汽車零部件鋁合金軸瓦及其表面涂層的產(chǎn)品解析

趙同新，張敏，崔園園，王娟娟，孫友寶，黃濤宏

(島津企業(yè)管理(中國(guó))有限公司上海分公司分析中心，上海 200233)

0 引言

鋁合金密度約為鋼的1/3，具有強(qiáng)度較高、易于加工成型、切削性和導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)，是汽車輕量化發(fā)展趨勢(shì)下被廣泛采用的輕質(zhì)金屬材料。鋁合金已廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、鋁輪轂、轉(zhuǎn)向節(jié)及各種換熱器等部位，而且隨著鑄鍛焊、沖壓等制造技術(shù)的發(fā)展，會(huì)有更多的部件采用鋁合金制造[1-4]。為了滿足工況和設(shè)計(jì)要求，鋁合金一般需經(jīng)過(guò)表面處理，如陽(yáng)極氧化、噴砂、涂裝等。

某鋁合金軸瓦部件進(jìn)行了表面涂層處理后，具有良好的無(wú)油自潤(rùn)滑性，為了研究其實(shí)現(xiàn)方案，本文作者借助電子探針顯微分析儀(EPMA)、能量色散X射線熒光分析儀(EDX)、X射線光電子能譜儀(XPS)和傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)對(duì)該鋁合金軸瓦部件進(jìn)行了綜合分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器

實(shí)驗(yàn)儀器有：島津EPMA-1720電子探針顯微分析儀；島津EDX-8000能量色散型X射線熒光分析儀；島津Axis Supra X射線光電子能譜儀；島津IRTracer-100傅立葉變換紅外光譜儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)條件：

(1)EPMA。加速電壓：15 kV；測(cè)試束流：100 nA；測(cè)試時(shí)間：6 min。

(2)EDX。電壓：15/50 kV；氛圍：真空；積分時(shí)間：100 s。

(3)XPS。激發(fā)源：?jiǎn)紊獳l靶(Al Kα，1 486.6 eV)；X射線高壓：15 kV；停留時(shí)間(Dwell time)：200 ms；通能：全譜160 eV，精細(xì)譜40 eV；分析區(qū)域：slot模式；掃描速度：全譜1 eV，精細(xì)譜0.1 eV。

(4)FTIR。波長(zhǎng)范圍：4 000～650 cm-1；附件 ：ZnSe晶體ATR；分辨率：4 cm-1；掃描次數(shù)：20；切趾函數(shù)：Happ-Genzel。

1.3 樣品處理

試樣切割到合適尺寸，大小約50 mm×30 mm，進(jìn)行測(cè)試。

2 測(cè)試結(jié)果與討論

2.1 微區(qū)表面形貌特征觀察

鋁合金表面為黑色涂層，使用EPMA觀察表面微區(qū)形貌特征，結(jié)果如圖1所示。圖1(a)左側(cè)為涂層，右側(cè)為未涂裝的基體部分；圖1(b)為涂裝區(qū)域局部二次電子形貌(SEI)；圖1(c)和圖1(d)分別為基體部分放大后顯示的SEI和背散射電子像(BEI)特征?？梢?jiàn)基體為鋁合金，存在多種元素分布。圖1(e)和圖1(f)為涂層區(qū)域放大后顯示的SEI和BEI形貌，表面有一定的粗糙度，涂層中有顆粒分布的特征情況。

圖1 軸瓦表面形貌特征

2.2 化學(xué)成分解析

2.2.1 基體成分分析

(1)EPMA分析

使用EPMA選中2個(gè)特征區(qū)域進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的位置如圖2所示。

圖2 定性分析位置

測(cè)試結(jié)果及譜圖見(jiàn)圖3和圖4。位置A主要為合金元素析出集中部位，而位置B為基體主成分相，合金元素主要以固溶體的形式存在?；w中不同位置的成分測(cè)試結(jié)果，匯總于表1。

(2) EDX分析

由于EPMA微區(qū)分析的特征，得到的成分只限定于微米級(jí)別的量度，只能測(cè)試大小在零點(diǎn)幾到幾十微米的局部，不能很好地表達(dá)材料的整體組分特征，而能量色散X射線熒光(EDX)測(cè)試有效范圍為毫米級(jí)別(區(qū)別于配置在EPMA或SEM上的EDS能譜儀)，可以根據(jù)需求選擇1～10 mm范圍進(jìn)行測(cè)試。使用EDX得到的結(jié)果能更好地反映基體材料的組成?；w成分測(cè)試譜圖見(jiàn)圖5，成分結(jié)果見(jiàn)表2。

圖3 位置A定性分析譜圖

圖4 位置B定性分析譜圖

表1 基體中不同位置的成分測(cè)試結(jié)果 %

圖5 基體成分EDX譜圖

表2 基體成分EDX測(cè)試結(jié)果

由表2可知：基體為Al-Si系合金，添加Cu、Ni、Mg等多種合金元素。

2.2.2 涂層組分分析

(1) EPMA分析

使用EPMA解析涂層中的成分，使用散焦斑(束斑直徑為50 μm)確定深層測(cè)試位置，如圖6中圈內(nèi)所示，能得到成分較為平均的譜圖，結(jié)果見(jiàn)圖7。EPMA測(cè)試的深度也是微米量級(jí)，所以測(cè)試結(jié)果中可能會(huì)包含一定的基體元素構(gòu)成信息。分析涂層中具體的顆粒，其中B為黑色區(qū)域，C為灰色塊狀顆粒，D為白亮顆粒。檢出輕元素C、O、F等及Mo、S等元素存在，涂層可能為有機(jī)物涂裝。涂層中不同位置的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表3所示。

圖6 涂層測(cè)試位置示意

圖7 涂層成分信息譜圖

表3 涂層中不同位置的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

(2)XPS分析

使用XPS對(duì)表面進(jìn)行全譜掃描，如圖8所示。結(jié)果顯示：樣品表面主要含有C、N、O、Al、Na、Mo、S、F等元素，其中Na元素可能來(lái)源于表面污染，部分C、O來(lái)源于表面吸附，Al元素來(lái)源于基底。對(duì)其中的C、F、Mo和S元素的特征譜進(jìn)行精細(xì)掃描，結(jié)果見(jiàn)圖9—圖12，可以看出， C和F元素主要以C-F2化學(xué)態(tài)存在(聚四氟乙烯)，其余化學(xué)態(tài)的C元素來(lái)源于表面吸附碳污染。同時(shí)，存在較多Mo、S元素，由精細(xì)譜可知存在形式為MoS2。部分Mo、S元素存在氧化現(xiàn)象，形成了氧化鉬及(亞)硫酸鹽物種。

圖8 元素全譜

圖9 C元素精細(xì)譜

圖10 F元素精細(xì)譜

圖11 Mo元素精細(xì)譜

圖12 S元素精細(xì)譜

(3) 用FTIR測(cè)試涂層中的有機(jī)物

對(duì)于涂層中有機(jī)物的測(cè)試和分析，可借助有機(jī)物鑒別利器島津傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)完成。FTIR測(cè)試譜圖如圖13所示，經(jīng)過(guò)譜圖匹配，可以確認(rèn)涂層主要由聚四氟乙烯材料構(gòu)成。

(4) 用EDX分析涂層成分

使用EDX分析涂層，采集的譜圖如圖14所示。結(jié)合EPMA和FTIR的測(cè)試結(jié)果，使用薄膜FP法得出皮膜量(合量計(jì)算)為950 μg/cm2，薄膜成分見(jiàn)表4，進(jìn)一步確認(rèn)涂層結(jié)構(gòu)信息。涂層主要由聚四氟乙烯構(gòu)成，添加Mo、S元素，含有少量的雜質(zhì)元素Ca、K。

圖14 涂層的EDX測(cè)試譜圖

表4 涂層信息EDX解析結(jié)果

作為微區(qū)分析比較有代表性的儀器，使用掃描電鏡(SEM)觀察表面微區(qū)形貌也是可以的，但電子探針(EPMA)配置的波譜儀(WDS)比SEM上配置的能譜儀(EDS)有著高靈敏度[5]和高分辨率[6]的明顯優(yōu)勢(shì)，特別針對(duì)此例中元素Mo和S的特征能量差異僅15 eV(其中Mo Lα為2.293 keV，S Kα為2.308 keV)，EDS的能量分辨率約為127 eV，不足以區(qū)分特征能量的差異，而EPMA可以輕松應(yīng)對(duì)。

因此，根據(jù)背散射電子圖像特征、微區(qū)形貌以及表面宏觀形貌并結(jié)合成分測(cè)試結(jié)果，基體應(yīng)為Al-Si系鑄鋁合金，填加銅、鎳、鐵、錳等合金元素提高力學(xué)強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，表面涂層為聚四氟乙烯處理。

聚四氟乙烯(特氟龍)具有良好的耐熱、耐磨、耐腐蝕性以及優(yōu)良的潤(rùn)滑性，作為表面涂層可應(yīng)用于很多材料[7-9]，是一種耐磨且具有自潤(rùn)滑性的優(yōu)良材料，在軸承部件中可實(shí)現(xiàn)無(wú)油潤(rùn)滑。歐美和日本已在多種精密軸套、軸瓦等部件上采用了鋁合金表面聚四氟乙烯涂層處理，相對(duì)來(lái)說(shuō)國(guó)內(nèi)在此方面還有很多進(jìn)步的空間。

同時(shí)，在涂層顆粒中檢出MoS2，MoS2能夠進(jìn)一步改善耐磨性[10]。檢出的O元素含量說(shuō)明涂層在經(jīng)聚四氟乙烯處理之前可能做過(guò)陽(yáng)極氧化處理，主要是利用氧化層多孔的特性把聚四氟乙烯潤(rùn)滑粒子填充到孔中，改善聚四氟乙烯與基體的結(jié)合性能，提高附著性。

3 結(jié)束語(yǔ)

借助儀器測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析判斷，此軸瓦部件為鋁硅系鑄鋁合金，表面經(jīng)過(guò)聚四氟乙烯處理，聚四氟乙烯起耐蝕和自潤(rùn)滑的作用，可實(shí)現(xiàn)軸承的無(wú)油潤(rùn)滑，填加MoS2顆?？蛇M(jìn)一步改善耐磨性能。為了提高聚四氟乙烯與基體金屬材料的附著性，在噴涂之前，基體進(jìn)行了陽(yáng)極氧化處理改性。合理借助多種分析儀器，能夠?qū)︻愃频漠a(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試及工藝流程的判斷，對(duì)于輔助開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品具有參考意義。