時效時間對7075鋁合金摩擦磨損性能的影響研究

林 琛

福建工程學院材料科學學院 350001

前言

7075屬于目前國內(nèi)外廣泛使用的高強度超硬鋁，具有降低飛行器重量、提高飛行性能等優(yōu)勢，是航天航空領(lǐng)域廣泛使用的一種輕型結(jié)構(gòu)材料。然而，7075鋁合金的缺點在于硬度相對較低、化學活性高、粘性強，其耐磨和抗擦傷性能差，難于潤滑。特別是在常用的鋼-鋁摩擦副中，由于鋁和鋼之間存在較大的固溶度，因而以發(fā)生鋁向鋼的轉(zhuǎn)移，從而造成鋁件的嚴重磨損[1]。因而研究7075鋁合金的摩擦磨損行為對改善鋁合金的使用性能、使用環(huán)境，增強鋁合金的使用壽命尤為重要。

李廣宇[18]等人研究發(fā)現(xiàn)某些添加劑能提高7075鋁合金的潤滑性能，減小鋁合金的磨損。葛靈丹[19]等人研究發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，7075鋁合金的耐磨性下降。本課題對7075鋁合金進行干摩擦往復(fù)運動下磨損試驗，研究不同時效工藝對磨損性能的影響，和不同載荷、不同轉(zhuǎn)速、不同磨損時間下的磨損性能，并對其磨損機理進行了探討。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本次試驗采用的是軋制態(tài)鋁合金，其成分如表1所示。

表1 7075鋁合金的成份

1.2 試驗材料的熱處理

首先將試樣進行SXL-1008箱式電阻爐進行固溶處理，固溶溫度470℃，保溫30min后快速水淬。接著，進行試樣的時效處理工藝。將水淬后的試樣逐個放入電阻爐進行保溫，分別將試樣在120℃保溫8h，16h，24h，36h，48h。

1.3 摩擦磨損試驗

(1)試驗前用金相砂紙對各試樣表面進行研磨，拋光，用無水乙醇清洗試樣表面并吹干，保證在進行摩擦磨損試驗時試樣受力和磨損均勻。

(2)將時效后的試樣在HSR-2M型高速往復(fù)摩擦磨損試驗機上依次進行試驗。試驗設(shè)置載荷為50N，轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)/分，磨損時間為20min。每一組參數(shù)的試驗前都應(yīng)先用精密電子天平稱出試驗前試樣的質(zhì)量，并記錄數(shù)據(jù)試驗后再對試樣稱重并記錄磨損后的質(zhì)量數(shù)據(jù)，并記錄摩擦磨損過程數(shù)據(jù)。

(3)在J12-50體式顯微鏡下對表面的摩擦磨損形貌進行觀察。

2 試驗結(jié)果及討論

摩擦磨損數(shù)據(jù)的比較中，我們可以得出時效時間對磨損量及摩擦系數(shù)影響變化的一般規(guī)律，其磨損量和摩擦系數(shù)都呈現(xiàn)了先降低后上升的趨勢。即在時效時間為16h和24h時，具有較低的磨損量與摩擦系數(shù)。摩擦系數(shù)在24小時峰時效的時候降低到0.4565。

表2 不同時效時間下磨損量與摩擦系數(shù)

7075合金在24h之后處于過時效，此時隨著時效時間的增長，其磨損量增多，耐磨性能愈差。7075鋁合金在120℃單級時效處理時鋁合金硬度的峰值是24h。

鋁合金在加熱、快速冷卻時，形成過飽和固液體。其中存在著大量的空位，因而加速了溶質(zhì)原子的擴散速度。7075鋁合金在時效處理8h時，在晶體內(nèi)部的富集區(qū)開始從GPⅠ向GPⅡ轉(zhuǎn)變，過飽和固溶體種的富集溶質(zhì)原子逐漸從無序像有序轉(zhuǎn)變。因此，材料的硬度逐漸提高，比未進行時效處理的具有更高的硬度，因此材料的耐磨性較好，磨損量顯著減小。

在經(jīng)過16小時時效處理后，其硬度已接近峰值，之后的硬度值緩慢增長，到24h時達到峰值[19]。7075鋁合金在時效處理16h后依然處于亞時效階段，此時隨著時效時間的增長，其硬度上升，因此磨損量下降，材料的耐磨性能愈好。隨著時效時間的延長，在軋制態(tài)鋁合金內(nèi)部，大量的Mg(Zn,Cu)2、Al3(Ti,Zr)以及Mg2Si的第二相，以及時效后形成的η、η/相，使得7075鋁合金在24h時效處理處于峰時效階段，此時材料的硬度最高，因此材料的耐磨性提高，摩擦系數(shù)減小。因此我們可以得出，7075鋁合金的耐磨性時效峰值與硬度時效峰值趨于一致。

圖1 7075鋁合金摩擦磨損形貌

圖1為7075鋁合金經(jīng)過時效處理后的摩擦磨損形貌。由圖中觀察發(fā)現(xiàn)，時效時間為16h和時效時間為24h的劃痕寬度相對較窄，磨損表面相對較暗；當時效時間為48h時，劃痕寬度較大，磨損表面更為光亮，磨損破壞程度顯著增大。因此我們可知單級時效下，7075鋁合金在16h到24h之間達到峰值，在48h時破壞程度最大，處于過時效階段。

7075鋁合金納米析出相的彌散強化是AlZnMgCu合金的強化機制，合金硬度依賴納米析出相的形貌、大小、結(jié)構(gòu)及分布狀態(tài)。隨著時效時間由8h到24h轉(zhuǎn)變時，析出相分布均勻彌散，平均尺寸有所增長、增厚；從24h時效至48h時，析出相進一步粗化長大，密度下降。因而在8h到48h的時效處理下，7075鋁合金的摩擦磨損性能在16h和24h之間達到最優(yōu)值，在兩端處摩擦磨損性能下降。

根據(jù)對摩擦磨損痕跡的深入分析，其磨損機制以氧化磨損為主。隨磨損時間的加長，摩擦過程產(chǎn)生的大量的熱來不及散出去，使粘著導致材料的脫落形成一層氧化物，試樣磨損表面的氧化物層不僅起到潤滑作用，而且有效地隔離了兩個摩擦表面，減少了金屬與偶件之間的直接接觸，在摩擦力的作用下，脆而硬的氧化層很 容易破碎，從而使基體金屬裸露出來，造成基體撕裂，氧化順著溝槽向內(nèi)部擴散，磨損過程中就是薄而脆的氧化膜不斷剝落生成磨屑，由于無法及時排出而在磨損面來回碾壓，有的重新進入摩擦副。而隨著磨損時間的增加，磨損試樣邊緣開始伴有微量的變形。

3 結(jié)語

（1）7075鋁合金在在時效時間為8h到16h時，處于亞時效階段，其磨損性能增強。在時效時間為24h到48h時，處于過時效階段，其磨損性能下降。在時效時間為16h到24h之間，達到時效峰值，其磨損性能最好。

（2）7075鋁合金的磨損機制主要是氧化磨損機制。