Bi對2A12鋁合金摩擦磨損特性的影響研究

尹延國，朱國乾，林楨弟

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009；2.嘉善雙飛潤滑材料有限公司，浙江 嘉興 314115)

鋁基滑動(dòng)軸承合金是一種質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好的軸承材料，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、航空航天等領(lǐng)域。鋁錫系軸承合金是應(yīng)用較早的鋁基軸承合金，高錫鋁基軸承合金雖在減摩性、抗咬合性和嵌藏性等[1]方面有較大優(yōu)勢，但其硬度和強(qiáng)度較低，承載能力差；低錫鋁基軸承合金承載能力有所提升，但減摩、抗粘著性能弱化，難以滿足使用要求[2]。隨后發(fā)展起來的鋁鉛系軸承合金[3]因具有良好的減摩、耐磨性、抗咬合性能以及較強(qiáng)的承載能力獲得了廣泛應(yīng)用；然而，隨著近年來對材料環(huán)保性能的要求不斷提高，鉛類材料的使用也因此受到限制[4]。因此，研制開發(fā)替代傳統(tǒng)鋁錫及鋁鉛系軸承材料的新型環(huán)保高承載低摩擦磨損的鋁基軸承材料將具有較好的應(yīng)用前景。

與鉛和錫元素相比，同是低熔點(diǎn)組元的金屬元素鉍(Bi)，不溶于鋁基合金，在鋁合金基體中以游離態(tài)形式存在[5]，對材料的強(qiáng)度影響較小，在摩擦過程中由于摩擦熱的作用，Bi熔化析出于摩擦副表面，形成具有減摩、抗粘著作用的自潤滑金屬膜[6]，改善基體材料的摩擦磨損性能，已在鋁硅[6-7]合金及銅基材料[8]中得到應(yīng)用。然而，對于含Bi鋁基軸承材料摩擦學(xué)特性及磨損機(jī)理的研究較少。

為此，采用攪拌鑄造方法制備了含Bi的Al-Cu軸承材料，研究其摩擦學(xué)特性及規(guī)律，探討B(tài)i在減摩、抗粘著方面的作用與機(jī)理，為研制開發(fā)新型高性能環(huán)保鋁基軸承材料提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣材料的制備

2A12合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))見表1。在2A12合金成分的基礎(chǔ)上添加不同含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～8%)的Bi來制備試樣。

表1 2A12合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

熔煉工藝流程：將一定質(zhì)量的2A12鋁錠(GB/T 3190—2008《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》)放入坩堝電阻爐中升溫熔化，升溫至750 ℃時(shí)加入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Bi塊，再加入Ti和B變質(zhì)劑(以中間合金形式)，吹氮?dú)饩珶? min，保溫30 min，然后扒渣，升溫至720～750 ℃澆鑄試樣，澆鑄前采用機(jī)械法攪拌以保證合金成分的混合均勻性。

熱處理工藝流程：試樣進(jìn)行固溶時(shí)效處理，即加熱到490 ℃保溫6 h，水冷，再將其加熱到190 ℃保溫6 h，空冷。

1.2 試驗(yàn)方法

顯微組織經(jīng)打磨、拋光、腐蝕后在MR5000立式金相顯微鏡下觀察；宏觀硬度用HR-150A洛氏硬度計(jì)測試，根據(jù)GB/T 230.1—2009《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn)》進(jìn)行試驗(yàn)，軸向載荷980.7 N，施加2～3 s，保持4～6 s，環(huán)境溫度15 ℃。

摩擦磨損試驗(yàn)在自制的HDM-20端面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試樣固定，對磨件轉(zhuǎn)動(dòng)，其接觸形式如圖1所示。對磨件為Cr12鋼(59～63 HRC)，內(nèi)徑34 mm，外徑40 mm，表面粗糙度Ra為0.2 μm；試樣直徑49 mm，厚度6.5 mm，表面粗糙度Ra為0.2 μm。試驗(yàn)條件為：軸向載荷為1 500 N，轉(zhuǎn)速為517 r/min(線速度為1.0 m/s)，浸油潤滑。試驗(yàn)過程中的摩擦因數(shù)和摩擦溫度等數(shù)據(jù)由試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)檢測記錄，其中摩擦溫度采用接觸式測量方法，通過熱電偶溫度儀測量，再由試驗(yàn)機(jī)智能檢測系統(tǒng)自動(dòng)檢測記錄；試樣磨損前后的質(zhì)量采用GP-300E固體密度測試儀稱量。

圖1 摩擦副接觸方式和試樣磨痕形狀

2 結(jié)果與討論

2.1 組織與硬度

不同Bi含量的2A12合金的顯微組織如圖2所示。由圖可知，Bi的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，5%的合金中，Bi呈球狀分布于鋁基體中，與基體不容；Bi的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的合金中沒有出現(xiàn)明顯的球狀物，隨著Bi含量的增加，球狀物的數(shù)量增多。

(a)Al-1%Bi

不同Bi含量合金的洛氏硬度如圖3所示。由圖可知，隨著Bi含量的增加，合金的硬度不斷降低，未添加Bi的2A12合金硬度為76 HRB，Bi的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，合金硬度最小，為60 HRB，硬度降低了21.1%，這是因?yàn)锽i為低硬度的軟質(zhì)金屬元素，其與基體合金不相容，呈游離態(tài)分布于鋁基體中，Bi含量越大，含Bi的鋁基材料受力后越易變形，所以硬度不斷減小。

圖3 不同Bi含量合金洛氏硬度變化情況

2.2 Bi對2A12合金摩擦磨損性能的影響

邊界潤滑條件下，不同Bi含量的2A12合金摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化情況如圖4所示,其平均摩擦因數(shù)隨Bi的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化如圖5所示。

圖4 摩擦因數(shù)與試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系曲線

圖5 不同Bi含量合金平均摩擦因數(shù)變化情況

由圖4可知，該潤滑條件下，不含Bi的基體材料減摩及抗粘著特性較差，摩擦副的摩擦因數(shù)在15 min時(shí)已較高(摩擦因數(shù)為0.090)，且持續(xù)上升，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行30 min后，摩擦副的摩擦因數(shù)明顯升高(摩擦因數(shù)為0.121)，隨后摩擦副運(yùn)行逐漸不平穩(wěn)，振動(dòng)、摩擦噪聲較大，致使試驗(yàn)機(jī)停機(jī)。與不含Bi的基體材料相比，含Bi的合金表現(xiàn)出較好的摩擦學(xué)性能，摩擦副的摩擦因數(shù)較低，且均能平穩(wěn)運(yùn)行一段時(shí)間。Bi的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，試樣的摩擦因數(shù)較低，60 min 內(nèi)，摩擦因數(shù)基本都保持在0.04以下，雖有波動(dòng)，但變化幅度較??；Bi的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，試樣的摩擦因數(shù)在15 min后變?yōu)樽畲?0.060)，而后降低，經(jīng)過25 min磨合后降至0.040以下且有繼續(xù)降低的趨勢；Bi的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～5%時(shí)，試樣平穩(wěn)階段摩擦副摩擦因數(shù)維持在0.070～0.090范圍內(nèi)，比不含Bi的基體合金的摩擦因數(shù)小。從總體上看，試驗(yàn)條件下，Bi的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%～8%的鋁基軸承材料在減摩、抗粘著方面具有較好的表現(xiàn)，這是因?yàn)锽i較軟，受剪切易變形，Bi含量較低時(shí)，摩擦過程中溫升較快，油膜較易破裂，造成摩擦副局部區(qū)域直接接觸，摩擦因數(shù)增大；溫度升高也使Bi熔化析出于摩擦副表面形成自潤滑金屬膜，起到保護(hù)鋁基體的作用，Bi含量的增加有利于形成連續(xù)的潤滑金屬膜，從而使材料具有較好的減摩、抗粘著作用。

由圖5可知，2A12合金試樣的摩擦因數(shù)高達(dá)0.117，加入1%～5%的Bi元素后，合金的摩擦因數(shù)在0.060～0.090范圍內(nèi)波動(dòng)，這是由于摩擦過程中接觸點(diǎn)的金屬處于塑性流動(dòng)狀態(tài)，在接觸點(diǎn)處產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，致使Bi元素軟化、熔化、析出，當(dāng)瞬時(shí)高溫消失后，Bi固化過程中在局部區(qū)域輕微堆積，進(jìn)而逐漸剝落使摩擦因數(shù)稍微上升，但整體上由Bi含量增加形成的較為完整的金屬膜與油協(xié)同潤滑，從而使摩擦因數(shù)降低起主導(dǎo)作用，這也使得Bi的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～5%合金的摩擦因數(shù)低于Bi的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～2%合金；當(dāng)Bi的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至6%～8%時(shí)，合金的摩擦因數(shù)持續(xù)降低，最終維持在0.02左右，即當(dāng)Bi的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至6%時(shí)，含Bi的軸承材料表現(xiàn)出較好的減摩、抗粘著性能。

摩擦副表面溫度隨試驗(yàn)時(shí)間的變化曲線如圖6所示。由圖可知，不含Bi的2A12基體合金組成的摩擦副的表面溫度在35 min時(shí)達(dá)到180 ℃以上，表面溫升較快；含Bi基體合金所組成摩擦副摩擦因數(shù)較低，所產(chǎn)生的摩擦熱較少，表面溫升較慢，這是由于低熔點(diǎn)金屬Bi在摩擦過程中熔化吸熱。試驗(yàn)前10 min，含Bi合金材料所組成的摩擦副溫升都較快；隨后，Bi的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～5%的基體合金摩擦副表面溫度始終保持在150～170 ℃范圍內(nèi)，雖溫升較快，但低于不含Bi的基體合金摩擦表面溫升(180 ℃)；Bi的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%～8%的基體合金所組成的摩擦副的表面溫升明顯遲緩，直到試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，其表面溫度變化亦不大，Bi的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6%，8%的合金材料表面溫度分別穩(wěn)定在80，60 ℃左右。總體上看，Bi降低了摩擦溫升速率，從而避免了摩擦副運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)“咬合”現(xiàn)象，這也進(jìn)一步說明，Bi的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%～8%時(shí)基體合金的摩擦學(xué)性能較好。

圖6 表面溫度與試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系曲線

不同Bi含量的合金試樣摩擦試驗(yàn)后的磨損量如圖7所示。由圖可知，隨著Bi含量的增加，試樣的磨損量減少，當(dāng)Bi的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至8%時(shí)，磨損量最小，為2 mg。

圖7 不同Bi含量合金磨損量變化情況

摩擦磨損試驗(yàn)中，2A12合金試樣的摩擦副摩擦因數(shù)及表面溫度已較高，摩擦副運(yùn)行不平穩(wěn)，發(fā)生粘著咬合，磨損劇烈，30 min后試驗(yàn)機(jī)即停機(jī)；含Bi的鋁基合金材料平穩(wěn)運(yùn)行的時(shí)間較長，磨損較為緩和。

3 結(jié)論

不含Bi的鋁基合金減摩、抗粘著性能較差；含Bi的鋁基軸承材料的減摩、抗粘著性能較好：

1)含Bi的合金材料硬度有所降低，Bi含量越高，硬度越低。

2)Bi的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%～8%的鋁基軸承材料表現(xiàn)出較好的摩擦學(xué)性能，其組成的摩擦副運(yùn)行平穩(wěn)，摩擦因數(shù)低，摩擦溫升小，磨損量較小。