Mg-Zn-Gd準(zhǔn)晶增強AZ31鎂基復(fù)合材料的摩擦磨損性能

李淑波，吳海榮，王朝輝，劉 軻，杜文博（北京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124）

Mg-Zn-Gd準(zhǔn)晶增強AZ31鎂基復(fù)合材料的摩擦磨損性能

李淑波，吳海榮，王朝輝，劉 軻，杜文博
（北京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124）

以Mg-Zn-Gd準(zhǔn)晶中間合金為增強相，AZ31鎂合金為基體合金，采用多次循環(huán)塑性變形技術(shù)制備準(zhǔn)晶增強鎂基復(fù)合材料，并在低載荷條件下對合金和復(fù)合材料進(jìn)行耐磨性能研究。結(jié)果表明: 當(dāng)變形次數(shù)為250次時，準(zhǔn)晶中間合金含量為10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的復(fù)合材料中第二相分布最為均勻；AZ31鎂合金和復(fù)合材料的摩擦因數(shù)均隨載荷的增加而略有降低；高熱穩(wěn)定性及高硬度準(zhǔn)晶的加入有效提高復(fù)合材料的耐磨性能。

Mg-Zn-Gd準(zhǔn)晶；復(fù)合材料；反復(fù)塑性變形；磨損

鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，在汽車等交通工具上的應(yīng)用也越來越受到重視［1］。但是鎂合金的摩擦因數(shù)高于一些傳統(tǒng)耐磨材料的，這在很大程度上就限制了鎂合金材料在運動部件上的應(yīng)用。為了提高鎂合金的耐磨性能，可通過向鎂合金中添加稀土元素/堿土元素生成熱穩(wěn)定較高的第二相［2?7］，或通過添加SiCp［8?9］、碳纖維［10］、硼酸鎂晶須［11］、Al2O3纖維［12?13］制備鎂基復(fù)合材料等手段都能夠有效提高鎂合金的摩擦性能。QI等［6］研究了分別加入富鈰混合稀土及Al2O3f與石墨顆粒（Graphite particle， Grp）混雜增強AZ91合金/復(fù)合材料的摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)稀土元素的加入推遲了鎂合金從輕微磨損向嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變過程；在低載荷下，Al2O3f對摩擦具有良好的承載能力，提高了復(fù)合材料的耐磨性。LIM等［9］研究發(fā)現(xiàn)，SiC顆粒的加入使得AZ91合金的耐磨損率提高了15%～30%。

準(zhǔn)晶由于其高硬度、低摩擦因數(shù)、低表面能等特性成為近年來鎂合金［14?16］和鎂基復(fù)合材料［17?19］領(lǐng)域研究的熱點。關(guān)于準(zhǔn)晶鎂合金摩擦磨損性能的研究目前只在 Mg-Zn-Y 合金中有過報道［20?21］，朱先勇等［20］的研究中指出，準(zhǔn)晶的存在能有效提高合金的耐磨性能，并隨著Y含量的增加，Mg-Zn-Y合金的摩擦因數(shù)及磨損質(zhì)量損失均逐漸減小， 耐磨性逐漸增強。但目前為止，而關(guān)于外加準(zhǔn)晶增強鎂基復(fù)合材料的摩擦磨損性能研究還未見報道。因此，本文作者研究利用普通鑄造法制備出準(zhǔn)晶含量較高的Mg-Zn-Gd準(zhǔn)晶中間合金，以AZ31鎂合金為基體，通過多次循環(huán)塑性變形技術(shù)制備準(zhǔn)晶增強AZ31鎂基復(fù)合材料，利用摩擦磨損設(shè)備對復(fù)合材料進(jìn)行摩擦磨損性能測試，分析準(zhǔn)晶的加入對復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響。

1 實驗

本實驗中所用原材料為商用的 AZ31鎂合金和Mg-Zn-Gd準(zhǔn)晶中間合金。其中，AZ31鎂合金成分如下（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：Al為3.03%、Zn為0.95%、Mn為0.03%、余量為Mg。利用車床將AZ31鎂合金加工成尺寸約為500 μm左右的碎屑，碎屑形貌如圖1所示。Mg-Zn-Gd準(zhǔn)晶中間合金的制備過程如下：將Mg-50%Gd合金和純Zn按照Zn與Gd質(zhì)量比6:1進(jìn)行配比并熔煉，制備出準(zhǔn)晶（準(zhǔn)晶I相：Mg3Zn6Gd）含量較高的Mg-Zn-Gd中間合金，將熔煉好的準(zhǔn)晶中間合金切割成小立方塊，用酒精進(jìn)行超聲清洗后利用破碎機破碎成尺寸為 1～5 mm 的小塊，再進(jìn)行球磨，圖2所示為球磨后的準(zhǔn)晶中間合金形貌。

利用多次循環(huán)塑性變形技術(shù)（RPW）制備準(zhǔn)晶增強AZ31鎂基復(fù)合材料，每一次塑性變形過程包括一次壓縮和一次擠壓，壓縮過程采用的是平頭，擠壓過程采用的是尖頭，通過平頭的壓縮和尖頭的擠壓，使得鎂合金基體與添加粒子互相混合、分散均勻。

本實驗中復(fù)合材料制備的具體工藝過程如下：將制備的Mg-Zn-Gd準(zhǔn)晶中間合金粉末與AZ31碎屑按不同質(zhì)量比混合，采用多次循環(huán)塑性變形設(shè)備制備出直徑為35 mm的胚體，然后將胚體在100 t擠壓機中進(jìn)行擠壓，擠壓溫度為275 ℃，擠壓比為10:1。其中準(zhǔn)晶中間合金的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.5%、5%、10%、15% 和20%，反復(fù)塑性變形次數(shù)為250次。為后續(xù)敘述方便，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)由低到高順序?qū)⒑辖鸱謩e命名為試樣1、試樣2、試樣3、試樣4及試樣5。

利用HITACHI?3400型掃描電鏡對復(fù)合材料進(jìn)行微觀組織觀察；摩擦磨損實驗在UMT?2MT型摩擦磨損設(shè)備上進(jìn)行，摩擦形式為銷?盤式干滑動摩擦磨損。待磨損試樣為銷，GCr15軸承鋼球盤，其直徑為 4.0 mm，試樣做干摩擦往復(fù)運動，速度為2.5 mm/s，時間為20 min，滑行總距離為3 m，載荷分別為1 N、1.25 N、1.5 N、1.75 N、2 N，摩擦磨損試樣尺寸為d 12 mm×7 mm。磨損完成后，用白光干涉儀測定的磨損體積來表征磨損性能，用掃描電子顯微鏡（ SEM ）對磨損形貌進(jìn)行觀察分析。

圖1 基體合金AZ31碎屑的SEM像Fig. 1 SEM image of AZ31 magnesium alloy

圖2 準(zhǔn)晶中間合金顆粒的SEM像Fig. 2 SEM image of quasicrystal master alloy

2 結(jié)果與分析

2.1 物相分析

圖3所示為不同準(zhǔn)晶成分復(fù)合材料的XRD譜。從圖3可以看出，復(fù)合材料中主要的相為α-Mg基體和準(zhǔn)晶I相；且隨著準(zhǔn)晶含量的增加，復(fù)合材料中準(zhǔn)晶I相的峰值相對變高。

圖3 不同準(zhǔn)晶成分復(fù)合材料的XRD譜Fig. 3 XRD patterns of composites with different contents of icosahedral quasicrystal

2.2 鑄態(tài)組織

圖4所示為合金1～5的SEM像。從圖4中可以看出很多彌散分布的白色顆粒，并且白色顆粒隨著Mg-Zn-Gd準(zhǔn)晶中間合金含量的增加而增多。綜合圖3中的 XRD分析結(jié)果，可以確定圖片中白色顆粒狀的相為準(zhǔn)晶I相，黑色背景部分則為初始α-Mg基體相；對比圖4中的（a）～（e）可以發(fā)現(xiàn)：準(zhǔn)晶中間合金成分過低（見圖4（a））或過高（見圖4（e））都會導(dǎo)致第二相在基體中的分布不均，準(zhǔn)晶中間合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，第二相分布最為均勻（見圖4（c））；隨著中間合金含量的增加，第二相在復(fù)合材料中的形態(tài)變得不規(guī)則，并且有較大尺寸顆粒存在（見圖4（d）和（e））。

2.3 性能測試

2.3.1 硬度分析

圖5所示為不同含量準(zhǔn)晶增強AZ31鎂基復(fù)合材料的維氏硬度測試結(jié)果。從圖5可以看出，隨著準(zhǔn)晶含量的增加，復(fù)合材料的硬度先增大后降低，即當(dāng)準(zhǔn)晶含量為15%時，復(fù)合材料的硬度達(dá)峰值?？梢姕?zhǔn)晶的加入能有效提高復(fù)合材料的硬度，但是當(dāng)準(zhǔn)晶中間合金含量進(jìn)一步增加到20%時，復(fù)合材料的硬度反而下降。綜合圖4中的顯微組織觀察分析認(rèn)為，當(dāng)準(zhǔn)晶中間合金含量增大到20%時，準(zhǔn)晶中間合金在基體中的分布并不均勻，所以整體硬度降低。因此，后續(xù)的摩擦磨損實驗選擇如下3個成分：即AZ31鎂合金、10%（試樣3）及15%（試樣4）準(zhǔn)晶增強AZ31鎂基復(fù)合材料。

圖4 不同準(zhǔn)晶含量的復(fù)合材料的SEM像Fig. 4 SEM images of composites with different contents of icosahedral quasicrystal: （a） Sample 1； （b） Sample 2； （c） Sample 3；（d） Sample 4； （e） Sample 5

圖5 不同準(zhǔn)晶含量復(fù)合材料的顯微硬度Fig. 5 Microhardness histogram of composites with different contents of icosahedral quasicrystal

2.3.2 摩擦磨損性能

圖6所示為AZ31鎂合金、試樣3及試樣4復(fù)合材料摩擦因數(shù)隨載荷的變化規(guī)律。從圖6可以看出，在本實驗中所加載荷范圍內(nèi)，AZ31基體合金及準(zhǔn)晶增強AZ31復(fù)合材料的摩擦因數(shù)整體上隨載荷的增加略有降低，但變化不大，即在載荷為1～2 N范圍內(nèi)，AZ31合金的摩擦因數(shù)為0.32～0.3，試樣3復(fù)合材料的摩擦因數(shù)為0.25～0.22，試樣4復(fù)合材料的摩擦因數(shù)為0.26～0.25。在其他鎂合金中也發(fā)現(xiàn)摩擦因數(shù)隨載荷增加而降低這一現(xiàn)象［22］。研究認(rèn)為，載荷是通過接觸面積的大小和變形程度來影響摩擦磨損性能的，在滑動摩擦過程中金屬表面處于彈塑性接觸狀態(tài)，由于實際接觸面積與載荷的非線性關(guān)系，使得摩擦因數(shù)隨著載差不大，試樣4復(fù)合材料的摩擦因數(shù)略高于試樣3復(fù)荷的增加而有所降低。與基體AZ31合金相比，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)降低，但兩種復(fù)合材料的摩擦因數(shù)相合材料的。但二者的摩擦因數(shù)差別不大，可見準(zhǔn)晶中間合金的加入能夠有效地提高材料的耐磨性能。

圖6 合金及復(fù)合材料在不同載荷下的摩擦因數(shù)Fig. 6 Friction coefficient of composite material with different contents of icosahedral quasicrystal under different load coefficients

2.4 摩擦磨損機理分析

圖7所示為AZ31合金、試樣3及試樣4復(fù)合材料在載荷為1.5 N條件下摩擦磨損后的SEM像。從圖7（a）中可以看出，AZ31鎂合金磨損表面的犁溝很淺，剝落坑很少，加入準(zhǔn)晶中間合金后，材料的犁溝深度增加，剝落坑的數(shù)量和尺寸也增加，特別是加入15%準(zhǔn)晶中間合金后（見圖7（c）），復(fù)合材料表面的溝槽和剝落坑更明顯。這是由于在滑動摩擦過程中，AZ31鎂合金表面變形較為均勻，因此只可見表面均勻分布的犁溝。在復(fù)合材料中，由于加入硬度較高的準(zhǔn)晶顆粒，在摩擦磨損過程中，基體AZ31合金首先發(fā)生磨損，準(zhǔn)晶顆粒從合金的表面凸出，減弱了 AZ31 基體同摩擦材料表面的直接接觸，因此，磨損表面凸出的準(zhǔn)晶顆粒在摩擦過程中產(chǎn)生的剪切應(yīng)力作用下會發(fā)生斷裂或脫落，形成典型的磨損形貌如剝落坑。

圖7 不同準(zhǔn)晶含量復(fù)合材料在載荷1.5 N下摩擦磨損后的SEM像Fig.7 SEM images of composites with different contents of icosahedral quasicrystal under load of 1.5 N: （a） AZ31 magnesium alloy； （b） Sample 3 composite； （c） Sample 4 composite； （d） Partial enlarged images of （c）

圖8所示為利用白光干涉儀測得的AZ31合金、試樣3及試樣4復(fù)合材料摩擦磨損表面的三維形貌。對比圖7和圖8可以看出，AZ31鎂合金磨損的表面只有犁溝，看起來摩擦磨損不嚴(yán)重，但實際磨痕溝壑深而寬（深磨痕尺寸：寬333.3 μm，深20.5 μm），磨損體積很大，表明耐磨性較差（見圖8（a））。而加入準(zhǔn)晶中間合金增強相后，雖然表面有明顯的磨痕，但三維磨損的溝壑淺而窄，其中試樣3復(fù)合材料的磨痕尺寸為寬277.4 μm，深14.0 μm；試樣4復(fù)合材料的磨痕尺寸為寬232.9 μm，深13.9 μm（（見圖8（b）和圖8（c）），相對應(yīng)的復(fù)合材料的磨損體積也小。

綜合摩擦因數(shù)、磨損表面 SEM形貌及磨損表面三維形貌來看，在相同磨損條件下，準(zhǔn)晶增強 AZ31復(fù)合材料較AZ31基體合金的耐磨性能好。有研究認(rèn)為［22?23］：材料在摩擦過程中，磨損表面不可避免會發(fā)生溫度升高，如果合金中第二相熔點較低，在摩擦過程中隨著溫度的升高，第二相發(fā)生軟化而失去強化作用，降低了耐磨性能。在本實驗中，AZ31合金中主要的第二相Mg17Al12相熔點較低且含量較少，而準(zhǔn)晶中間合金增強 AZ31復(fù)合材料中的增強相準(zhǔn)晶 I相（Mg3Zn6Gd）具有較好的熱穩(wěn)定性且含量較高，因此，在摩擦過程中隨著溫度的升高仍能保持一定的強化作用，一定程度上提高了材料的耐磨性能；另外，準(zhǔn)晶I相的加入有效提高了材料的硬度（見圖5），這表明準(zhǔn)晶I相本身具有較高的硬度，即高硬度準(zhǔn)晶I相的加入也能提高材料的耐磨性能。

15%準(zhǔn)晶中間合金的復(fù)合材料和10%準(zhǔn)晶中間合金的復(fù)合材料的摩擦因數(shù)、磨損形貌及磨痕溝壑差別不大，究其原因，可能是由于15%準(zhǔn)晶中間合金的復(fù)合材料經(jīng)過250次反復(fù)塑性變形后，準(zhǔn)晶中間合金在基體中的分布不如10%復(fù)合材料中的均勻，導(dǎo)致該材料的摩擦磨損性能提高不大。

圖8 不同準(zhǔn)晶含量合金/復(fù)合材料在1.5 N載荷下磨損后的表面三維形貌Fig. 8 Three-dimensional morphologies of wear surface of alloy/composite material under load of 1.5 N: （a） AZ31 magnesium alloy； （b） Sample 3 composite； （c） Sample 4 composite

3 結(jié)論

1） 變形次數(shù)為250次時，準(zhǔn)晶中間合金加入量過低或過高都會導(dǎo)致第二相在基體中的分布不均勻，準(zhǔn)晶中間合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時第二相分布最為均勻。

2） 在載荷為1～2 N范圍內(nèi)，AZ31合金及準(zhǔn)晶增強AZ31復(fù)合材料的摩擦因數(shù)整體上隨載荷的增加略有降低，其中AZ31合金的摩擦因數(shù)約為0.32～0.30，10%復(fù)合材料的摩擦因數(shù)為0.25～0.22，15%復(fù)合材料的摩擦因數(shù)為0.26～0.25。

3） 高熱穩(wěn)定性及高硬度準(zhǔn)晶的加入有效提高復(fù)合材料的耐磨性能及組織的均勻性。

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（編輯 龍懷中）

Friction and wear properties of AZ31 based composites reinforced with Mg-Zn-Gd icosahedral quasicrystal

LI Shu-bo， WU Hai-rong， WANG Zhao-hui， LIU Ke， DU Wen-bo
（College of Materials Science and Engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China）

The Mg-Zn-Gd icosahedral quasicrystal master alloy particles was added into the AZ31 alloy by the repeated plastic working （RPW） process in order to produce AZ31 based composite reinforced by the icosahedral phase. The wear-resistance of the alloys and compositions under a lower load were investigated. The results show that the distribution of reinforcement in the composite with 10% （mass fraction） quasi-crystal master alloy is significantly uniform. The wear coefficient of the AZ31 alloy and composites decreases as the load increases. On the whole， the addition of high-stable and high-hard icosahedral quasicrystal leads to obvious improvement of wear-resistance property.

Mg-Zn-Gd icosahedral quasicrystal； composite； repeated plastic working； wear

Project（51101002） supported by the National Natural Science Foundation of China； Project （311000543115002） supported by the Young Talents Plan of Beijing Municipal Commission of Education， China

date： 2015-06-29； Accepted date： 2015-10-06

LI Shu-bo； Tel: +86-10-67392423； E-mail: lishubo@bjut.edu.cn

TG146.22

A

1004-0609（2016）-04-0732-07

國家自然科學(xué)基金資助項目（51101002）；北京市青年拔尖人才培育計劃資助項目（311000543115002）

2015-06-29；

2015-10-06

李淑波，講師，博士；電話：010-67392423；E-mail：lishubo@bjut.edu.cn