軸瓦用新型鋁錫合金基復合材料的顯微組織及油潤滑摩擦性能

崔國明,張雅君,李興霞,孫國進,王會敏

(河南工學院 材料科學與工程學院,河南 新鄉 453003)

鋁錫合金具有比強度高、減摩耐磨性好、膨脹系數小,且不含鉛、綠色環保等優點,已成為替代傳統含鉛巴氏合金的新型軸瓦合金,并被廣泛用于制造軸瓦、內燃機活塞和缸套等機械部件[1-4]。然而,這類合金的強度有限,不能滿足高速重載工況用軸瓦的要求。近年來,材料研究者嘗試采用添加硅銅等合金元素的方式來強化Al-Sn合金,以提高其承載能力和耐磨性能,并開發出Al-Sn-Si系列合金。例如日本研制的Al7x、Al8x系合金,英國研制的AS104、AS124系合金等[5-8]。盡管人們對鋁錫合金的增強機制已經進行了大量的研究[5-11],但通過內生TiB2顆粒增強基體鋁錫合金的研究還很少,而關于鋁錫基軸瓦用復合材料的摩擦特性研究更鮮有報道[12]。

為了開發出摩擦特性好、承載能力高的新型軸瓦材料,本文采用混合鹽反應法制備出一種新型軸瓦材料,即TiB2p/Al-10Sn復合材料,并對該材料的顯微組織進行了觀察分析,對其濕滑動摩擦特性進行了測試研究,以期對新型鋁錫軸瓦材料開發和應用提供一定幫助。

1 試驗材料與方法

1.1 材料熔制

采用混合鹽(KBF4-K2TiF6-Na3AlF6)在高溫鋁熔體內發生原位反應法,熔鑄出鋁錫合金基軸瓦復合材料。試驗用金屬爐料由純度為99.7%的工業純鋁和純度為99.5%的工業純錫組成;試驗用混合鹽由純度為99%的工業KBF4粉和K2TiF6粉按2∶1的摩爾比混制而成,并添加少量的Na3AlF6作反應助劑。

熔制時,先將配制好的混合鹽分批加入750 ℃的鋁熔體內,并過熱至950 ℃使其充分反應,將鋁熔體降溫至720 ℃分批加入錫塊并均勻攪拌和扒渣后,將熔體澆注到鋼質鑄模中,熔制出新型鋁錫合金基軸瓦復合材料試樣(TiB2p/Al-10Sn)。

1.2 試驗方法

為了研究原位TiB2顆粒對復合材料凝固組織和摩擦性能的影響,我們采用光學顯微鏡和掃描電鏡對基體合金(Al-10Sn)和復合材料(TiB2p/Al-10Sn)的顯微組織進行了觀察和分析,并在“小止推圈-磨盤”式摩擦試驗機上進行油潤滑摩擦試驗。摩擦試驗機工作原理如圖1所示,由復合材料和基體合金制成的磨盤式摩擦試樣被安裝固定在工作臺的底座上,而其對磨的止推圈(45鋼,硬度45-50 HRC)由摩擦副夾具固定在主軸端部并能隨主軸旋轉。摩擦試樣和止推圈的工作表面粗糙度Ra均小于0.4 μm。在一定轉速400 r/min (相應滑動速度為0.56 m/s)、不同載荷200 N和400 N(相應接觸應力為1.6 MPa和3.2 MPa)的工況下,分別進行150 min(相應滑動距離為5040 m)的30號機油潤滑摩擦試驗。其整個摩擦試驗過程,均由電腦自動完成實時測控、數據記錄和曲線輸出。

圖1 摩擦試驗機工作原理和摩擦副尺寸

2 試驗結果與分析

2.1 復合材料的凝固組織分析

如圖2所示,為軸瓦復合材料和鋁錫基體合金的鑄態光學顯微組織形貌。對比圖2a和圖2b可知,復合材料中白色α-Al基體相的晶粒細小,而分布在α-Al相晶界處的黑色β-Sn相已由“連續網狀”(圖2b)轉變為“斷續網狀”(圖2a),且晶界粗糙、模糊難辨。

(a)復合材料TiB2p/Al-10Sn (b)基體合金Al-10Sn

圖3為復合材料SEM形貌圖。由圖3a可知,α-Al基體晶粒細小,β-Sn相分布在α-Al基體晶界處,但與圖2a所示光學形貌不同,在SEM形貌中α-Al相呈黑色,β-Sn相呈灰白色。圖3b顯示,TiB2顆粒團聚現象主要發生在α-Al與共晶β-Sn的交界處。圖3c顯示,被β-Sn相包裹的TiB2顆粒較為細小,其尺寸小于1.5μm。如下文所述,這種由β-Sn相和TiB2顆粒構成的機械混合物(即錫膜包裹TiB2顆粒組織)對提高材料的減摩性有積極作用。

(a)細小的α-A晶粒 (b)TiB2的晶界偏聚 (c)b圖的局部放大

2.2 復合材料的摩擦特性分析

軸瓦復合材料和基體合金在不同載荷下的摩擦特性曲線如圖4所示。由圖4a和圖4b可知,基體合金與復合材料均存在一個明顯的“磨合期”,其時長分別為20 min和50 min。在磨合期內,摩擦溫度逐漸緩慢上升,而摩擦系數(COF)卻快速振蕩下降。這完全不同于S. Kumar等人所研究的干滑動摩擦特性[13]。

圖4 基體合金和復合材料在不同載荷下的摩擦特性曲線

由圖4a和圖4b不難發現:磨合期過后,試驗進入一個相對穩定階段,即摩擦系數低且穩定,同時摩擦溫度也趨于相對穩定。這可能是以下原因產生的:在初始滑動階段(即磨合期初期),摩擦副表面存在大量機加工遺留的尖銳粗糙質點或粗糙凸峰(摩擦副的實際接觸僅發生在這些粗糙凸峰之間),這樣凸峰之間會產生諸如嚴重的壓力變形、機械嚙合和磨粒磨損(犁溝磨損)等強烈的相互作用。正是這些強烈的相互作用,導致較大摩擦力的產生和較大摩擦系數的出現。然而,在隨后的滑動摩擦過程中,一些粗糙凸峰點逐漸被磨平,這樣上述相互作用就會逐漸減弱,同時,摩擦副間也會逐漸形成完整、連續的油膜,摩擦系數將會顯著下降,直至穩定滑動摩擦階段的到來。值得注意的是,與基體合金相比,復合材料的磨合期相對較長,這可能與TiB2顆粒的存在使得材料的強度和硬度顯著提高有關。

眾所周知,穩定階段摩擦系數的大小是衡量材料減摩性能好壞的重要指標。從圖4中摩擦曲線的對比發現,工作載荷對材料的摩擦特性有重要影響,尤其是對摩擦系數影響更大。隨著載荷由200N至400 N的升高,基體合金的穩態摩擦系數也由0.015上升至0.165(取了平均值,高載400 N時摩擦系數在0.14至0.19間波動),而復合材料的穩態摩擦系數由0.017上升至0.080。與此同時,二者的摩擦溫度也逐漸升高,其中基體合金的穩態摩擦溫度由32.1 ℃升至75.4 ℃,復合材料的穩態摩擦溫度由33.6 ℃升至57.6 ℃。

本文分析認為:在低載荷階段(200 N),摩擦副表面壓力和塑性變形均較小,利于形成厚而完整的油膜,但是仔細研究發現,該階段復合材料的摩擦系數和摩擦溫度均稍高于基體合金的。這可能與TiB2顆粒的存在使得復合材料較難磨合而產生較大犁溝作用有關。在高載荷階段(400 N),與復合材料相比,基體合金的減摩性卻顯著下降,如圖4c和圖4d所示。這是由于高載荷導致基體合金產生嚴重塑形變形,進而迫使其表面油膜破裂,并露出新鮮潔凈的金屬。高壓下,摩擦副之間凈金屬的直接接觸會導致基體合金產生嚴重的粘著磨損。因此,嚴重的塑形變形和粘著磨損,是導致基體合金的摩擦系數和摩擦溫度快速升高的主要原因。而對于復合材料而言,因受TiB2顆粒的強化作用,其表面的塑形變形程度較輕,從而能保持相對完整的油膜,避免了粘著磨損的出現。因此,細小的TiB2顆粒不僅能提高復合材料的力學性能,而且能顯著降低復合材料的穩態摩擦系數。另外,本文認為這些TiB2顆粒,尤其是被錫膜包裹的TiB2顆粒,可能對油膜有一定的支撐、穩固和保護作用,從而避免了油膜破裂。綜上所述,在高載荷時,復合材料仍保持低的穩態摩擦系數,表現出了好的減摩性和高的承載能力。

3 結論

(1)采用混合鹽反應法制備出原位內生TiB2顆粒增強Al-10Sn合金基復合材料,金相分析表明,內生TiB2顆粒細小,尺寸小于1.5 μm,但在α-Al與共晶β-Sn的交界處出現TiB2顆粒團聚現象。

(2)低載荷200N時,基體合金和復合材料均有明顯的磨合期,但因TiB2顆粒強化作用而使復合材料較難磨合,二者的磨合期分別為20 min和50 min。進入穩定期后,二者均表現出良好的減摩性,其穩態摩擦系數分別約為0.015和0.017。

(3)高載荷400N時,基體合金的穩態摩擦系數快速升高,并在高位0.150至0.190間劇烈振蕩和波動,同時其穩態摩擦溫度也快速升至75.4 ℃。與基體合金相比,復合材料仍保持較小的穩態摩擦系數(僅為0.080)和較低的穩態摩擦溫度(僅為57.6 ℃),表現出良好的減摩性和承載能力。

(責任編輯 呂春紅)