固溶處理后7055鋁合金的摩擦磨損性能研究

孫文超

（山東兗礦輕合金有限公司，山東 鄒城 273500）

7055鋁合金是典型的高強度硬鋁產品，可以通過熱處理工藝提升合金強度，因為其強度較高，鍛造性、焊接性、耐熱性較好，能夠在150℃以下的環境中生產工作部件，故而當前在飛機骨架零件、蒙皮、鉚釘等高負荷零部件生產領域有廣泛應用。近些年我國航空航天事業快速發展，對高強鋁合金提出更高、更多的要求，7055鋁合金用在高負荷的零構件上容易出現摩擦磨損情況，故而研究其摩擦磨損機制具有很大現實意義。既往國內外學者對7055鋁合金摩擦磨損性能的研究多集中在鋁基復合材料方面，沒有探討不同粗糙度給摩擦磨損程度帶來的影響。

本課題運用差異化的固溶工藝處理7055鋁合金，觀測并闡明不同工藝對合金硬度、摩擦因素等指標產生的影響，進而分析鋁合金的摩擦磨損性能，摸索相應的磨損機制。

1 實驗

選擇7055鋁合金作為實驗材料，其內Zn、Mg、Cu、Si、Fe、Mn、Cr質 量 分 數 分 別 為7.78%、1.95%、2.34%、0.06%、0.062%、0.007%、0.006%。板材規格（長×寬×高）105mm×105mm×30mm，線切割成試樣20mm×18mm×15 mm，隨后運用不同工藝進行固溶與時效處理。

電阻爐對試樣進行熱處理，固溶處理結束后統一運用單級時效處置方法（120℃×24h），運用表1固溶處理辦法[1]。

表1 鋁合金的固溶處理方案

運用FM700型顯微硬度儀測定試樣的硬度。先把試樣磨到接近鏡面樣態，于各個試樣上測量三個不同點位，計算出其均值，取得每隔樣品試的維氏硬度。

選用不同目數砂紙（400、800、1200、1500目）打磨處理試樣，基于控制變量法開展，砂紙目數作為唯一變量進行控制，其他量不做調整，測得不同目數砂紙打磨后試樣的表面粗糙度（Ra）。各表面均測量3次，計算均值。

選用摩擦磨損實驗儀（型號）進行摩擦磨損實驗，對偶件選用的是CCr15鋼球。在實驗內規劃載荷、頻次、往返行程、磨損時長對應值分別是5N、2Hz、5mm、15min。提取上述各個目數砂紙打磨獲得的樣品展開分析探究，實驗研究前后均要精準稱量樣品重量值，以此為據運算出材料的磨損量。各種試樣都進行3次實驗操作，最后計算出均值以備用。

對于試樣表面磨痕的分析，綜合考慮多方面因素后決定運用S-3400掃描電鏡（SEM）分析進行，EMAX X-act能譜儀（EDS）是當前業內分析樣品磨損表層相關元素的常用工具，故而被用于本課題研究中。為了保證實驗研究所得結果的精準度，實驗中于試樣不同位置對鋁合金磨痕連續進行5次測量，計算平均值，運營經典磨痕方程計算合金的磨損率[2]：

V、P、L分別表示的是合金磨損體積、法向載荷、磨損滑動距離。

2 統計與分析實驗結果

2.1 試樣的硬度

對單級固溶工藝處理的整體狀況進行分析，空冷后的試樣1-1硬度檢出值偏高，在水冷、油冷之上；雙級固溶處理，水冷以后試樣2-2硬度值高于空冷、油冷；經現觀察與周密化測算后，探查到高溫預析出處理后，水冷、油冷、空冷后所得樣品的硬度檢出值之間并沒有顯著差別，相比之下，空冷處理的試樣3-1硬度稍高于其他兩種冷卻方式。整體比較后認為，雙級固溶工藝+水冷后試樣2-2硬度值達到峰值，高溫預析出后合金樣品的硬度值均處于較低水平。結合以上實驗分析所得結果，可以初步判斷差異化固溶工藝、冷卻方式均影響7055鋁合金的硬度大小。

2.2 試樣的表面粗糙度 （Ra）

Ra值檢出情況見表2[3]。可見砂紙目數越多，合金試樣的Ra檢測值就越小，并且運用目數砂紙打磨試樣以后，兩級固溶+水冷處理獲得的合金樣品2-2的Ra值一致較低。

表2 不同目數砂紙打磨試樣的表面粗糙度（μm）

2.3 摩擦因數

觀察圖1，不難發現兩級固溶處置以后所得合金試樣摩擦因數值都處于較低水平，尤其是水冷后樣品2-2摩擦因數表現得最為明顯；單級固溶干預下三個試樣的摩擦因數均在中間值范疇；而高溫預析出后的樣品摩擦因數數值均處于較高水平，和水冷、空冷相比較，油冷處理試樣3-3摩擦因數值始終最大[4]。

圖1 不同固溶處理及不同目數砂紙打磨后試樣的摩擦因數

觀察圖1內合金試樣摩擦因數的總和改變趨向，能夠較容易探查到摩擦因數值高低和試樣面粗糙度（Ra）兩者存在著正比例關系，即伴隨Ra值的增大過程，試樣摩擦因數就越會呈現出增加趨勢。但數目是1500砂紙打磨后試樣Ra檢測值最小，而此時摩擦因數卻不是最小，這就推翻了試樣表層越粗糙其摩擦因值就越大的結論。綜合分析，砂紙目數由最開始的400增加到1500目，試樣表面粗糙度測定值持續降低，而摩擦因數大體上顯現出先減小后增大的改變趨勢，這主要是在干摩擦作用的工況下，400目砂紙打磨后所得試樣表層整體相對較粗糙，表面不同微凸體之間的咬合幅度偏大，兩個表面之間進行相對運動過程中也就會形成較大的阻力，在這樣的工況下試樣摩擦因數也相對較高。與經過400目砂紙打磨的合金樣品相比較，800目打磨處理后的樣品表面粗糙度檢測值出現了不同程度的降低，微凸體的波峰相應下跌，這是造成其摩擦因數檢測值偏低的主要原因之一。1200目打磨樣品表面粗糙度又一次減小，雖然在這種合金試樣中金屬間接觸的概率有所提高，但兩個金屬材質表面間的黏著效應出現了減弱趨勢，表面粗糙度促進不同金屬間直接接觸概率下降，摩擦因數再一次促進以上過程。運用1500目砂紙打磨鋁合金試樣以后，微凸體的數量又一次減少，波峰下降，粗糙度明顯減小，試樣表層光滑度增加，不同金屬之間更充分的接觸，在這樣的情景中，當兩個金屬表面進行相對運動時也會承受更多的阻力，故而摩擦因數會相應增加。

整體分析，雙級固溶工藝處置后水冷試樣2-2的摩擦因數變化趨勢是先減后增。這主要是因為其和400目、800目砂紙打磨處理后的試樣相比較，微凸體的波峰出現一定下降，故而摩擦因數有所減小。經1200目砂紙打磨處理所的微凸體數量與波峰盡管均持續減小，但是由于7055鋁合金自身硬度偏大，微凸體的堅硬度增加，并且還生成了一定黏著作用，造成摩擦因數變大[5]。合金試樣被1500目砂紙打磨以后表層整體光滑度顯著增加，兩表面進行相對運動時，微凸體帶來的阻礙力度降低，故而摩擦因數此時呈現出降低趨勢。

2.4 質量磨損量

7055鋁合金磨損量的改變趨勢與摩擦因數的趨勢大體趨同，合金摩擦因數與磨損量多少之間呈正比例關系。試樣自身硬度也影響磨損量的大小雙級固溶處理所得試樣硬度偏高，故而其不同冷卻方法下的磨損量均偏小，其中水冷合金樣品2-2硬度檢出值達到峰值，實際摩擦損失量最小。高溫預析出+油冷處理后的試樣3-3硬度值最低，但是經比較發現其磨損量最大。

3 分析鋁合金的磨損機制

解讀SUH在研究中形成的剝層理論，若兩個相接觸的金屬材質表層發生相對滑動時，相比之下，軟表面上的微凸物體外部形體改變的概率更大，并且在應力長期、反復作用很可能發生局部斷裂問題，生成磨屑。將硬表面微凸體施加在某個軟表面層時，軟表面局部將會逐漸出現塑性變形。本課題研究中決定選擇CCr15作為對磨鋼球，既往已經有很多研究證實其硬度數值明顯大于7055鋁合金，據此可以推測在相對運動期間，黏著轉移的形式是從鋁合金到CCr15上的。

為了探明鋁合金的磨損機制，結合圖1內的摩擦因數，抽取三種固溶處理以后獲得的水冷試樣，專業電鏡掃描觀測其磨痕外部形貌。理論上講，相同粗糙度之下也會有其他他磨損情況相伴隨，本課題研究主要探討試樣出現的主要磨損問題。

觀察單級固溶工藝處理后所得水冷試樣1-2的磨損情況，經400目砂紙打磨后，鋁合金表明較粗糙，掃描高倍放大以后能觀測到和滑動方向相平行的淺顯犁溝與很多片樣剝落坑。800目砂紙打磨以后，試樣的磨損和磨料磨損程度均輕于400目砂紙打磨結果，金屬表面疲勞性磨損表象也相應減少。

掃描觀測，發現經1200目砂紙打磨處理后7055鋁合金試樣磨痕表層不僅存在著犁溝與局部黏著的跡象，還形成了少許的疲勞裂紋，金屬表面疲勞性磨損量增多。觀察1500目砂紙打磨后掃查到的試樣樣貌，可見其表面光滑磨痕較淺顯，形成了和滑動方向相互平行的淺犁溝，并且整體較平坦，在這樣的工況下僅出現了輕度的磨料磨損問題，局部出現了淺犁溝，黏著磨損與表面疲勞性磨損現象消失殆盡。

研究高溫預析出處理以后所得水冷試樣的磨損表面樣貌時，選擇試樣3-2作為研究對象，這主要是因為基于該種工藝所得試樣的摩擦因數偏高，波動幅度較小。專業儀器掃查發現試樣表面磨痕相對較寬，對其成因進行分析，可以歸咎為這種處理工藝獲得的試樣硬度整體偏低。和滑動方向相平行的犁溝數量較少，存在著很多剝落坑與疲勞裂紋，黏著痕跡十分顯著，并且出現了輕度的熔融狀況。合金試樣的黏著磨損、局部磨料磨損與表面疲勞性磨損現象并存，這主要是因為摩擦過程中合金表面溫度持續上升，并且局部表面相繼出現了塑性流變狀況，這也可以用于解釋這種固溶工藝處理后試樣的摩擦因數指標始終偏大的狀況。對比以上三種試樣的磨損表面形貌掃描情況，在冷卻方式均選擇水冷的工況下，雙級固溶工藝處理試樣后期表面磨損程度相對較輕微，磨痕較淺顯，這主要是因為這種固溶工藝所得試樣硬度值偏高，打磨條件一致時試樣表面粗糙度（Ra）數值偏低，故而不會出現較嚴重的磨損問題。但是高溫預析出工藝處置后生物試樣自身硬度偏低，故而其表面形成的磨痕偏寬，并且形成了局部熔融的狀況，磨損問題較嚴重。

4 結語

不同固溶工藝處理7055鋁合金的性能有很大差異，雙級固溶處理后試樣的性能最優秀，所得試樣硬度值均偏高，表面粗糙度值偏低，摩擦因數也不大。鋁合金表面粗糙度和摩擦因數之間有非線性關系，在本文設定的干摩擦條件下，伴隨試樣硬度值增加過程，其摩擦因數呈降低趨勢。表面粗糙度值越大，7055鋁合金越容易發生黏著、磨料及表面疲勞性磨損等問題。