不同溫度固溶+時(shí)效處理對(duì)6082鋁合金鍛件組織和摩擦磨損性能的影響

梁朝杰，王成磊，梁滿(mǎn)朝，陳中敢，謝映光，傅耀坤

(1.桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，桂林 541004；2.廣西師范大學(xué)職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院，桂林 541004;3.廣西鳴新底盤(pán)部件有限公司，桂林 541004)

0 引 言

鋁合金由于綜合性能良好和生產(chǎn)成本低，在汽車(chē)、造船和建筑行業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，尤其是在汽車(chē)輕量化方面[1-3]。6082鋁合金由于具有良好的鍛造加工性能[4-5]，常用于鍛造汽車(chē)用控制臂。在鍛造過(guò)程中，鍛件容易產(chǎn)生應(yīng)力集中和晶粒粗化，因此在鍛造成型后，需要進(jìn)行熱處理[6-8]。王飛等[9]研究發(fā)現(xiàn)，固溶+時(shí)效處理后，在6082鋁合金晶界處析出了大量Mg2Si相和α-(AlMnFeSi)相，其較佳的熱處理工藝為固溶(530 ℃×4 h)+水淬+時(shí)效(170 ℃×10 h)。鄒永恒等[10]研究發(fā)現(xiàn)6082鋁合金在530570 ℃下固溶后進(jìn)行時(shí)效的力學(xué)性能較好。冉旭等[11]的研究表明：固溶及時(shí)效處理后6082鍛造鋁合金控制臂的組織除基體相外，還存在針狀或球狀Mg2Si和棒狀A(yù)lFeMnSi析出相；隨固溶溫度的升高和固溶時(shí)間的延長(zhǎng)，時(shí)效后合金中的析出相增多，硬度和強(qiáng)度提高，塑性下降；隨著固溶后在空氣中的滯留時(shí)間延長(zhǎng)，時(shí)效后析出相減少，硬度和強(qiáng)度下降，塑性提高。目前，對(duì)6082鋁合金熱處理工藝的研究主要集中在未成型的鍛件上，關(guān)于成型件熱處理強(qiáng)化效果的研究較少。作者在鍛造成型6082鋁合金控制臂心部取樣，對(duì)試樣進(jìn)行固溶+時(shí)效處理，研究了固溶溫度對(duì)心部顯微組織、硬度和摩擦磨損性能的影響，確定了最佳的固溶溫度，擬為企業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料取自廣西鳴新底盤(pán)部件有限公司鍛造的6082鋁合金控制臂，其形狀如圖1所示，化學(xué)成分見(jiàn)表1。從其心部截取50 mm×50 mm×50 mm的試樣進(jìn)行固溶和時(shí)效處理，固溶溫度分別為510，530，550，570，590 ℃，固溶時(shí)間為4 h，水冷，時(shí)效溫度為175 ℃，時(shí)效時(shí)間為15 h。

表1 6082鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of 6082 aluminum alloy (mass) %

圖1 6082鋁合金控制臂形狀Fig.1 Shape of 6082 aluminum alloy control arm

在不同熱處理前后的控制臂心部截取金相試樣，利用XQ-2B型金相試樣鑲嵌機(jī)鑲樣，再依次用600#，800#，1000#，1200#，1500#砂紙磨平并拋光，用體積分?jǐn)?shù)為0.5%的HF水溶液腐蝕后，在A(yíng)XIO SCOPE A1型光學(xué)顯微鏡上觀(guān)察顯微組織；在打磨平整的金相試樣上，采用HV-1000型顯微硬度計(jì)測(cè)試維氏硬度，載荷為9.8 N，保載時(shí)間為15 s。采用HSR-2M型高速往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，對(duì)磨材料為直徑3 mm的Si3N4磨球，載荷分別為2.8 N和6.8 N，往復(fù)長(zhǎng)度5 mm，采樣頻率30 Hz，滑動(dòng)時(shí)間20 min，摩擦磨損總行程為50 m。采用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)自帶的輪廓儀測(cè)定磨損體積，用AXIO SCOPE A1型光學(xué)顯微鏡觀(guān)察磨損形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖2可以看出：熱處理前后試樣組織中均分布有黑色或淺灰色斑點(diǎn)，形狀不規(guī)則的黑色斑點(diǎn)可能是夾雜相α-(AlMnFeSi)、Mg2Si或AlMnFeSi相脫落形成的孔洞，淺灰色斑點(diǎn)為Mg2Si相[10]；隨著固溶溫度的升高，強(qiáng)化相溶解程度增大，試樣的再結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行得更充分，晶粒細(xì)化，當(dāng)固溶溫度為550 ℃時(shí)，晶粒最細(xì)小，繼續(xù)升高固溶溫度至570，590 ℃時(shí)，晶粒出現(xiàn)了明顯的粗化現(xiàn)象，即發(fā)生再回復(fù)，說(shuō)明在這2種溫度下固溶效果不佳。

圖2 不同溫度固溶+時(shí)效處理前后試樣的顯微組織Fig.2 Microstructures of samples before (a) and after solid solution at different temperatures and aging (b-f)

2.2 維氏硬度

未熱處理試樣的硬度為60 HV。由圖3可以看出：不同溫度固溶+時(shí)效處理后試樣的硬度均遠(yuǎn)高于未熱處理的；隨著固溶溫度升高，硬度先增加后降低，固溶溫度為550 ℃時(shí)，硬度最高，達(dá)到135 HV，這是由于固溶溫度為550 ℃時(shí)晶粒最細(xì)小。

圖3 不同溫度固溶+時(shí)效處理后試樣的維氏硬度Fig.3 Vickers hardness of samples after solid solution at different temperatures and aging

2.3 摩擦磨損性能

2.3.1 摩擦因數(shù)

由圖4可以看出，在不同載荷下，隨著滑動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，試樣的摩擦因數(shù)在急劇升高后呈現(xiàn)急劇變化→相對(duì)穩(wěn)定→急劇變化的周期性變化。這是由于剛開(kāi)始摩擦?xí)r產(chǎn)生了磨屑，造成摩擦因數(shù)變化較大；隨后在摩擦熱的作用下，試樣表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氧化物薄膜[7]，對(duì)摩擦過(guò)程起到潤(rùn)滑作用，使得摩擦因數(shù)相對(duì)穩(wěn)定；高速往復(fù)的摩擦運(yùn)動(dòng)又會(huì)破壞薄膜的整體性，又使摩擦因數(shù)產(chǎn)生較大的波動(dòng)；氧化物薄膜破壞后又會(huì)重新生成，周而復(fù)始。

圖4 不同溫度固溶+時(shí)效處理前后試樣在不同載荷下摩擦磨損時(shí)的摩擦因數(shù)曲線(xiàn)Fig.4 Friction factor curves of samples before and after solid solution at different temperatures and aging during friction and wear under different loads

分別在載荷2.8 N和6.8 N下摩擦磨損時(shí)，未熱處理試樣的平均摩擦因數(shù)分別為0.751，0.958。由圖5可以看出：試樣在2種載荷下的平均摩擦因數(shù)均隨固溶溫度呈波動(dòng)變化；在較低的固溶溫度(510，530 ℃)下，較高載荷下的平均摩擦因數(shù)略低于較低載荷下的，而在較高固溶溫度(550，570，590 ℃)下則相反。

圖5 試樣在不同載荷下的平均摩擦因數(shù)隨固溶溫度的變化曲線(xiàn)Fig.5 Average friction factor vs solid solution temperature curves of samples under different loads

2.3.2 磨損體積

未熱處理試樣在載荷2.8，6.8 N下的磨損體積分別為0.272，0.477 mm3。由圖6可以看出：2種載荷下摩擦磨損后，熱處理后試樣的磨損體積均小于未熱處理試樣的，說(shuō)明固溶+時(shí)效處理提高了試樣的耐磨性能；較高載荷下摩擦磨損后，試樣的磨損體積較大；隨著固溶溫度的升高，較低載荷下試樣的磨損體積先降后增，而較高載荷下的磨損體積呈波動(dòng)變化；在550 ℃固溶+時(shí)效處理后，2種載荷下試樣的磨損體積均最小，耐磨性能最好。這是因?yàn)樵?50 ℃固溶+時(shí)效后合金晶粒最細(xì)小，硬度最高,耐磨性能最好。

圖6 試樣在不同載荷下的磨損體積隨固溶溫度的變化曲線(xiàn)Fig.6 Wear volume vs solid solution temperature curves of spamples under different loads

2.3.4 磨損形貌

由圖7和圖8可以看出，2種載荷下摩擦磨損后，試樣表面均出現(xiàn)了平行于摩擦方向的犁溝，同時(shí)還出現(xiàn)了裂紋，載荷越高，表面微裂紋和犁溝越多。犁溝是往復(fù)摩擦磨損過(guò)程中較硬的金屬顆粒嵌入到較軟的金屬中，推擠較軟的金屬而形成的。犁溝的出現(xiàn)表明試樣的磨損機(jī)制主要為磨粒磨損[12-13]。犁溝中的黑色陰影部分為堆積的片狀磨屑，這些磨屑可能是表面材料剝離后留下的硬質(zhì)氧化物；在較長(zhǎng)時(shí)間的摩擦力和摩擦熱的作用下，磨屑氧化并在Si3N4磨球的作用下，由白色變成黑色。在摩擦磨損過(guò)程中，材料剝離后形成的磨屑會(huì)降低試樣表面氧化膜的附著力并起到研磨顆?；蚬腆w潤(rùn)滑劑(球形碎屑)的作用，并且在載荷作用下摩屑會(huì)產(chǎn)生一個(gè)垂直于表面的分力而對(duì)表面造成損傷。磨屑不斷堆積和最終剝落，造成磨損表面裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂[14]。

圖7 不同溫度固溶+時(shí)效處理前后試樣在載荷2.8 N下的磨損形貌Fig.7 Wear morphology of samples before (a) and after solid solution at different temperatures and aging (b-f) under 2.8 N load

圖8 不同溫度固溶+時(shí)效處理前后試樣在載荷6.8 N下的磨損形貌Fig.8 Wear morphology of samples before (a) and after solid solution at different temperatures and aging (b-f) under 6.8 N load

3 結(jié) 論

(1) 不同溫度固溶+時(shí)效熱處理提高了 6082鋁合金的硬度；隨著固溶溫度升高，6082鋁合金晶粒細(xì)化，硬度增大；當(dāng)固溶溫度為550 ℃時(shí)，晶粒最細(xì)小，硬度最高；固溶溫度繼續(xù)升高至570，590 ℃時(shí)，晶粒明顯粗化，硬度降低。

(2) 固溶+時(shí)效熱處理提高了合金的耐磨性能；在較低的固溶溫度下，較高載荷下試樣的平均摩擦因數(shù)略低于較低載荷下的，在較高固溶溫度下則相反；550 ℃固溶+時(shí)效后試樣在2種載荷下的磨損體積均最小，耐磨損性能最好；試樣的磨損機(jī)制為磨粒磨損，磨損表面均存在微裂紋和犁溝，且高載荷下的微裂紋和犁溝較多。