鑄態(tài)和擠壓態(tài)AZ31鎂合金摩擦學(xué)特性對比研究

韋永毅,謝紅梅,芶慶霜,黃小青,毛京雙,楊貴川

(長江師范學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶 408100)

鎂合金作為最輕的商用工程結(jié)構(gòu)材料,具有比強(qiáng)度高、鑄造成型性好、阻尼吸震降噪性能優(yōu)越、電磁屏蔽性能強(qiáng)、易于回收等諸多優(yōu)點[1-2]。目前,鎂合金已在汽車、電子通訊、航天航空等領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用[3-5]。鎂合金作為結(jié)構(gòu)材料在上述應(yīng)用領(lǐng)域中因相對運動,不可避免地要與其他材料接觸并產(chǎn)生摩擦和磨損[6-7]。因此,提高鎂合金的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能已成為科學(xué)家們研究的熱點之一。

目前,已有的研究主要聚焦于如何通過合理的技術(shù)手段來改進(jìn)某一牌號鎂合金的減摩抗磨性能。比如,Joel da Silva Rodrigues等人[8]采用等離子體電解氧化技術(shù)在ZK30鎂合金表面進(jìn)行鍍膜。研究發(fā)現(xiàn),鎂合金表面形成的含氧鍍層表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)性能和抗腐蝕性能。Amanov等人[9]系統(tǒng)探究了固溶處理對WE54鎂合金摩擦學(xué)性能的影響。結(jié)果表明,與原始試樣相比較,固溶處理的WE54鎂合金的摩擦系數(shù)和磨損體積分別下降了20%與66%。A.Zafari等人[10]研究發(fā)現(xiàn)稀土元素La添加到AZ91鎂合金能有效降低鎂合金晶粒尺寸,同時通過調(diào)控第二相尺寸及分布,有效提升了其高溫摩擦磨損性能。

本文擬通過擠壓的方式提高AZ31鎂合金的摩擦學(xué)性能,以鑄態(tài)AZ31鎂合金和擠壓態(tài)AZ31鎂合金為研究對象,系統(tǒng)研究了在不同載荷條件下兩種狀態(tài)鎂合金的摩擦學(xué)性能及磨損機(jī)理,以期所獲得的結(jié)果能夠為各領(lǐng)域在選擇鎂合金時提供參考。

1 試驗材料與方法

試驗樣品鑄態(tài)AZ31鎂合金成分如表1所示,鋁占2.77 wt.%,鋅占0.83 wt.%,錳占0.21 wt.%,其余為鎂。本文所用擠壓態(tài)AZ31鎂合金制備流程如下:擠壓前將直徑為82 mm的圓柱形鑄錠放在馬弗爐中進(jìn)行熱處理,熱處理溫度為380℃,保溫時間為2 h。然后將熱處理后的圓柱形鑄錠在熱擠壓機(jī)上進(jìn)行熱擠壓,擠壓比為34,擠壓溫度為380℃,出口速率為20 mm/s,獲得寬度為56 mm且厚度為3 mm的擠壓態(tài)板材。

表1 AZ31 鎂合金成分(質(zhì)量百分比,wt.%)

采用顯微維氏硬度計(HVS-1000BZ型)測試鑄態(tài)和擠壓態(tài)AZ31鎂合金的顯微硬度,加載載荷為9.8 N,保持時間為10 s,選取10個點進(jìn)行測量,取其平均值。采用CSM往復(fù)式球-盤摩擦磨損試驗機(jī)進(jìn)行摩擦實驗,試驗上試樣為AISI52100軸承鋼球,鋼球直徑為6 mm,鋼球的維氏硬度為697±17 kgf/mm2;試驗下試樣為鑄態(tài)或者擠壓態(tài)AZ31鎂合金,合金的尺寸為20 mm(長)×10 mm(寬)×3 mm(厚)。摩擦試驗前,采用100#～1000#砂紙將待測試樣AZ31鎂合金進(jìn)行表面拋光,并用乙醇清洗后烘干待用。摩擦磨損試驗中滑動速度為0.08 m/s,摩擦?xí)r間為30 min,載荷為1～8 N(平均赫茲接觸應(yīng)力為208～297 MPa)。試驗完成后清洗試樣表面并收集相應(yīng)試樣的磨屑,采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)觀察磨痕表面形貌和磨屑形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

鑄態(tài)和擠壓態(tài)AZ31鎂合金維氏硬度測量壓痕如圖1所示。擠壓態(tài)AZ31鎂合金的硬度為66.7 HV0.01,相對于鑄態(tài)AZ31鎂合金硬度52 HV0.01提高了28.3%。根據(jù)Hall-Petch公式,材料的顯微硬度與晶粒的尺寸關(guān)系可表示為[11]:

圖1 AZ31鎂合金維氏顯微硬度測試壓痕

HV=H0+kHd-1/2

式中:H0和kH為常數(shù);d為晶粒尺寸,單位μm;HV為顯微硬度,單位MPa。

從上式中可以看出,合金硬度隨著晶粒尺寸的降低而升高。擠壓過程中在強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力作用下,鑄態(tài)的粗大晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)閿D壓態(tài)的細(xì)晶粒組織,如圖2所示,從而提高了合金硬度。

圖2 AZ31鎂合金金相組織圖

2.2 摩擦學(xué)特點表征

圖3(a)和圖3(b)為3 N載荷下鑄態(tài)AZ31鎂合金和擠壓態(tài)AZ31鎂合金的摩擦系數(shù)變化曲線及平均摩擦系數(shù)。從圖中可以看出,鑄態(tài)AZ31鎂合金摩擦系數(shù)在0.19～0.23范圍內(nèi)波動,波動范圍較大,平均摩擦系數(shù)為0.189。擠壓態(tài)AZ31鎂合金摩擦系數(shù)在0.16～0.18范圍內(nèi)波動,平均摩擦系數(shù)為0.181。相對于鑄態(tài)鎂合金,擠壓態(tài)鎂合金摩擦系數(shù)降低4.2%。圖3(c)和圖3(d)為3 N載荷下鑄態(tài)AZ31鎂合金和擠壓態(tài)AZ31鎂合金磨痕的磨損體積及2D輪廓圖。從圖中可以看出,擠壓態(tài)AZ31鎂合金磨痕表面磨損體積為85 mm3,相對于鑄態(tài)AZ31鎂合金磨痕表面磨損體積105 mm3,下降了19%。從磨痕2D輪廓圖中明顯可以看出,擠壓態(tài)AZ31鎂合金的磨痕深度明顯小于鑄態(tài)AZ31鎂合金的磨痕深度。

圖3 鑄態(tài)和擠壓態(tài)AZ31鎂合金的摩擦學(xué)性能

2.3 載荷影響

鑄態(tài)和擠壓態(tài)AZ31鎂合金的平均摩擦系數(shù)和磨損體積與載荷的關(guān)系如圖4所示。從圖中可以看出,當(dāng)載荷為1 N時,兩種鎂合金的摩擦系數(shù)相當(dāng)。然而隨著載荷的增加,兩種鎂合金的摩擦系數(shù)相差變大。當(dāng)載荷為8 N時,鑄態(tài)AZ31鎂合金的摩擦系數(shù)為0.215,而擠壓態(tài)AZ31鎂合金的摩擦系數(shù)為0.188,其摩擦系數(shù)降低了12.6%。不同載荷下擠壓態(tài)鎂合金的摩擦系數(shù)均小于鑄態(tài)試樣的摩擦系數(shù),但兩種鎂合金的摩擦系數(shù)隨載荷的變化規(guī)律是一致的,均隨著載荷的增加而增加。兩種鎂合金的磨損體積與載荷的變化規(guī)律,與摩擦系數(shù)和載荷的變化規(guī)律一致,均隨載荷的增加而增加,擠壓態(tài)AZ31鎂合金的磨損體積均小于鑄態(tài)AZ31鎂合金試樣。當(dāng)載荷為8 N時,鑄態(tài)AZ31鎂合金的磨損體積為205 mm3,而擠壓態(tài)AZ31鎂合金的磨損體積為118.9 mm3,其磨損體積降低了42%。

圖4 載荷對鑄態(tài)和擠壓態(tài)AZ31鎂合金摩擦學(xué)性能的影響

2.4 磨痕表面形貌觀察

為了進(jìn)一步探討兩種鎂合金的減摩抗磨機(jī)制,采用FESEM-EDS對磨痕表面形貌和磨屑進(jìn)行了觀察。圖5(a)和圖5(b)是載荷為3 N滑動摩擦速度為0.08 m/s摩擦測試后的磨痕表面形貌和磨屑圖,鑄態(tài)AZ31鎂合金磨痕表面出現(xiàn)明顯的劃痕,并聚集了較多的因摩擦熱產(chǎn)生的白色氧化物,表明磨損機(jī)制主要為磨粒磨損和氧化磨損。隨著載荷的增加,摩擦表面變形速度加快,導(dǎo)致在應(yīng)力集中處表面材料脫落成為磨屑,形成較深的剝落坑,參見圖5(d)和圖5(e)。從圖5(c)和圖5(f) 磨屑EDS譜圖中可以看出,3 N和8 N兩種載荷測試條件下鑄態(tài)AZ31鎂合金摩擦后產(chǎn)生的磨屑均為金屬Mg的氧化物MgO。鑄態(tài)AZ31鎂合金表面剝落的大塊MgO磨屑作為第三體粒子,在摩擦對偶的作用下切削滑動表面,導(dǎo)致磨損率急劇升高。

圖5 不同載荷測試條件下鑄態(tài)AZ31鎂合金磨痕表面及磨屑FESEM-EDS圖

圖6(a)和圖6(b)是載荷為3 N滑動摩擦速度為0.08 m/s時,擠壓態(tài)AZ31鎂合金的磨痕表面形貌和磨屑圖。磨痕表面存在著明顯的溝槽和擦傷痕跡,這些溝槽和擦痕均平行于滑動方向,這主要是因為接觸面間存在從外界進(jìn)入或從表面剝落產(chǎn)生的硬質(zhì)粒子在摩擦過程中對鎂合金表面反復(fù)刮擦形成的。摩擦測試后的磨屑通過FESEM觀察發(fā)現(xiàn),磨屑較為細(xì)小,能有效充填到磨痕的溝槽中,從而形成一層保護(hù)層阻止摩擦副之間的直接接觸。隨著載荷的增加,磨損機(jī)制也逐漸發(fā)生改變,材料的磨損機(jī)制開始由磨粒磨損向剝層磨損轉(zhuǎn)變。當(dāng)載荷增加到8 N時,擠壓態(tài)AZ31鎂合金的磨痕表面出現(xiàn)明顯的剝層磨損特征,見圖6(d)。在摩擦的開始階段,試樣表面被犁皺后又被壓平這一過程不斷的重復(fù)進(jìn)行,導(dǎo)致塑性變形裂紋在試樣的次表面形核。當(dāng)摩擦過程繼續(xù)進(jìn)行或摩擦載荷增加時,裂紋從試樣次表面向表面擴(kuò)展與表面上產(chǎn)生的裂紋相交時,便形成片狀的磨屑從試樣表面脫落。從圖6(e)中磨屑形貌可以看出,磨屑較為粗大。與鑄態(tài)AZ31鎂合金磨屑成分相同,3 N和8 N載荷測試條件下擠壓態(tài)AZ31鎂合金摩擦后產(chǎn)生的磨屑也均為金屬Mg的氧化物MgO,如圖6(c)和圖6(f)。

圖6 不同載荷測試條件下擠壓態(tài)AZ31鎂合金磨痕表面及磨屑FESEM-EDS圖

2.5 磨損機(jī)理分析

從摩擦磨損測試分析可見,當(dāng)在相同載荷作用下對兩種狀態(tài)鎂合金進(jìn)行摩擦磨損試驗時,擠壓態(tài)鎂合金的磨損損耗低于鑄造鎂合金,說明擠壓態(tài)鎂合金的耐磨性較高。通常材料的力學(xué)性能對耐磨性起到?jīng)Q定性作用。從硬度來看,鑄造鎂合金和擠壓態(tài)鎂合金的硬度分別為52 HV0.01和66.7 HV0.01,表明擠壓加工后提高了鑄造鎂合金的力學(xué)性能,進(jìn)而提高了其耐磨性[12]。其次,擠壓加工能有效減少孔洞類鑄造缺陷,其材料內(nèi)部的連續(xù)性和致密性更高,進(jìn)一步提高了擠壓態(tài)鎂合金的耐磨性[13]。另外,擠壓態(tài)AZ31鎂合金摩擦實驗后產(chǎn)生的碎屑較為細(xì)小,細(xì)小的磨屑充填到磨痕的溝槽中,從而形成一層保護(hù)層阻止摩擦副之間的直接接觸,能有效減少鎂合金表面的磨損。

3 結(jié) 論

(1)對鑄態(tài)AZ31鎂合金進(jìn)行擠壓變形后,有效細(xì)化了晶粒,從而提高了合金的硬度。

(2)當(dāng)載荷為1 N時,兩種鎂合金的摩擦系數(shù)相當(dāng)。然而隨著載荷的增加,兩種鎂合金的摩擦系數(shù)相差變大。當(dāng)載荷為8 N時,擠壓態(tài)AZ31鎂合金的摩擦系數(shù)和磨損體積相對于鑄態(tài)AZ31鎂合金分別降低了12.6%和42%。

(3)擠壓態(tài)AZ31鎂合金表現(xiàn)出良好的摩擦學(xué)性能,主要歸因于其高力學(xué)性能及摩擦過程中形成的細(xì)小磨削填充作用。