高載荷下摩擦磨損后，試樣的磨損體積較大；隨著固溶溫度的升高，較低載荷下試樣的磨損體積先降后增，而較高載荷下的磨損體積呈波動變化；在550 ℃固溶+時效處理后，2種載荷下試樣的磨損體積均最小，耐磨性能最好。這是因為在550 ℃固溶+時效后合金晶粒最細小，硬度最高,耐磨性能最好。

圖6 試樣在不同載荷下的磨損體積隨固溶溫度的變化曲線Fig.6 Wear volume vs solid solution temperature curves of spamples under different loads

2.3.4 磨損形貌

由圖7和圖8可以看出，2種載荷下摩擦磨損后，試樣表面均出現(xiàn)了平行于摩擦方向的犁溝，同時還出現(xiàn)了裂紋，載荷越高，表面微裂紋和犁溝越多。犁溝是往復摩擦磨損過程中較硬的金屬顆粒嵌入到較軟的金屬中，推擠較軟的金屬而形成的。犁溝的出現(xiàn)表明試樣的磨損機制主要為磨粒磨損[12-13]。犁溝中的黑色陰影部分為堆積的片狀磨屑，這些磨屑可能是表面材料剝離后留下的硬質(zhì)氧化物；在較長時間的摩擦力和摩擦熱的作用下，磨屑氧化并在Si3N4磨球的作用下，由白色變成黑色。在摩擦磨損過程中，材料剝離后形成的磨屑會降低試樣表面氧化膜的附著力并起到研磨顆粒或固體潤滑劑(球形碎屑)的作用，并且在載荷作用下摩屑會產(chǎn)生一個垂直于表面的分力而對表面造成損傷。磨屑不斷堆積和最終剝落，造成磨損表面裂紋擴展導致斷裂[14]。

圖7 不同溫度固溶+時效處理前后試樣在載荷2.8 N下的磨損形貌Fig.7 Wear morphology of samples before (a) and after solid solution at different temperatures and aging (b-f) under 2.8 N load

圖8 不同溫度固溶+時效處理前后試樣在載荷6.8 N下的磨損形貌Fig.8 Wear morphology of samples before (a) and after solid solution at different temperatures and aging (b-f) under 6.8 N load

3 結(jié) 論

(1) 不同溫度固溶+時效熱處理提高了 6082鋁合金的硬度；隨著固溶溫度升高，6082鋁合金晶粒細化，硬度增大；當固溶溫度為550 ℃時，晶粒最細小，硬度最高；固溶溫度繼續(xù)升高至570，590 ℃時，晶粒明顯粗化，硬度降低。

(2) 固溶+時效熱處理提高了合金的耐磨性能；在較低的固溶溫度下，較高載荷下試樣的平均摩擦因數(shù)略低于較低載荷下的，在較高固溶溫度下則相反；550 ℃固溶+時效后試樣在2種載荷下的磨損體積均最小，耐磨損性能最好；試樣的磨損機制為磨粒磨損，磨損表面均存在微裂紋和犁溝，且高載荷下的微裂紋和犁溝較多。