6082鋁合金磨損性能分析

宋娓娓，蒲家飛，劉勝榮，汪洪峰

(黃山學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，安徽 黃山，245041)

鋁合金作為21世紀(jì)公認(rèn)的“綠色環(huán)保”金屬，在現(xiàn)代制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1-6]。6082鋁合金具有較高的強(qiáng)度、較好的耐熱性能、良好的耐蝕性能和加工性能。其廣泛應(yīng)用于航空航天、高速列車、無(wú)人機(jī)、船舶以及汽車制造業(yè)中。王鑫等[7-8]主要針對(duì)6082鋁合金進(jìn)行MIG焊接，分析焊接接頭的組織及相關(guān)性能分析等；張蔚等[9]主要通過(guò)熱處理的方式對(duì)6082鋁合金進(jìn)行性能改進(jìn)，分析改進(jìn)后的鋁合金的組織及性能變化規(guī)律；龍社明等[10]通過(guò)對(duì)6082鋁合金進(jìn)行淬火處理，分析其淬火特性及相關(guān)組織結(jié)構(gòu)等；向晶等[11]通過(guò)固溶強(qiáng)化對(duì)6082鋁合金進(jìn)行處理，分析強(qiáng)化后的鋁合金的相關(guān)力學(xué)性能等；魯二敬等[12-13]通過(guò)對(duì)6082鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦焊接實(shí)驗(yàn)，分析焊接區(qū)域的相關(guān)性能等。以上研究主要集中在對(duì)6082鋁合金進(jìn)行熱處理和焊接等方面，針對(duì)6082鋁合金本身的耐磨性研究較少。而6082鋁合金的耐磨性在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中非常重要，如飛機(jī)翼梁上使用6082鋁合金，其上開(kāi)有的鉚接小孔與鉚釘間的磨損關(guān)系到翼梁與蒙皮的鉚接穩(wěn)定性，是飛機(jī)安全的重要指標(biāo)之一。因此，對(duì)6082鋁合金的耐磨性研究有利于其應(yīng)用領(lǐng)域拓寬。本文主要研究不同的磨損轉(zhuǎn)速對(duì)鋁合金的磨損性能的影響，分析適合6082鋁合金磨損的最佳磨損轉(zhuǎn)速等，為實(shí)際應(yīng)用提供工程技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)

本文選用6082鋁合金板材作為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象對(duì)其進(jìn)行常溫下摩擦磨損性能分析，6082鋁合金板材厚度為10mm，其材料的化學(xué)成分及質(zhì)量百分比如表1所示。6082鋁合金硬度值為143.8HV0.5。

表1 6082鋁合金化學(xué)成分
Table 1 Chemical composition of 6082 Aluminum alloy

化學(xué)成分SiFeCuMnMgCrZnTiAl質(zhì)量百分比/%0.7-1.30.50.10.4-1.00.6-1.20.250.200.1余量

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中選用雙目倒置4XB型號(hào)的金相顯微鏡觀察改性層的金相組織變化；利用高溫HT-1000型號(hào)的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行鋁合金摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，常溫下磨損加載重量為350g，GR磨損鋼珠半徑為1mm，加載桿回轉(zhuǎn)半徑為2mm，磨損轉(zhuǎn)速分別為392轉(zhuǎn)/min、560轉(zhuǎn)/min、728轉(zhuǎn)/min，磨損時(shí)間為5min。利用S-3400N型鎢燈絲掃描電鏡分析磨損形貌。

在進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)前，先對(duì)6082鋁合金表面分別用400目、600目、1000目和1200目的金相砂紙依次進(jìn)行打磨，然后再用Al2O3拋光液進(jìn)行拋光，獲得無(wú)劃痕的鏡面，然后用清水沖洗、烘干，再用無(wú)水乙醇進(jìn)行清洗、烘干，保證表面光潔干凈。

2 結(jié)果分析

2.1 金相組織分析

圖1為6082鋁合金在15%NaOH腐蝕液腐蝕下觀察到的金相組織照片，從圖中可以看出晶粒呈扁長(zhǎng)型，這是因?yàn)榘宀臄D壓造成的結(jié)果。圖1中黑色的部分主要是增強(qiáng)相，其主要相成分為Mg2Si+CuMgAl2+CuAl2混合產(chǎn)物。

圖1 6082鋁合金金相組織照片F(xiàn)ig.1 Metallographic photos of 6082 Aluminium alloy

2.2 磨損轉(zhuǎn)速對(duì)鋁合金表面耐磨性的影響分析

圖2為不同轉(zhuǎn)速下的磨損曲線圖。

(a)392轉(zhuǎn)/min

(b)560轉(zhuǎn)/min

(c)728轉(zhuǎn)/min圖2 不同轉(zhuǎn)速下的摩擦磨損曲線圖Fig.2 Friction and weartraces at different rotational speed

從圖2中可以清楚的看出，轉(zhuǎn)速為392轉(zhuǎn)/min時(shí)，μ平均值為0.6；轉(zhuǎn)速為560轉(zhuǎn)/min時(shí)，μ平均值為0.5；轉(zhuǎn)速為728轉(zhuǎn)/min時(shí)，μ平均值為0.75。說(shuō)明在轉(zhuǎn)速為392轉(zhuǎn)/min時(shí)進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)時(shí)，產(chǎn)生的摩擦熱較低，未造成鋁合金表層晶粒再結(jié)晶細(xì)化；而當(dāng)轉(zhuǎn)速為560轉(zhuǎn)/min時(shí)，產(chǎn)生的摩擦熱已經(jīng)達(dá)到鋁合金的再結(jié)晶溫度，此時(shí)晶粒細(xì)化，進(jìn)而硬度增加，μ減?。划?dāng)轉(zhuǎn)速為728轉(zhuǎn)/min時(shí)，產(chǎn)生的摩擦熱過(guò)大，晶粒不僅未細(xì)化，反而增大，硬度降低，故μ較大。表2為不同轉(zhuǎn)速下的磨損量值。從表2中可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速為560轉(zhuǎn)/min時(shí)，磨損量最少，當(dāng)轉(zhuǎn)速為728轉(zhuǎn)/min時(shí)，磨損量最大，其次為轉(zhuǎn)速392轉(zhuǎn)/min。這與前面圖2分析的μ圖保持一致。

表2 6082鋁合金摩擦磨損前后質(zhì)量
Table 2 Mass before and after friction and wear of 6082 Aluminum alloy

轉(zhuǎn)速/min磨損前質(zhì)量/g磨損后質(zhì)量/g磨損量/g3920.4190.4050.0145600.4280.4170.0117280.4230.3940.029

圖3為不同轉(zhuǎn)速下摩擦磨損形貌的掃描電鏡照片。從圖中可以看出，μ越高其磨損外貌軌跡的犁削寬度和深度都會(huì)逐漸的增大，粘著和塑形變形的程度也相對(duì)加大。圖3(a)主要磨損為黏著磨損，圖中可以看出材料之間在反復(fù)磨損塑變過(guò)程中出現(xiàn)層次堆積現(xiàn)象，堆積的面積不是平均分布在磨損表面上，而是無(wú)規(guī)則在不同表面上出現(xiàn)，出現(xiàn)面積較小，在磨損軌跡中間部位出現(xiàn)頻率較高，這是因?yàn)槟Σ聊p過(guò)程帶來(lái)的橫向切力導(dǎo)致部分凸面自由脫落所致。圖3(b)呈現(xiàn)細(xì)而密的劃痕，出現(xiàn)磨粒磨損。由于6082鋁合金可塑性比較好，故有部分磨粒將材料推向前方和兩旁不進(jìn)行切削而出現(xiàn)犁皺現(xiàn)象。圖3(c)中，由于轉(zhuǎn)速過(guò)高，6082鋁合金與鋼球干摩擦過(guò)程中產(chǎn)生大量的摩擦熱導(dǎo)致鋁合金表面溫度急劇升高，鋁合金組成元素在高溫催化下發(fā)生氧化，生成SiO2、Cu2O和MgO等氧化物致使鋁合金表層具有流變能力形成了潤(rùn)滑劑，在持續(xù)高速摩擦磨損過(guò)程中易造成氧化物脫落，進(jìn)而發(fā)生磨粒磨損導(dǎo)致磨損量的增加。

(a)392轉(zhuǎn)/min

(b)560轉(zhuǎn)/min

(c)728轉(zhuǎn)/min圖3 不同轉(zhuǎn)速下的摩擦磨損區(qū)域掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.3 SEM images of friction and wearzone at different rotational speed

3 結(jié)論

1)隨著磨損轉(zhuǎn)速的增加，6082鋁合金μ和硬度值都呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律。

2)6082鋁合金在392轉(zhuǎn)/min的摩擦磨損中易出現(xiàn)粘著磨損現(xiàn)象；在560轉(zhuǎn)/min的摩擦磨損中易出現(xiàn)磨粒磨損和犁溝磨損混合形式；而在728轉(zhuǎn)/min的摩擦磨損中易出現(xiàn)磨粒磨損和粘著磨損混合形式。