超細(xì)晶建筑裝飾鋁合金的摩擦磨損性能研究

周 佳

(馬鞍山師范高等?？茖W(xué)校 藝術(shù)設(shè)計(jì)系，安徽 馬鞍山 243000)

我國(guó)城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的快速推進(jìn)，給建筑鋁型材行業(yè)帶來(lái)了巨大發(fā)展機(jī)遇，我國(guó)已經(jīng)成為世界上最大的鋁型材生產(chǎn)基地和消費(fèi)市場(chǎng)。目前，由建筑鋁型材制作的框、扇結(jié)構(gòu)的門窗已經(jīng)被廣泛使用[1]，這主要與其具有密度低(約為鋼、銅或黃銅密度的1/3)、比強(qiáng)度高、耐腐蝕好、裝飾性好和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)有關(guān)[2-3]。然而，與7000系等鋁合金相比，主要用作建筑鋁型材的6000系鋁合金的強(qiáng)度和耐磨性等還需要進(jìn)一步提升，目前通過(guò)微合金化、固溶時(shí)效熱處理和大塑性變形等技術(shù)改善可時(shí)效強(qiáng)化型6000系鋁合金強(qiáng)塑性的研究很多[4-7]，但是對(duì)作為建筑鋁型材重要考核指標(biāo)的摩擦磨損性能方面的研究還相對(duì)較少，因此，在等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ECAP)等大塑性變形技術(shù)可有效提升材料強(qiáng)塑性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究此技術(shù)對(duì)建筑鋁型材耐磨性能的影響以及考察磨損機(jī)制具有重要意義。

1 材料與方法

試驗(yàn)材料為由西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司提供的熱擠壓建筑裝飾用6063鋁合金棒材(Φ22 mm)，具體化學(xué)成分如表1所示。

表1 6063鋁合金的化學(xué)成分 (wt%)

將6063鋁合金圓棒試樣加工成20 mm×20 mm×100 mm的試樣，在Nabertherm LV 15/11/P330型熱處理爐中對(duì)其進(jìn)行555 ℃保溫1.5 h的固溶處理，并水淬至室溫，得到固溶態(tài)6063鋁合金(記為SST)；固溶處理后繼續(xù)對(duì)試樣進(jìn)行170 ℃保溫3 h的時(shí)效處理，并水淬至室溫，得到T6態(tài)6063鋁合金(記為T6)；對(duì)固溶處理后的試樣按Bc路徑進(jìn)行4道次等通道轉(zhuǎn)角擠壓變形(ECAP)處理，模具預(yù)熱溫度為110 ℃，第一次擠壓前保溫時(shí)間為8 min，擠壓速度為4 mm/s，兩通道內(nèi)交角和外接弧角分別為90°和20.6°，然后進(jìn)行170 ℃保溫3 h的時(shí)效處理，并水淬至室溫，得到等通道轉(zhuǎn)角擠壓+動(dòng)態(tài)時(shí)效的6063鋁合金(記為ECAPed at 110 ℃，簡(jiǎn)稱ECAP時(shí)效態(tài))。

采用帕納科Empyrean銳影X射線衍射儀對(duì)不同狀態(tài)6063鋁合金進(jìn)行X射線衍射分析，Cu靶Kɑ輻射，掃描速率為5°/min；室溫摩擦磨損試驗(yàn)在UMT-2型多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，對(duì)磨材料為Φ4 mm的440-C鋼球，載荷介于5～25 N，滑動(dòng)速度和時(shí)間分別為0.02 m/s和20 min；磨損失重采用GH-202型電子天平進(jìn)行稱量，并以3組試樣的平均值計(jì)算磨損率；采用SuperView W1型光學(xué)3D表面輪廓儀對(duì)磨損表面進(jìn)行尺寸測(cè)定；采用JSM-7100F型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察磨損形貌，并采用附帶能譜分析儀對(duì)微區(qū)成分進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1為不同狀態(tài)6063鋁合金的X射線衍射分析結(jié)果。固溶態(tài)、T6態(tài)和ECAP時(shí)效態(tài)6063鋁合金的主要物相都為ɑ-Al相、β-Mg2Si相、β′-Mg1.7Si相和β″-Mg5Si6相，但是T6態(tài)和ECAP時(shí)效態(tài)6063鋁合金的(200)(220)和(311)晶面附近都出現(xiàn)了相對(duì)比固溶態(tài)試樣更強(qiáng)的衛(wèi)星峰[8]，且β-Mg2Si相、β′-Mg1.7Si相和β″-Mg5Si6相的衍射峰更強(qiáng)。固溶態(tài)試樣的衍射峰已經(jīng)出現(xiàn)了少量β相、β′相和β″相，這主要是因?yàn)闊釘D壓態(tài)6063鋁合金中的這些析出相在固溶處理后并未完全回溶[9]，而時(shí)效或ECAP時(shí)效處理后，過(guò)飽和6063鋁合金中會(huì)有大量析出相產(chǎn)生，且ECAP時(shí)效態(tài)6063鋁合金中的β″相衍射峰最強(qiáng)，相對(duì)含量更高[10]。

(a)固溶態(tài)

圖2為不同狀態(tài)6063鋁合金的摩擦系數(shù)曲線，載荷分別為5 N，10 N，20 N和25 N。對(duì)比分析可知，不同載荷下固溶態(tài)和T6態(tài)6063鋁合金的摩擦系數(shù)曲線相似，都表現(xiàn)為初始階段摩擦系數(shù)迅速上升，之后有一定程度波動(dòng)并在時(shí)間達(dá)到600 s附近時(shí)趨于穩(wěn)定，這主要是由于剛開始摩擦磨損時(shí)的摩擦副需要承受較大切向力，從而導(dǎo)致摩擦系數(shù)升高[11]，在隨后當(dāng)6063鋁合金試樣表面磨平，摩擦系數(shù)會(huì)有一定程度降低，這個(gè)階段稱為跑合階段；相較而言，ECAP時(shí)效態(tài)6063鋁合金的摩擦系數(shù)曲線則表現(xiàn)出明顯不同的特征，初始摩擦磨損階段的摩擦系數(shù)雖也會(huì)迅速上升，但是上升幅度明顯小于其他兩種狀態(tài)，且跑合階段的波動(dòng)幅度較小，基本在100 s附近時(shí)已經(jīng)處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)?？梢?，固溶態(tài)和T6態(tài)6063鋁合金從跑合階段到穩(wěn)定階段的時(shí)間明顯大于ECAP時(shí)效態(tài)，這主要與前兩者在摩擦磨損時(shí)需要克服的最大靜摩擦力更大有關(guān)[12]。

(a)5 N

圖3為不同狀態(tài)6063鋁合金的平均摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果。在相同狀態(tài)下，隨著載荷從5 N增加至25 N，6063鋁合金的平均摩擦系數(shù)呈現(xiàn)先減小而后增大的特征，載荷10 N時(shí)的平均摩擦系數(shù)相對(duì)較小。這主要是因?yàn)檩^低載荷下(5 N)6063鋁合金表面的致密氧化膜還沒有形成，載荷10 N時(shí)6063鋁合金表面的摩擦溫度升高并形成致密氧化膜，可以起到一定程度的減摩作用[13]，而較大載荷下(>20 N)，摩擦力對(duì)摩擦系數(shù)的影響大于氧化膜，所以平均摩擦系數(shù)又呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。在相同載荷下，平均摩擦系數(shù)從大至小的順序?yàn)楣倘軕B(tài)>T6態(tài)>ECAP時(shí)效態(tài)；T6態(tài)6063鋁合金的平均摩擦系數(shù)小于固溶態(tài)，這主要與時(shí)效后合金中析出了起強(qiáng)化作用的第二相有關(guān)[14]，而ECAP時(shí)效態(tài)6063鋁合金摩擦系數(shù)的減小除與起強(qiáng)化作用的第二相大量析出有關(guān)外，還與此時(shí)合金具有更小的晶粒尺寸有關(guān)[8]。

圖3 不同狀態(tài)6063鋁合金的平均摩擦系數(shù)

圖4為不同狀態(tài)6063鋁合金的磨損率測(cè)試結(jié)果。對(duì)比分析可知，隨著載荷從5 N增加至25 N，固溶態(tài)、T6態(tài)和ECAP時(shí)效態(tài)6063鋁合金的磨損率都呈現(xiàn)為逐漸增大的趨勢(shì)，且相同載荷下，磨損率從大至小的順序?yàn)楣倘軕B(tài)>T6態(tài)>ECAP時(shí)效態(tài)。磨損率的測(cè)試結(jié)果與平均摩擦系數(shù)的測(cè)試結(jié)果相吻合，即ECAP時(shí)效態(tài)6063鋁合金具有相對(duì)較低的摩擦系數(shù)和更好的耐磨性。

圖4 不同狀態(tài)6063鋁合金的磨損率

圖5為不同狀態(tài)6063鋁合金的磨痕橫截面形貌，載荷分別為10 N和25 N，表2列出了這兩種載荷下的磨痕尺寸測(cè)量結(jié)果。當(dāng)載荷為10 N時(shí)，磨痕寬度從高至低的順序?yàn)楣倘軕B(tài)>T6態(tài)>ECAP時(shí)效態(tài)，而ECAP時(shí)效態(tài)的磨損深度則相對(duì)略大，這可能與摩擦磨損過(guò)程中磨屑對(duì)6063鋁合金表面產(chǎn)生了局部刮擦有關(guān)[15]，整體而言，ECAP態(tài)6063鋁合金的磨損體積最小，其次為T6態(tài)6063鋁合金。當(dāng)載荷為25 N時(shí)，磨痕寬度和磨痕深度從高至低的順序?yàn)楣倘軕B(tài)>T6態(tài)>ECAP時(shí)效態(tài)，ECAP時(shí)效態(tài)6063鋁合金的磨損體積在3種合金中是最小的?？梢姡d荷為10 N和25 N時(shí)，ECAP時(shí)效態(tài)6063鋁合金相較固溶態(tài)和時(shí)效態(tài)6063鋁合金有更好的耐磨性能。

(a)10 N

表2 不同狀態(tài)6063鋁合金的磨痕尺寸測(cè)試結(jié)果

圖6為不同狀態(tài)6063鋁合金的表面磨損形貌，載荷為25 N。固溶態(tài)6063鋁合金表面可見明顯撕裂、犁溝以及氧化膜破裂而產(chǎn)生的磨屑顆粒(圖6a，圖6b)，磨損機(jī)制主要為疲勞磨損+黏著磨損+氧化磨損；T6態(tài)和ECAP時(shí)效態(tài)6063鋁合金表面都可見磨屑顆粒、局部剝層以及黏著現(xiàn)象，磨損機(jī)制主要為黏著磨損+少量剝層磨損+少量磨粒磨損+少量氧化磨損，且相對(duì)而言，T6態(tài)6063鋁合金的黏著磨損相較ECAP時(shí)效態(tài)更加嚴(yán)重。對(duì)固溶態(tài)、T6態(tài)和ECAP時(shí)效態(tài)6063鋁合金磨損表面進(jìn)行能譜分析，結(jié)果顯示，3種狀態(tài)的6063鋁合金其表面氧含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為30.75%，28.80%和14.00%，由此可見，ECAP時(shí)效態(tài)6063鋁合金相較固溶態(tài)和T6態(tài)6063鋁合金具有更好的抗氧化性能。

(a)固溶態(tài)(50 μm)

圖7為不同狀態(tài)6063鋁合金的透射電鏡顯微(TEM)形貌。經(jīng)過(guò)ECAP處理后，6063鋁合金中可見尺寸60～450 nm的納米晶粒存在，平均晶粒尺寸約為245 nm，這主要是因?yàn)镋CAP處理過(guò)程中合金經(jīng)過(guò)大塑性變形而發(fā)生了再結(jié)晶的緣故[16]，可見，ECAP處理可以明顯細(xì)化6063鋁合金的晶粒；ECAP時(shí)效態(tài)6063鋁合金中可見大量彌散析出的納米級(jí)桿狀β′相和針狀β″相，這些納米級(jí)析出相可以起到彌散強(qiáng)化的作用[17]。在細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化的共同作用下，6063鋁合金的強(qiáng)塑性和硬度會(huì)有所增加，相應(yīng)的耐磨性也會(huì)得到提升。

(a)ECAP態(tài)

3 結(jié)論

(1)固溶態(tài)、T6態(tài)和ECAP時(shí)效態(tài)6063鋁合金的主要物相都為ɑ-Al相、β-Mg2Si相、β′-Mg1.7Si相和β″-Mg5Si6相，但是ECAP時(shí)效態(tài)6063鋁合金的β-Mg2Si相、β′-Mg1.7Si相和β″-Mg5Si6相的衍射峰更強(qiáng)。

(2)固溶態(tài)和T6態(tài)6063鋁合金從跑合階段到穩(wěn)定階段的時(shí)間明顯大于ECAP時(shí)效態(tài)；相同狀態(tài)下，6063鋁合金的平均摩擦系數(shù)會(huì)隨著載荷增加呈現(xiàn)先減小而后增大的特征；在相同載荷下，平均摩擦系數(shù)從大至小的順序?yàn)楣倘軕B(tài)>T6態(tài)>ECAP時(shí)效態(tài)。

(3)隨著載荷從5 N增加至25 N，固溶態(tài)、T6態(tài)和ECAP時(shí)效態(tài)6063鋁合金的磨損率都呈現(xiàn)為逐漸增大的趨勢(shì)，且相同載荷下，磨損率從大至小的順序?yàn)楣倘軕B(tài)>T6態(tài)>ECAP時(shí)效態(tài)，磨損率的測(cè)試結(jié)果與平均摩擦系數(shù)的測(cè)試結(jié)果相吻合，即ECAP時(shí)效態(tài)6063鋁合金具有相對(duì)較低的摩擦系數(shù)和更好的耐磨性。

(4)固溶態(tài)6063鋁合金的磨損機(jī)制主要為疲勞磨損+黏著磨損+氧化磨損；T6態(tài)和ECAP時(shí)效態(tài)6063鋁合金的磨損機(jī)制主要為黏著磨損+少量剝層磨損+少量磨粒磨損+少量氧化磨損。