改性超細SiC粉體對ZA27合金耐磨性能的影響

劉桂林，閻志明，陳美玲

(大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028)

我國是鋅儲量豐富的大國，開發鋅鋁合金的應用具有很大的前景.鑄造ZA27合金由于具有高的抗拉強度、良好的耐磨性能、價格低廉等優點[1-3]，在制造耐磨零部件如齒輪、軸承軸套、蝸輪等時常用于取代銅、鋁合金.因此，提高ZA27合金耐磨性能就成為目前的主要研究方向[4-5].

近年來，許多專家[6-11]通過添加變質劑Ni、Zr、Ti、Cu和稀土等改變ZA27合金的顯微組織，使其耐磨性能等提高；閆淑卿等[11]采用電解法把鈦添加到鋅鋁合金中，添加0.04%的Ti后，顯微組織明顯細化、二次枝晶臂間距減少了13.8%，從而合金耐磨性能得到提高；王艷芹等[12]通過復合添加0.4%Mn和1%Al2Ti2B使ZA27合金的耐磨性能有一定的提高.

SiC材料本身具有高硬度、低膨脹系數和較好的耐磨性等特點，應用比較廣泛，所以SiC顆粒成為一種很好的增強體材料，這就使得一些學者們[13-16]通過添加SiC顆粒來增強合金的綜合性能，雖然都取得了很好的強化效果，但添加SiC顆粒的量相對較多.如：AURAS等通過添加8%～16% 的SiC提高合金的耐磨性；謝敬佩等通過添加30%的SiC顆粒使ZA27合金的耐磨性能提高了126.5倍.但SiC與金屬熔體的潤濕性不是很好，這就需要對SiC做一些預處理或者通過不同的加入工藝[17]使其增強效果更好.

作者采用機械化學法制備超細SiC粉體，再經合金元素復合和改性處理后，制成復合粉體.改性后的超細SiC粉體可以直接加入到合金熔體中，粉體與熔體能夠很好地潤濕，而且加入量很小，約為0.01%～0.2 %，材料金相組織呈現明顯變化，同時有效提高了金屬的一些綜合性能，從而節約制造成本.前期研究已將改性超細SiC粉體應用到灰鑄鐵、球墨鑄鐵、碳鋼和不銹鋼中[18-21]，為了繼續研究改性超細SiC粉體在金屬中的作用機理，針對將不同量的改性超細SiC粉體添加到ZA27合金中，通過金相顯微鏡、掃描電鏡、耐磨試驗研究合金組織及耐磨性能的影響，探討改性超細SiC粉體提高ZA27合金摩擦磨損性能的基本原理，為改性超細SiC粉體作為金屬添加劑的理論與應用研究奠定基礎.

1 試驗材料及方法

本研究所用材料為ZA27合金，其化學成分為：Al含量27%，Cu含量2.4%；Mg含量0.02%，其余為Zn.利用AGO-Ⅱ型行星球磨機制備改性超細SiC粉體，圖1為原始SiC顆粒和改性超細SiC粉體的形貌圖，改性后d50粒徑范圍為0.184～2.748 μm.采用坩堝電阻爐熔煉ZA27 合金，在溫度680 ℃時分別加入0%、0.05 %、0.1 %、0.5 %、 1 % 的 改 性 超 細 SiC 粉 體， 保 溫 3 min，降溫至630 ℃時澆注到基爾試塊(已進行預熱200 ℃)模具中.

(a) 原始SiC顆粒 (b)改性超細SiC粉體圖1 SiC粉體的掃描形貌圖

距鑄錠底部20 mm處制備金相試樣，經研磨、拋光后，利用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，在日本基恩士 VHX-1000E三維視頻顯微鏡、ZEISS金相顯微鏡和德國ZEISS SUPRA 55場發射掃描電鏡下進行合金組織觀察和分析.制備銷樣，經研磨、清洗，用分析天平進行試樣質量測量，在MM-W1摩擦磨損試驗機上進行試驗，摩擦副為45#鋼的試樣環，載荷選用40 N，摩擦磨損的時間為3、4、5 min，在無潤滑條件下進行干摩擦磨損實驗，實驗結束后清洗，并測量試樣質量.采用兩次質量之差即磨損失重量評定耐磨性；用三維視頻顯微鏡觀察試樣表面磨損程度.

2 試驗結果

2.1 組織觀察

2.1.1 金相組織觀察

添加不同量改性超細SiC粉體的ZA27合金金相組織如圖2所示.由圖2 (a)可見，未添加改性超細SiC粉體的ZA27合金組織，由富Al枝晶和枝晶間的共晶組織組成，晶粒粗大，具有明顯的方向性[22]；隨著加入量增加，枝晶變短，富Al-α相由樹枝晶組織向等軸晶組織轉變，當改性超細SiC粉體加入量達到0.1%時，合金樹枝狀組織已基本轉變為柱狀組織，枝晶組織的細化效果最優(如圖2(c)所示)；當加入量為0.5%、1%時，枝晶組織略有增加，但晶粒大小基本未發生變化(如圖2(d)、2(e)所示).

圖2 改性超細SiC粉體加入量(0～1%)的ZA27合金金相組織圖

2.1.2 掃描電鏡組織觀察

圖3所示為添加不同量改性超細SiC粉體的ZA27合金SEM圖像.由圖3 (a)可見，未添加改性超細SiC粉體的ZA27合金組織中的ε相(白色)呈網狀分布，有許多尖角.隨合金中加入量的增加，ε相向規整化轉化，網狀組織被破壞，許多尖角消失，當加入量為0.1%時，網狀ε相變成顆粒狀，許多尖角鈍化(如圖3(c)所示).當加入量為0.5%、1%時，ε相重新連接成網狀(如圖3(d)、3(e)所示).

圖3 改性超細SiC粉體加入量(0～1%)的ZA27合金的ε相的分布圖

2.2 耐磨性能分析

2.2.1 磨損量分析

圖4為在載荷40 N下，磨損時間分別為3、4、5 min，添加(0～1%)改性超細SiC粉體的ZA27合金的耐磨試驗結果.由圖可知，隨著時間增加，磨損量逐漸增大，但磨損率變化不大；加入量增加，磨損量降低，磨損率逐漸減小；加入量超過0.1%，合金磨損量和磨損率均有所提升，當加入量為0.5%～1%時，合金磨損量和磨損率變化不大.總體上添加改性超細SiC粉體的ZA27合金磨損量和磨損率均低于未添加的ZA27合金.當添加量為0.1%時，磨損量和磨損率最小，耐磨性能較未添加改性超細SiC粉體的ZA27合金提高30.4%.

(a) 磨損量

(b) 磨損率圖4 改性超細SiC粉體加入量(0～1%)對ZA27合金耐磨性的影響

2.2.2 磨損表面形貌分析

圖5為添加(0～1%)改性超細SiC粉體的ZA27合金摩擦磨損后的三維掃描形貌圖.總體表現為磨痕與滑動方向平行的犁削溝槽，說明均是磨粒磨損，未添加改性超細SiC粉體的ZA27合金試樣表面有較深的溝槽，而且表面有很多剝落的大小不一的斑痕，磨粒磨損嚴重；隨著改性超細SiC粉體的加入，溝槽由深變淺，之后又由淺變深，與磨損量的趨勢一致，磨粒磨損的程度由重到輕，又由輕到重.磨損犁削溝槽的深度從50.60 μm降到24.05 μm；當改性超細SiC粉體的加入量為0.1%時，試樣表面磨損溝槽比較淺，溝槽最深為20.09 μm，相對較細密，有少量剝落的凹坑，說明磨粒磨損程度輕同時伴有輕微粘著磨損的特點.

(a) 0%

(b) 0.05%

(c) 0.1%

(d) 0.5%

(e) 1%圖5 改性超細SiC粉體加入量(0～1%)對ZA27合金磨損形貌的影響

2.3 討論

添加改性超細SiC粉體一定程度上改變了α相和ε相的形態，組織得到一定程度的細化.究其原因，SiC粉體在高能球磨過程中，被反復破碎和焊合，產生大量的結合界面，形成細化的多層狀復合顆粒，由于塑性變形，使內部缺陷(空位、位錯等)增加，SiC粉體的性質得到改變，所以改性超細SiC粉體能為鋅鋁合金提供大量的異質形核質點，為晶核形成提供更多的基底，使其在凝固過程中，能以較低的過冷度形核，細化合金組織.當改性超細SiC粉體的加入量達到一定程度后，形核質點過多，金屬熔體不能為其提供晶核生長所需的能量，因此，晶粒組織也不能進一步細化.另外，當改性超細SiC粉體過多時，大量的形核質點相互接觸機率增大，使其尺寸增大，從而沉積到坩堝底部，影響細化效果.

ZA27合金組織形態以樹枝晶為主，樹枝晶對耐磨性沒有太大幫助，粉體能起到細化組織的作用，也能作為硬質點，使其耐磨性能得到提高；其中網狀ε相由于改性超細SiC粉體的加入變得規整化和鈍化了，使ZA27合金在摩擦磨損時最大程度削弱了網狀ε相尖角的割裂基體能力，減少了裂紋源的產生；當添加量超過一定程度后，多出來的粉體不能與基體牢固結合，不能作為硬質點，就可能成為裂紋源，從而促進裂紋擴展，剝落機制的磨損使得耐磨性又降低.

摩擦磨損過程中，超細SiC粉體首先作為一個硬質點，這樣硬質點數量比相同量的普通SiC粉體多，與基體能更好的結合；再者改性后的粉體細化合金組織，使組織更加致密，兩者結合使得加入粉體的比未加入粉體的合金耐磨性高.加入一定量的改性超細SiC粉體作為微凸體抵抗摩擦就能起到提高鋅鋁合金的耐磨性，超過一定量后多余的SiC并不能全部與基體很好結合反而變成摩擦第三體，粘著在摩擦副上，使得基體的磨損溝槽變深，這就使得摩擦表面有很多犁削溝槽，所以鋅鋁合金的摩擦形式表現為磨粒磨損為主.

3 結論

綜上所述，可得出如下結論：

(1)添加改性超細SiC粉體熔煉ZA27合金，可以有效細化晶粒；但是，改性超細SiC粉體加入量有一定約束，加入量為0.1%時，ZA27合金組織最為致密，ε相呈顆粒狀，許多尖角鈍化;

(2)添加改性超細SiC粉體熔煉ZA27合金，能夠提高合金的耐磨性能，加入量為0.1%時，磨損性能最好，耐磨性能提高30.4%;

(3)添加改性超細SiC粉體熔煉ZA27合金，磨損形式以磨粒磨損為主，當加入量為0.1%時，摩擦表面犁溝最淺，溝槽最深為20.09 μm.