過共晶Al-18Si合金摩擦磨損機(jī)理研究

張建壯，王業(yè)懿，毛宇新，水 麗

(沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110159)

過共晶鋁硅合金因其導(dǎo)熱性好、尺寸穩(wěn)定性高、耐腐蝕性能好及其較高的高溫強(qiáng)度等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于航空航天、船舶制造及汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等工業(yè)制造領(lǐng)域[1-2]，此外，由于其具有良好的鑄造性能和低熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，使其成為缸體、箱體、殼體及框架的用材[3]，其中鋁硅合金在發(fā)動(dòng)機(jī)活塞方面應(yīng)用最為多見?；钊捎陂L(zhǎng)期在高溫環(huán)境工作，服役條件惡劣，缸套中的環(huán)摩擦副的摩擦損失會(huì)很大程度上消耗能量，因此對(duì)活塞合金的耐磨損性能的研究具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[4]。

羅惠馨等[5]測(cè)試了過共晶鋁硅合金的抗拉強(qiáng)度，并對(duì)其進(jìn)行摩擦磨損性能試驗(yàn)，來評(píng)估其耐磨損性能，發(fā)現(xiàn)合金中初晶硅顆粒的形態(tài)和輪廓尺寸是影響其性能的關(guān)鍵因素。過共晶鋁硅合金組織中存在針狀共晶硅和初晶硅顆粒，由于粗大硬質(zhì)初晶硅顆粒在摩擦運(yùn)動(dòng)過程中易從基體中剝離脫落，導(dǎo)致活塞類零件產(chǎn)生嚴(yán)重的磨粒磨損，極大的降低了合金的抗磨損能力。鑒于過共晶鋁硅合金中存在的組織缺陷，研究人員提出了變質(zhì)處理、電磁攪拌、熔體處理等措施改善初晶硅在基體中的分布狀態(tài)[6-9]。本文對(duì)過共晶Al-18Si合金進(jìn)行高溫熔體處理，對(duì)其進(jìn)行干摩擦磨損性能測(cè)試，運(yùn)用Matlab軟件計(jì)算摩擦試樣表面磨痕形貌的分形維數(shù)，運(yùn)用分形理論分析表面磨痕形貌特征，探索熔體處理溫度的變化對(duì)其摩擦磨損性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)合金為Al-18Si過共晶鋁硅合金，采用純度為99.9%的鋁錠和99.6%工業(yè)用硅按一定的成份配比，在電阻爐中熔煉母合金，并進(jìn)行熔體過熱處理，熔體過熱處理的溫度分別為800℃、850℃、900℃和950℃。將熔體合金保溫15min后澆入標(biāo)準(zhǔn)尺寸的鑄鐵模具中，在4.0k/s的恒定冷卻速度下冷卻凝固。測(cè)試合金的化學(xué)成分，如表1所示。

表1 試驗(yàn)合金的化學(xué)成分 wt%

在試樣高度相同的位置截取合金金相試樣，并在光學(xué)顯微鏡(Carl Zeiss Axieskop2 MAY)下觀察微觀組織形貌。為測(cè)試Al-18Si合金的抗摩擦磨損性能，用線切割方法加工40mm×15mm×3mm規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)摩擦磨損試樣，并在MDW-02摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，摩擦副為φ5mm的Si3N4陶瓷球，實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇如表2所示，將摩擦磨損試樣清理干凈后在JEM場(chǎng)發(fā)射電鏡下觀察磨痕形貌。

表2 摩擦磨損試驗(yàn)參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分形

2.1 熔體過熱處理對(duì)Al-18Si合金微觀組織形貌的影響

不同熔體過熱溫度處理后的Al-18Si合金微觀組織形貌如圖1所示。

圖1 不同熔體溫度處理后Al-18Si合金的微觀組織形貌

觀察圖1，Al-18Si合金的組織結(jié)構(gòu)主要由鋁基體、初晶硅和共晶硅組成；初晶硅作為主要的強(qiáng)化相，其形貌和尺寸分布狀態(tài)是影響Al-18Si合金力學(xué)性能的主要因素。圖1a中初晶硅顆粒的輪廓尺寸約為50μm，其形態(tài)以不規(guī)則的多邊形為主；隨著熔體過熱處理溫度的升高，圖1b中初晶硅顆粒輪廓尺寸未見明顯變化，但形態(tài)復(fù)雜程度下降；當(dāng)熔體處理溫度上升至900℃、950℃，初晶硅顆粒尺寸分別下降至30μm以下，圖1d中初晶硅顆粒尺寸約為20μm。分析圖1可知，熔體處理溫度越高，初晶硅顆粒尺寸愈細(xì)小。分別測(cè)試上述四個(gè)樣品的硬度值，隨熔體處理溫度的升高，Al-18Si合金硬度值小幅升高，分別為98HV、107HV、109HV、114HV。初晶硅彌散分布于基體組織中，使得合金的硬度隨熔體溫度的升高逐步上升。

2.2 摩擦磨損性能測(cè)試結(jié)果分析

把上述四個(gè)溫度處理后的樣品分為4組，對(duì)4組樣品進(jìn)行摩擦磨損性能測(cè)試，圖2a為800℃熔體處理的樣品摩擦磨損曲線，摩擦前期曲線逐步上升，摩擦系數(shù)達(dá)到階段高點(diǎn)0.82；隨后曲線變化進(jìn)入摩擦中期階段，摩擦系數(shù)值在0.5左右波動(dòng)；隨著時(shí)間延長(zhǎng)，在摩擦后期摩擦系數(shù)值不斷升高，最高點(diǎn)接近0.9；綜合分析0～1233s時(shí)間段摩擦系數(shù)值的變化，平均摩擦系數(shù)約為0.65。圖2b為900℃熔體處理的樣品摩擦磨損曲線，其平均摩擦系數(shù)約為0.5。四組試樣的摩擦系數(shù)分別為0.65、0.53、0.5和0.41，其950℃熔體處理后樣品的平均摩擦系數(shù)值最低，為0.41。隨著熔體處理溫度的升高，合金的磨擦系數(shù)逐步下降。在熔體溫度升高后，可能存在的硅原子團(tuán)中部分Si-Si鍵受較高熔體溫度影響而斷裂，熔體均勻性進(jìn)一步提高，降低了非均勻形核，因此，凝固組織中的初晶硅尺寸細(xì)小。初晶硅顆粒細(xì)小彌散分布，是合金硬度提高的主要原因，因此摩擦系數(shù)下降。

圖2 經(jīng)高溫熔體處理后Al-18Si合金摩擦磨損曲線

2.3 分形維數(shù)在Al-18Si合金摩擦磨損機(jī)理分析中的應(yīng)用

在掃描電鏡上對(duì)摩擦磨損試驗(yàn)后的樣品表面磨痕進(jìn)行觀察，由于掃描圖片選取位置隨機(jī)變化，磨痕圖片形態(tài)各異，復(fù)雜多變，只能定性分析磨痕表面特征，判斷其摩擦磨損機(jī)理。為準(zhǔn)確判斷摩擦磨損機(jī)制和磨損程度信息，運(yùn)用分形理論盒維數(shù)法表征磨痕表面形貌特征，分形維數(shù)可以表征所獲取的圖像上的某些特征，定量描述形貌復(fù)雜程度。劉政等[10]計(jì)算了鋁硅合金中半固態(tài)初生相形貌的分形維數(shù)，并將盒維數(shù)法計(jì)算的分形維數(shù)與理論值進(jìn)行比較，誤差極??；說明利用分形維數(shù)表征圖像特征及復(fù)雜程度準(zhǔn)確。應(yīng)用Matlab軟件編寫計(jì)算程序，導(dǎo)入Fraclab工具箱，計(jì)算分形圖像維數(shù)。經(jīng)800℃和950℃熔體處理后，Al-18Si合金試樣磨痕形貌如圖3a、4a所示。

圖3 經(jīng)800℃處理后Al-18Si合金的磨痕形貌

圖4 經(jīng)950℃處理后Al-18Si合金的磨痕形貌

試樣表面含有許多刮擦導(dǎo)致的犁溝、卷翹唇邊和深淺不一的凹坑。磨痕的形貌特征與合金發(fā)生摩擦磨損的機(jī)制密切相關(guān)，如果摩擦試樣表面呈現(xiàn)出凹坑和卷翹唇片，說明摩擦過程中發(fā)生了嚴(yán)重的粘著磨損，磨痕形貌復(fù)雜，摩擦表面互相粘附的磨屑脫落后引起的凹坑和翹起的唇邊，形貌復(fù)雜的磨痕圖片對(duì)應(yīng)的分形維數(shù)值相對(duì)較大。計(jì)算圖3a、4a的分形維數(shù)，具體步驟：①選取典型區(qū)域截取500×500像素的SEM圖像；②對(duì)截取的圖像進(jìn)行處理，使圖像像素點(diǎn)為黑白兩種顏色，圖像轉(zhuǎn)化成二值圖像；③計(jì)算網(wǎng)格邊長(zhǎng)及數(shù)據(jù)點(diǎn)，用直線擬合，得出其分形維數(shù)。圖3b是圖3a二值圖像，圖3c是雙對(duì)數(shù)圖。圖4b、4c是圖4a二值圖像和雙對(duì)數(shù)圖。將4組試樣表面磨痕形貌的分形維數(shù)值列于表3。

表3 Al-18Si合金摩擦試樣磨痕的分形維數(shù)

由表3可以看出，經(jīng)800℃熔體處理后的樣品，磨痕表面分形維數(shù)最大為1.7384，說明其磨痕表面形貌相對(duì)復(fù)雜，磨損程度較其他3組試樣嚴(yán)重，摩擦磨損的方式是粘著磨損為主。圖4a磨痕形貌的分形維數(shù)為1.5786，凹坑和犁溝較少，可觀察到直線劃痕，直線劃痕可能是合金表面脫落的硅顆粒在表面滑動(dòng)時(shí)引起的，可以判斷其磨損機(jī)理是以磨粒磨損和粘著磨損復(fù)合作用的方式。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)800℃～950℃溶體過熱處理后，Al-18Si合金的微觀組織結(jié)構(gòu)主要包括鋁基體和初晶硅、共晶硅，且隨著熔體處理溫度的升高，初晶硅顆粒尺寸愈來愈小，硬度值也小幅升高。

(2)對(duì)不同熔體溫度處理后合金試樣進(jìn)行摩擦磨損測(cè)試，隨溶體處理溫度提高，Al-18Si合金的耐磨損性能提高，摩擦系數(shù)從0.65下降到0.41。

(3)運(yùn)用分形理論，借助Matlab軟件計(jì)算Al-18Si合金摩擦試樣表面磨痕形貌的分形維數(shù)，隨著溶體處理溫度提高，磨痕形貌分形維數(shù)從1.7384下降到1.5786。顯示4組試樣磨損程度不同和摩擦磨損機(jī)理差異。