ZK61鎂合金的磨損性能*

胡耀波，楊生偉，蒙萬秋，姚青山,潘復生,2

(1. 重慶大學 材料科學與工程學院, 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044;>2. 國家鎂合金材料工程技術研究中心, 重慶 400044)

?

ZK61鎂合金的磨損性能*

胡耀波1，楊生偉1，蒙萬秋1，姚青山1,潘復生1,2

(1. 重慶大學 材料科學與工程學院, 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044;>2. 國家鎂合金材料工程技術研究中心, 重慶 400044)

在MDW-02高速往復摩擦磨損試驗機上，通過設置不同參數(shù)的滑動干摩擦實驗，研究了載荷、滑動速度和時間對時效態(tài)ZK61鎂合金磨損性能的影響，并繪制了磨損機制轉變圖。采用掃描電子顯微鏡(SEM)對磨損試樣表面形貌進行了分析，結果表明，當滑動速度(0.12 m/s)一定時，ZK61鎂合金的磨損量隨著載荷和時間的增加而增加，載荷愈大，磨損愈嚴重，在120 N、60 min時發(fā)生輕微磨損向嚴重磨損的轉變。當滑動時間(20 min)一定時，ZK61鎂合金的磨損形式隨著滑動速度和載荷的增大而發(fā)生變化。當滑動速度(0.12 m/s)較小時，在不同載荷(50～150 N)下均表現(xiàn)為輕微磨損；當滑動速度為0.24 m/s，載荷超過 100 N后磨損進入嚴重磨損階段；當滑動速度(0.36 m/s)較大時，均表現(xiàn)為嚴重磨損。

ZK61鎂合金；摩擦磨損；磨損量；磨損機制

0 引 言

鎂合金由于密度低，性能高等眾多優(yōu)點，廣泛地應用于航空、汽車運輸、結構材料、電子等工業(yè)領域[1]。但是，鎂合金零件在應用中總會和其它零件發(fā)生接觸或相對運動，此接觸或相對運動使表面光潔度降低，產(chǎn)生塑性變形等，導致鎂合金零件尺寸精度降低，甚至結構失效，同時在鎂合金的擠壓、軋制和鍛壓等加工工藝中磨損也是必要的考慮因素[2]。

目前，關于鎂合金磨損性能的大多數(shù)報道，其研究對象主要為AZ系鎂合金。趙旭等[3]研究了滑動干摩擦條件下載荷和時間對鎂合金AZ31磨損性能的影響。結果表明，合金的磨損質量損失在不同的載荷下均隨磨損時間的增加而呈線性增加，載荷增加使磨損失重增加更顯著。El-Morsy等[4]通過對AZ61鎂合金磨損性能的研究，將磨損機制劃分為輕微磨損和嚴重磨損兩大類。An等[5]在滑動干摩擦條件下，利用銷-盤裝置研究了鑄態(tài)鎂合金Mg97Zn1Y2和AZ91的磨損性能。結果表明，鎂合金在磨損過程中存在5種磨損機理，分別是擦傷，氧化、剝層、熱軟化和熔融。除此之外，Hiratsuka等[6]利用銷-盤裝置研究了純鎂的磨損性能。結果表明，純鎂的磨損形式取決于實驗環(huán)境，在空氣中，其磨損形式表現(xiàn)為氧化磨損；而在真空(2.5×10-4Pa)中，表現(xiàn)為金屬磨損。

ZK61鎂合金作為一種商用的高強度變形鎂合金，其性能優(yōu)異，應用廣泛[7]。 但是，目前國內(nèi)外對它的報道主要集中在晶粒細化、超塑性和復合材料的研究方面[8-12]，在摩擦磨損性能方面的探究明顯不足。故此，本文通過設置不同參數(shù)的滑動干摩擦實驗，研究了載荷、滑動速度和時間對時效態(tài)ZK61鎂合金磨損性能的影響，通過考察各種磨損組分特征(磨損量、磨面)探討其磨損機理，繪制出ZK61鎂合金的磨損機制轉變圖。這對于ZK61鎂合金的進一步應用及其磨損性能的提高具有重要的實際意義。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗所用材料為時效態(tài)ZK61鎂合金，其主要化學成分見表1。

表1 ZK61鎂合金的主要化學成分(%,質量分數(shù))

1.2 實驗方法

將鑄態(tài)ZK61鎂合金在SKRJ1-00型熱處理爐中進行固溶處理(400 ℃×18 h)，隨后在800 T臥式擠壓機上進行熱擠壓，擠壓前試樣在所需溫度下保溫2 h，擠壓溫度為350 ℃，擠壓比為26，出口速率為1 m/min。最后，將擠壓態(tài)合金在175 ℃時效8 h，再空冷至室溫[13]，得到時效態(tài)ZK61鎂合金。

摩擦磨損實驗在MDW-02高速往復摩擦磨損試驗機上進行，摩擦形式為室溫下的干滑動摩擦，將材料制備成60 mm×10 mm×4 mm的長方體磨損試樣，試樣待磨損表面經(jīng)1000﹟SiC砂紙統(tǒng)一磨制而成，摩擦副材料為GCr15鋼球。磨損實驗前后，試樣均用乙醇溶液清洗并烘干，同時采用型號為JA5003N型電子天平稱量試樣質量，計算出磨損前后的質量損失，即磨損量。采用VEGA Ⅱ LMU型號掃描電子顯微鏡分析磨損表面形貌，其具體實驗參數(shù)見表2。

表2 ZK61鎂合金磨損實驗參數(shù)

2 結果與討論

2.1 ZK61鎂合金的顯微組織

圖1(a)和(b)分別為 ZK61鎂合金鑄態(tài)和時效態(tài)的金相顯微組織，兩者均用苦味酸腐蝕液(1.5 g苦味酸，10 mL乙酸和70 mL乙醇)進行腐蝕。

圖1 ZK61鎂合金金相顯微組織

從圖 1(a)可以看出，經(jīng)腐蝕后的鑄態(tài)組織主要由白色基體和黑色顆粒組成，根據(jù)前人的研究可知[14]，其中白色的基體為α-Mg，黑色顆粒相，靠近類似片狀的共晶組織出現(xiàn)，為 MgZn2相。另外，還能觀察到極少數(shù)單獨存在的細長條相，它們是Zr形成的相[15]。從圖1(b)可以看出， ZK61鎂合金的時效態(tài)顯微組織相比于鑄態(tài)原始組織，晶界共晶組織消失，細小、均勻彌散的第二相MgZn2析出，同時合金的晶粒還被擠壓破碎，得到明顯細化。由D.Y.Maeng等[16]的研究可知，擠壓后MgZn2相經(jīng)大變形而變成針狀。

2.2 不同載荷及不同時間下ZK61的摩擦磨損性能

圖2為0.12 m/s滑動速度下，不同載荷(25～150 N)下ZK61鎂合金的磨損量隨摩擦磨損時間變化的關系圖。從圖中可以看出，在不同的施加載荷下，合金的磨損量均隨著磨損過程的進行而增加。其中，在40～60 min時間段內(nèi)，載荷分別為100和120 N時的曲線斜率最大，即磨損量增加最快，而在60～80 min時間段內(nèi)，磨損量增加較緩慢，據(jù)此可知在60 min下載荷為100或120 N時發(fā)生輕微磨損向嚴重磨損的轉變。

圖2 滑動速度0.12 m/s時，不同載荷下磨損量隨時間變化的曲線

圖3為 ZK61鎂合金試樣在以0.12m/s的滑動速度在不同載荷下持續(xù)磨損80 min后的磨損表面形貌圖。從圖3(a)、(b)可以看出，磨損表面出現(xiàn)了平行于滑動方向的許多明顯的犁溝和少量的輕微裂紋，通常出現(xiàn)這種情況的磨損機制為磨粒磨損[4]；并且在滑動摩擦過程中，產(chǎn)生摩擦熱，這些摩擦熱會使合金表面材料發(fā)生部分氧化，從而形成氧化層，該氧化層又隨著磨損的進行而被去除，即發(fā)生了氧化磨損。在圖3(c)、(d)中，當載荷增加到75和100 N時，磨損表面不但出現(xiàn)了磨粒磨損應有的特征，而且還在犁溝附近出現(xiàn)部分表層裂紋，犁溝變寬加深，發(fā)生輕微的塑性變形，磨損表面變得光滑，以及部分氧化層即將剝落，這些現(xiàn)象都屬于輕微剝層磨損的特征[17]，即此時磨粒磨損與輕微剝層磨損同時存在。在圖3(e)中，隨著載荷的持續(xù)增大，磨損表面出現(xiàn)了較多的垂直于滑動方向的裂紋和一些較深的剝落坑，發(fā)生了剝層磨損。這些剝落坑是在滑動過程中，由于亞表層中產(chǎn)生的裂紋擴展、匯合，使氧化膜剝落而留下的，并且還在磨損表面出現(xiàn)較大面積的表層金屬移動，發(fā)生較輕微的塑性變形，屬于輕微塑性變形磨損。因此，當載荷為120 N時，同時發(fā)生著剝層磨損和輕微塑性變形磨損。在圖3(f)中，當載荷增大到150 N時，整個摩擦過程中產(chǎn)生的摩擦熱，使合金表層發(fā)生軟化，并在法向載荷和摩擦力的共同作用下，磨損表面開始出現(xiàn)嚴重的塑性變形，從而導致部分基體移動并脫離基體金屬，最終形成了不規(guī)則丘陵狀表面結構，說明試樣在大載荷下產(chǎn)生了塑性變形磨損。

圖3 不同載荷下以0.12 m/s的滑動速度作用80 min 后的磨面形貌

2.3 不同載荷及不同速度下ZK61的摩擦磨損性能

圖4為ZK61鎂合金試樣在不同載荷(50～150 N)下作用20 min時速度對磨損量的影響曲線。從圖4可以看出，在每一固定負載下，ZK61鎂合金的磨損量隨著滑動速度的增大而持續(xù)增加，這是因為在滑動過程中，隨滑動速度的增大，存在高速摩擦放熱現(xiàn)象，使合金試樣與摩擦副的接觸表面溫度相應增加，從而使得磨損量增加。從圖4中還可以看出， ZK61鎂合金的磨損量隨著載荷的增大而增加。這種磨損量隨著負載增加而增加的現(xiàn)象，主要是因為合金與摩擦副之間的摩擦系數(shù)在達到穩(wěn)定的情況下，由于外加載荷的增加，使得存在于合金與摩擦副之間的摩擦力增大，從而使合金的磨損量增加。

圖4 不同載荷作用20 min時速度對磨損量的影響

圖5為 ZK61鎂合金試樣在以不同滑動速度和載荷下持續(xù)磨損20 min后的磨損表面形貌圖。由圖5(a)可以看出，當速度(0.12 m/s)載荷(50 N)都比較小時，在磨損表面有很多明顯的溝槽以及擦傷痕跡，并且它們總體上都平行于滑動方向，這是由于摩擦副的表面存在堅硬的微凸體或接觸面間存在硬質粒子，這些微凸體或硬質粒子以犁削和微切削的方式作用于磨損表面。說明當滑動速度和載荷都較小時，磨損以磨粒磨損方式進行，屬于輕微磨損階段。當載荷分別增加到100和150 N時，如圖5(b)、(c)所示，磨損表面出現(xiàn)了垂直于滑動方向的裂紋，以及尺寸較大的剝落坑，此時磨損以剝落方式進行，這是由于亞表層中裂紋的形成、生長和聚集，最終導致在磨損表面上出現(xiàn)氧化膜剝離的大尺寸剝落坑。

由圖5(d)可以看出，當速度增加到0.24 m/s，而載荷(50 N)較小時，有平行于滑動方向的犁溝存在于磨損表面，并且犁溝加寬變深，屬于磨粒磨損特征；另外還可以看到一些輕微表層裂紋以及垂直于滑動方向的裂紋，它們是表面氧化膜在表面切應力的作用下產(chǎn)生的，接著這些裂紋繼續(xù)擴展、交叉，最終使表面氧化層發(fā)生輕微的剝落，產(chǎn)生輕微的剝層磨損。當載荷增加到100 N時，如圖5(e)所示，該合金試樣磨損表面的犁溝變寬加深，出現(xiàn)相對明顯的擠壓效果。另外，凹槽兩側邊緣出現(xiàn)不規(guī)則形貌，且有較大面積的金屬剝落，這說明，此時的主要磨損機制為塑性變形。當載荷持續(xù)增加到150 N時，如圖5(f)所示，磨損表面出現(xiàn)很嚴重的塑性變形，磨損以塑性變形方式進行，這是因為摩擦熱引起的高溫導致了材料亞表層的塑性變形，致使磨損過程中出現(xiàn)這一形貌。

由圖5(g)可以看出，當速度持續(xù)增加到0.36 m/s，而載荷(50 N)較小時，丘陵狀區(qū)域產(chǎn)生垂直于滑動方向的裂紋并開始剝落，出現(xiàn)剝落坑，這是在表面切應力的作用下表面氧化層發(fā)生的剝落，此時出現(xiàn)剝層磨損，并且凹槽邊緣形狀不規(guī)則，發(fā)生較嚴重的塑性變形，部分表層金屬發(fā)生移動，此時出現(xiàn)輕微塑性變形磨損。當載荷增加到100 N時，從圖5(h)可以看出，此時熱軟化開始起到主導作用，再觀察磨損表面，出現(xiàn)很明顯的嚴重塑性變形，這是由于在磨損過程中產(chǎn)生的摩擦熱不斷積聚，使磨損表面溫度逐漸升高、表層金屬持續(xù)軟化，并且表層金屬在沿著滑動方向的熱擠壓作用下，逐漸被擠出接觸表面，使部分表層金屬發(fā)生粘著移動。當載荷持續(xù)增加到150 N時，如圖5(i)所示，此時接觸表面的局部溫度超過了合金試樣表面金屬的熔化溫度，出現(xiàn)表層金屬熔化嚴重，而且在正壓力下，大量熔化的金屬在接觸表面不斷向前鋪展并向側面移動，表現(xiàn)為熔融磨損，此時質量損失很大，磨損嚴重。

圖5 不同載荷和速度作用20 min 后的磨面形貌

根據(jù)20 min時不同速度和不同載荷下ZK61鎂合金的磨面形貌和分析結果可知，當滑動速度為0.12 m/s時，在不同載荷(50～150 N)下均表現(xiàn)為輕微磨損而沒有出現(xiàn)較嚴重的磨損；在0.24 m/s時，當載荷超過 100 N后磨損進入嚴重磨損階段；在滑動速度為0.36 m/s時均出現(xiàn)嚴重磨損。據(jù)此繪制了不同載荷和不同速度下ZK61鎂合金由輕微磨損向嚴重磨損的轉變圖，如圖6所示。磨損轉變圖給出了磨損機制由輕微磨損向嚴重磨損轉變的臨界條件，這對于確定ZK61鎂合在存在磨損的應用狀況時的使用條件具有重要的參考意義。

圖6 不同載荷及不同速度下由輕微磨損向嚴重磨損的轉變圖

3 結 論

(1) 通過對磨損表面的SEM觀察和分析表明，在干滑動摩擦條件下，可將時效態(tài)ZK61鎂合金的磨損機制劃分成輕微磨損和嚴重磨損兩大類。輕微磨損在相對穩(wěn)定狀況下進行，磨損表面比較光滑，包括磨粒磨損、氧化磨損和剝層磨損；而嚴重磨損在非穩(wěn)定狀況下進行，磨損表面有坑狀剝層或者摩擦焊合現(xiàn)象，包括塑性變形和熔融磨損。

(2) 在滑動速度(0.12 m/s)固定的情況下，ZK61鎂合金的磨損量均隨著磨損時間和施加載荷的增大而增大，載荷愈大，磨損愈嚴重，在120 N、60 min時發(fā)生輕微磨損向嚴重磨損的轉變。

(3) 當磨損時間(20 min)一定時，ZK61鎂合金的磨損機制隨著滑動速度和載荷的增大而發(fā)生變化。當滑動速度(0.12 m/s)較小時，在不同載荷(50～150 N)下均表現(xiàn)為輕微磨損；當滑動速度為0.24 m/s，載荷超過 100 N后磨損進入嚴重磨損階段；當滑動速度(0.36 m/s)較大時，均表現(xiàn)為嚴重磨損。

[1] Xu Riyao, Liu hongzhuan. The vitality and production of Magnesium alloy [J]. Light Metals, 1999,(11): 47-49.

徐日瑤, 劉宏專. 鎂基合金的活力及其生產(chǎn)[J]. 輕金屬, 1999 (11): 47-49.

[2] Chen H, Alpas A T. Sliding wear map for the magnesium alloy Mg-9Al-0.9 Zn (AZ91)[J]. Wear, 2000, 246(1): 106-116.

[3] Zhao Xu, Huang Weigang, Zheng Tianqun, et al. Study on wear characteristics of magnesium alloy AZ31[J]. Journal of Materials Engineering, 2008, (5): 1-3.

趙 旭, 黃維剛, 鄭天群, 等. 鎂合金 AZ31 的磨損性能研究[J]. 材料工程, 2008, (5): 1-3.

[4] El-Morsy A W. Dry sliding wear behavior of hot deformed magnesium AZ61 alloy as influenced by the sliding conditions[J]. Materials Science and Engineering: A, 2008, 473(1): 330-335.

[5] An J, Li R G, Lu Y, et al. Dry sliding wear behavior of magnesium alloys[J]. Wear, 2008, 265(1): 97-104.

[6] Hiratsuka K, Enomoto A, Sasada T. Friction and wear of Al2O3, ZrO2and SiO2rubbed against pure metals[J]. Wear, 1992, 153(2): 361-373.

[7] Chen Zhenhua. Wrought magnesium alloys [M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2005: 21-34.

陳振華. 變形鎂合金[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2005: 21-34.

[8] Mukai T, Yamanoi M, Watanabe H, et al. Effect of grain refinement on tensile ductility in ZK60 magnesium alloy under dynamic loading[J]. Materials Transactions-JIM, 2001, 42(7): 1177-1181.

[9] Kim W J, Moon I K, Han S H. Ultrafine-grained Mg-Zn-Zr alloy with high strength and high-strain-rate superplasticity[J]. Materials Science and Engineering: A, 2012, 538: 374-385.

[10] Yu Yandong, Zhang Kaifeng, Jiang Daming, et al. Superplasticity and superplastic bulging capability of rolled magnesium alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2003, 13(1): 71-75.

于彥東, 張凱鋒, 蔣大鳴，等. 軋制鎂合金超塑性和超塑脹形[J]. 中國有色金屬學報, 2003, 13(1): 71-75.

[11] Xie Xianqing, Fan Tongxiang, Zhang Di, et al. Fabrication and properties of high damping woodceramics/MB15 composite [J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2003, 20(1): 7-11.

謝賢清, 范同祥, 張 荻, 等. 高阻尼木質陶瓷/MBl5 復合材料的制備及性能分析[J]. 復合材料學報, 2003, 20(1): 7-11.

[12] Yue T M, Wang A H, Man H C. Improvement in the corrosion resistance of magnesium ZK60SiC composite by excimer laser surface treatment[J]. Scripta Materialia, 1997, 38(2): 191-198.

[13] Wang Huimin, Chen Zhenhua, Yan Hongge, et al. Heat treatment of magnesium alloys[J]. Heat Treatment of Metals, 2005, 30(11): 49-54.

王慧敏, 陳振華, 嚴紅革, 等. 鎂合金的熱處理[J]. 金屬熱處理, 2005, 30(11): 49-54.

[14] Ma Yanlong, Pan Fusheng, Zuo Rulin. Review on the research of high-strength wrought magnesium alloy ZK60[J]. Journal of Chongqing University, 2004, 27(9): 80-85.

麻彥龍, 潘復生, 左汝林. 高強度變形鎂合金 ZK60 的研究現(xiàn)狀[J]. 重慶大學學報: 自然科學版, 2004, 27(9): 80-85.

[15] Zhang Shaoqing. Phase constitution and morphologies of Mg-Zn-Zr alloy (MB15)[J]. Acta Metallurgica Sinica, 1989, 25(5): 36-41.

張少卿. MB15 鎂合金的相組成及其微觀形態(tài)[J]. 金屬學報, 1989, 25(5): 36-41.

[16] Maeng D Y, Kim T S, Lee J H, et al. Microstructure and strength of rapidly solidified and extruded Mg-Zn alloys[J]. Scripta materialia, 2000, 43(5): 385-389.

[17] Suh N P. The delamination theory of wear[J]. Wear, 1973, 25(1): 111-124.Wear characteristics of ZK61 magnesium alloy

HU Yaobo1, YANG Shengwei1, MENG Wanqiu1, YAO Qingshan1, PAN Fusheng1,2

(1. State Key Laboratory of Mechanical Transmissions, College of Materials Science and Engineering,Chongqing University, Chongqing 400044, China;2. National Engineering Research Center for Magnesium Alloys, Chongqing 400044, China)

The effect of the load, sliding speed and time on the wear behavior of the ageing ZK61 magnesium alloy was investigated by setting different parameters in this paper. The wear tests were carried out using the MDW-02 high speed reciprocating friction and wear testing machine. Microstructures of worn surfaces were characterized by scanning electron microscope (SEM) and wear mechanism map of the studied alloy was proposed. The results show that, wear mass of ZK61 magnesium alloy both increase with wear time and applied load under the conditions of a sliding speed of 0.12 m/s, and the transformation of mild wear to severe wear is in 120 N and 60 min. Moreover, the wear mechanism of ZK61 magnesium alloy changes with the increase of the applied load and sliding velocity under the conditions of a fixed wear time 20 min. Low sliding velocities led to mild wear regardless of the load used. Intermediate speeds the main mechanism changed from mild wear to severe wear at the applied load exceeded 100 N. At high speeds led to severe wear mechanism under the all applied load.

ZK61 magnesium alloy; friction and wear; wear mass; wear mechanism

1001-9731(2016)10-10157-05

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2016YFB0101604)；機械傳動國家重點實驗室資助項目(SKLMT-ZZKT-2015M03)

2016-01-11

2016-04-22 通訊作者：胡耀波，E-mail: yaobohu@cqu.edu.cn

胡耀波 (1974-)，男，湖北襄陽人，博士，副教授，主要從事鎂合金研究。

TG146.2+2

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.10.029