兩種熱處理工藝對(duì)2024鋁合金磨損行為的影響

羅佳佳，白亞平，李建平，郭永春

(西安工業(yè)大學(xué) 材料與化工學(xué)院，西安710021)

2024鋁合金屬于Al-Cu-Mg系合金中的一種，為可熱處理強(qiáng)化的加工鋁合金，具有高強(qiáng)度，低比重，良好的耐熱性及較高的疲勞強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在航空、航天等領(lǐng)域，2024鋁合金在工業(yè)和飛機(jī)制造業(yè)領(lǐng)域有著舉足輕重的地位[1-4].因此，研究熱處理對(duì)2024鋁合金組織和性能的影響有非常重要的意義，尤其是熱處理對(duì)2024鋁合金的壓縮性能和摩擦磨損性能的影響[5]止，國內(nèi)外關(guān)于2024鋁合金研究已經(jīng)有較多報(bào)告，文獻(xiàn)[6-7]利用正交法研究熱處理對(duì)2024鋁合金薄板力學(xué)性能的影響，以及熱處理時(shí)溫度梯度對(duì)2024鋁合金元素?cái)U(kuò)散的影響，發(fā)現(xiàn)固溶溫度的提升有利于提高α固溶體均勻性和過飽和度，為隨后的時(shí)效過程奠定良好的基礎(chǔ) .文獻(xiàn)[8]采用正交法設(shè)計(jì)了2024鋁合金的熱處理工藝方案，發(fā)現(xiàn)合金經(jīng)500 ℃固溶10～30 min，轉(zhuǎn)移時(shí)間小于15 s，25～75 ℃水溫淬火，自然時(shí)效96 h后，析出大量的與基體共格的GP區(qū)和S″相，合金的強(qiáng)韌性優(yōu)良，無晶間腐蝕現(xiàn)象.

基于國內(nèi)外目前對(duì)熱處理后2024鋁合金磨損行為研究較少，本文采用熱壓燒結(jié)制備2024鋁合金，研究其固溶時(shí)效熱處理和均勻化熱處理后的顯微組織、力學(xué)性能和摩擦磨損性能.

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料采用由長沙天久金屬材料有限公司提供的粒徑為400目的2024粉體，2024粉體的元素成分見表1. 對(duì)2024粉體球磨后的粉末經(jīng)熱壓燒結(jié)制備塊體材料，具體燒結(jié)工藝參數(shù)為：熱壓成型溫度520 ℃，加熱時(shí)間65 min，保溫時(shí)間120 min，壓力20 MPa.隨后對(duì)其進(jìn)行固溶時(shí)效和均勻化處理，并對(duì)比熱處理前后材料的組織和磨損性能的變化.根據(jù)文獻(xiàn)[9-10]，最終選定兩種熱處理工藝參數(shù)見表2.

表1 2024鋁合金中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量

表2 2024鋁合金熱處理工藝參數(shù)

處理后的試樣利用金相顯微鏡(型號(hào)為Nikon EPIPHOT300)和掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope， SEM)在一定的倍數(shù)下進(jìn)行放大觀察宏觀以及微觀組織形貌.利用島津XRD-6000X射線衍射儀對(duì)試樣進(jìn)行X-射線衍射(X-Ray Diffraction，XRD)分析后，再通過Jade分析軟件對(duì)衍射結(jié)果進(jìn)行分析，得到X射線衍射圖譜，確定試樣中的物相組成.并利用利用能譜儀(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)完成對(duì)元素的定性定量分析.采用型號(hào)為402MVD自動(dòng)轉(zhuǎn)塔數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)對(duì)熱壓燒結(jié)后的2024鋁合金塊體和經(jīng)過熱處理后的2024鋁合金進(jìn)行硬度測試.最后采用MMG-500型銷高溫真空三體磨損試驗(yàn)機(jī)在室溫下進(jìn)行干滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn).根據(jù)文獻(xiàn)[11]將試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置見表3.

表3 銷盤式干滑動(dòng)磨損試驗(yàn)參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 組織分析

2.1.1 熱處理前后2024鋁合金金相組織

圖1為2024不同熱處理顯微組織照片.由圖1(a)～1(c)可以看出，經(jīng)過固溶時(shí)效和均勻化處理后的2024鋁合金組織分布更加均勻，晶粒細(xì)化.這是由于均勻化處理后的2024鋁合金組織中部分Cu、Mg等元素固溶進(jìn)基體相中形成固溶體，較原始2024鋁合金組織分布均勻，但合金中仍含有未溶解的第二相和化合物，且顆粒較為粗大，呈無規(guī)則的彌散分布在基體中.

圖1 2024鋁合金不同熱處理下的顯微組織

2.1.2 熱處理前后2024鋁合金的XRD分析

圖2為2024鋁合金的未處理、固溶時(shí)效處理和均勻化處理后的XRD譜，由圖2可知，2024鋁合金中有Al相、θ相(Al2Cu)和雜質(zhì)相Al7Cu2Fe，經(jīng)過均勻化處理的2024鋁合金θ相(Al2Cu)固溶進(jìn)基體相中形成過飽和固溶體，固溶時(shí)效處理后的2024鋁合金時(shí)效析出強(qiáng)化相S相(Al2CuMg)和θ相(Al2Cu)，以及一些難溶的雜質(zhì)相Al7Cu2Fe.

圖2 2024鋁合金XRD圖譜

2.2 性能測試

2.2.1 硬度測試

表4為三種不同材料平均顯微硬度值.從表4可以看出，原合金硬度最低，經(jīng)過熱處理后硬度都不同程度提高.經(jīng)過均勻化處理的2024鋁合金顯微硬度略微提高，固溶時(shí)效后的2024鋁合金硬度值最大，達(dá)到167 HV，較未處理合金提高了50 HV.這說明固溶時(shí)效處理過程時(shí)效析出相對(duì)材料起到明顯強(qiáng)化作用.

表4 2024鋁合金平均顯微硬度值

2.2.2 磨損性能分析

1) 摩擦因數(shù)和磨損率

圖3為不同材料兩種磨損方式的磨擦因數(shù).摩擦因數(shù)由磨損試驗(yàn)機(jī)自帶的摩擦因數(shù)測量模塊直接給出.

摩擦材料的耐磨性能可以用磨損因數(shù)的大小來衡量，磨損因數(shù)可以理解為在單位負(fù)荷作用下滑動(dòng)單位距離所引起的體積磨損.對(duì)銷試樣磨損前后進(jìn)行質(zhì)量測量并計(jì)算出磨損率，圖4為2024鋁合金的磨損率.從圖4可以看出，無論是干摩擦還是邊界潤滑摩擦，固溶時(shí)效處理對(duì)2024鋁合金的磨損率影響最大，磨損率在三者中最小.2024鋁合金經(jīng)過固溶處理后，合金元素被固溶到基體當(dāng)中，通過快冷到室溫，隨后在適當(dāng)?shù)臏囟认卤３忠欢〞r(shí)間，合金中就會(huì)形成一些納米級(jí)的沉淀析出相.這些析出相往往和基體具有一定的取相關(guān)系，因此沉淀相和基體之間就會(huì)存在一定的應(yīng)變場，這些應(yīng)變場成為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙引起合金強(qiáng)化，即沉淀強(qiáng)化現(xiàn)象，使得固溶時(shí)效處理后2024鋁合金硬度和耐磨性提高.無論是在干磨擦的試驗(yàn)條件下，還是邊界潤滑條件下，固溶時(shí)效處理的2024鋁合金的磨損因數(shù)較其他兩種材料都小.綜上所述，2024固溶時(shí)效鋁合金具有較好的耐磨性.

圖3 2024鋁合金磨擦因數(shù)

圖4 2024鋁合金的磨損率

2) 磨損面SEM分析

① 熱處理前后2024鋁合金干摩擦條件下磨損機(jī)理分析

三種材料在室溫下進(jìn)行干磨擦實(shí)驗(yàn)，SEM形貌組織如圖5所示.當(dāng)放大倍數(shù)都為1 000倍時(shí)，可以看到材料經(jīng)過磨損后表面粗糙度大，有剝落與粘著的現(xiàn)象，且存在深坑，磨損面有一些小磨痕.圖5(a)為未經(jīng)處理的2024鋁合金不僅出現(xiàn)黏附顆粒，還有許多裂紋產(chǎn)生，摩擦性能較處理過的試樣差.

室溫下熱處理前后的2024鋁合金干摩擦的3D形貌如圖6所示.從圖6可以看出，圖6(a)～6(c)的表面出現(xiàn)了凸起部分，粘附在磨損表面的顆粒越多，發(fā)生粘著磨損越劇烈.

圖7為熱處理前后2024鋁合金進(jìn)行干磨擦試驗(yàn)的磨屑掃描照片.由圖7(b)可以看出，經(jīng)過固溶時(shí)效后磨屑較小.結(jié)合表5中2024鋁合金能譜元素分布可知，由于三種材料有相同的磨損機(jī)制，以2024鋁合金為例，磨屑中出現(xiàn)O元素，說明在磨損過程中試樣的磨損表面發(fā)生了輕微氧化.3個(gè)能譜區(qū)域中均含有Si元素，磨盤的材料為鋁硅合金材料，說明在磨損材料對(duì)磨過程中，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)生了粘著磨損，導(dǎo)致銷試樣的磨損表面上有大量Si元素的存在.此外，兩種磨屑中都出現(xiàn)了Au元素，這是因?yàn)椴牧显谠囼?yàn)預(yù)備掃描階段，需要對(duì)材料噴金處理，而引入的雜質(zhì)元素.

圖5 2024鋁合金磨損掃描照片

圖6 2024鋁合金干摩擦3D形貌圖Fig.6 3D profile of the 2024 aluminum alloy in dry friction

圖7 2024鋁合金干磨損試驗(yàn)?zāi)バ紥呙?/p>

表5 2024鋁合金干磨損試驗(yàn)的磨屑能譜數(shù)據(jù)Tab.5 Data of wear debris spectrum for dry wear test of 2024 aluminum alloy

從固溶時(shí)效處理和均勻化處理的2024鋁合金的能譜圖的各個(gè)譜點(diǎn)元素百分含量來看，兩種材料均含有Si、Ni兩種元素，這兩種元素來源于對(duì)磨盤材料，兩種材料在對(duì)磨過程中，硬度較高的材料會(huì)將對(duì)磨材料磨下來，經(jīng)過反復(fù)碾壓，粘結(jié)，發(fā)生了粘著磨損形成了磨屑.

② 熱處理前后2024鋁合金邊界潤滑摩擦條件下磨損機(jī)理分析

圖8為熱處理前后2024鋁合金進(jìn)行邊界潤滑摩擦后的掃描照片，從圖8可以看到，經(jīng)磨損后試樣表面均有有犁溝的出現(xiàn)，這是磨粒磨損的主要特征.所以邊界潤滑條件下，三種材料主要為磨粒磨損，磨粒磨損的機(jī)理是微觀切削.由圖8(b)可見，磨損面是舌狀體剝落裂紋，這是微觀斷裂導(dǎo)致的剝落，使得材料表面產(chǎn)生犁皺和切削，最終產(chǎn)生槽狀磨痕.

圖9為熱處理前后的2024鋁合金邊界潤滑3D形貌圖，與干磨損磨損面對(duì)比，邊界潤滑磨損面較平滑，邊界潤滑磨損面粗糙度較小.從圖9也可清晰地看到磨損面上的犁溝，2024鋁合金犁溝深度最大，均勻化處理的2024鋁合金位于其次，固溶時(shí)效處理的2024鋁合金犁溝深度較小.說明均勻化與固溶時(shí)效處理有效改善了材料的耐磨性.

圖8 2024鋁合金邊界磨損掃描照片

圖9 2024鋁合金邊界潤滑3D形貌圖Fig.9 3D micrographs of 2024 aluminum in boundary wear

3 結(jié) 論

本文對(duì)熱壓燒結(jié)制備的2024鋁合金進(jìn)行了均勻化處理和固溶時(shí)效處理，觀察了不同熱處理后的顯微組織，并對(duì)力學(xué)性能和磨損性能進(jìn)行了測試，得到結(jié)論為

1) 固溶時(shí)效后的2024鋁合金晶粒分布均勻且細(xì)小，顯微維氏硬度值達(dá)到167HV，較原始2024鋁合金硬度提高了50HV.

2) 2024鋁合金在干磨損條件下的磨損機(jī)制均以粘著磨損為主；在邊界潤滑條件下，以磨粒磨損為主要的磨損機(jī)制.固溶時(shí)效后的2024鋁合金磨損率和摩擦因數(shù)顯著降低，磨損率為原始合金的1/3.