楊 唐，劉 炳，文 鋒，郭 璐，趙明露

（新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊830008）

新疆地處沙漠干旱地區(qū)，河流、水庫的蒸發(fā)量較大，水質(zhì)鹽化較快，容易形成高礦化度鹽堿水質(zhì)，對(duì)材料腐蝕尤為突出[1，2］。而鋁錳合金具有優(yōu)良的耐蝕性能，在一般情況下為全面腐蝕，常伴生著點(diǎn)蝕，在特定條件下，有剝蝕和晶間腐蝕傾向，還未發(fā)現(xiàn)這類合金有應(yīng)力腐蝕開裂的傾向，鋁錳合金的耐蝕性能在大氣中和工業(yè)純鋁相近，在海水中與純鋁相同，在稀鹽酸溶液中的耐蝕性則比純鋁（99.5%）還好[3］。Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度與比剛度高、耐磨性卓越以及簡單經(jīng)濟(jì)等很多優(yōu)良性能[4－6］。目前國內(nèi)外一般研究錳含量小于1.6%的變形鋁錳合金[7］，而本課題研究的節(jié)水灌溉過流部件需要一定的硬度和耐蝕性，所以本次實(shí)驗(yàn)將試樣的錳含量提高到1.6%以上，鑒于鋁錳合金和Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料這兩者各自的優(yōu)良性能，加之錳含量超過共晶點(diǎn)后會(huì)變脆，故探索Al2O3顆粒增強(qiáng)共晶成分鋁錳基復(fù)合材料，尤其對(duì)其在三種摩擦條件下磨損性能方面的比較研究以及對(duì)試樣的沖蝕性能分析在國內(nèi)外鮮見報(bào)道。本工作主要比較鋁錳共晶合金及其復(fù)合材料的金相組織，并分析它們?cè)谌N不同摩擦條件下滑動(dòng)摩擦磨損性能，以及在不同條件下的耐沖蝕性能。因?yàn)楣?jié)水灌溉過流部件在實(shí)際工況下，一方面受到水流帶動(dòng)沖擊粒子的沖蝕作用，另一方面還會(huì)與其他機(jī)械部件發(fā)生相互摩擦，所以將材料的耐磨性能和耐沖蝕性能結(jié)合起來研究就會(huì)更有應(yīng)用價(jià)值。研究結(jié)果能夠?yàn)樯衬案瓯诠啡叹G化防護(hù)林的種植、沙漠治理、農(nóng)林節(jié)水灌溉等耐磨蝕過流部件的開發(fā)提供理論基礎(chǔ)及技術(shù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試樣材料與制備

鋁錳合金是采用井式電阻爐熔煉，將A00純鋁放入石墨坩堝中待鋁錠熔化后，升溫至860℃，扒渣后加入錳碎粒，連續(xù)攪拌5min后再加入0.3%的MnCl2除氣、精煉，降溫至760℃，澆入鑄鐵模具中獲得試樣。鋁錳基復(fù)合材料的制作工藝是將A00純鋁放入石墨坩堝中，待鋁錠溶化后升溫至900℃，扒渣后加入錳碎粒，連續(xù)攪拌5min后加入5%工業(yè)超細(xì)的Al2O3增強(qiáng)體，然后用碳硅棒攪拌10min，后續(xù)步驟同上。摩擦實(shí)驗(yàn)試樣尺寸為8mm×8mm×30mm，沖蝕實(shí)驗(yàn)試樣尺寸為8mm×8mm×60mm。所有試樣都經(jīng)退火處理，其工藝是300℃下保溫1h后隨爐冷卻。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

摩擦磨損實(shí)驗(yàn)在室溫下于M－2000型摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，磨損時(shí)間為42min，共運(yùn)行8408轉(zhuǎn)，相對(duì)滑動(dòng)線速度為0.375m／s，分別在20，50，80，110，140 N的載荷下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。摩擦副材料用淬火45鋼，表面硬度為48HRC，外徑d為40mm。在干滑動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)中，將試樣裝卡后壓在摩擦副表面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在濕滑動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)中，試樣上方放一盛滿腐蝕液體的漏斗，腐蝕液流量為60～70滴／min。該實(shí)驗(yàn)中用到兩種摩擦介質(zhì)：一種是腐蝕液，腐蝕液是模擬新疆西克爾水庫實(shí)際成分配制的水體成分，pH值為8.2，水化學(xué)類型為SO4·Cl－Na·Ca·Mg型，礦化度為5.607g／L；另一種介質(zhì)是在該腐蝕液中再添加磨粒，磨粒加入量為1%，磨粒是根據(jù)新疆阿爾泰山、天山和昆侖山等三大山系中酸性巖石化學(xué)成分配制[1，8］，成分為 SiO2和Al2O3，其質(zhì)量比為7∶3，粒度為0～0.053mm。在實(shí)驗(yàn)前先后用丙酮與95%乙醇對(duì)試樣進(jìn)行清洗，吹干后用精度為0.1mg的TG328A型分析天平進(jìn)行稱重，實(shí)驗(yàn)過程中讀出摩擦因數(shù)，實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行同樣的清理，再用天平稱重，記錄數(shù)據(jù)并計(jì)算出磨損量；另外，每個(gè)試樣實(shí)驗(yàn)前后都要測(cè)量摩擦副的直徑和質(zhì)量。采用X射線衍射儀（XRD）分析試樣的相組成，并用LED－1430VP型掃描電鏡（SEM）觀察實(shí)驗(yàn)后材料的磨痕形貌。

沖蝕磨損實(shí)驗(yàn)是采用MSH型沖蝕磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)，實(shí)驗(yàn)機(jī)旋轉(zhuǎn)圓盤上對(duì)稱開有夾持試樣孔。分別在四種沖蝕磨粒的粒度（0～0.053mm，0.053～0.106mm，0.106～0.15mm，0.15～0.212mm）下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中磨粒的加入量為1%，其主軸轉(zhuǎn)速分別為334r／min和673r／min，相對(duì)線速度分別為3.5m／s和7m／s，沖蝕角為45°，室溫下連續(xù)沖蝕磨損20h。用掃描電鏡（SEM）及能譜儀（EDS）分析沖蝕形貌。對(duì)實(shí)驗(yàn)前后試樣的清洗與稱重、腐蝕介質(zhì)和磨粒的模擬同上。另外與靜液腐蝕實(shí)驗(yàn)不同，沖蝕實(shí)驗(yàn)后不必針對(duì)試樣表面的腐蝕產(chǎn)物做專門的清理，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過程中表面腐蝕產(chǎn)物一般會(huì)被攜帶磨粒的液流沖擊掉，當(dāng)然這與沖蝕速度的大小關(guān)系密切。試樣的最終沖蝕失重是由腐蝕產(chǎn)物的形成速率和試樣受沖擊的失重速率共同決定，因此沖蝕速度對(duì)試樣的失重率影響的實(shí)驗(yàn)顯得很有意義。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 金相組織分析

鋁錳合金的共晶點(diǎn)為錳含量1.95%，下面研究共晶成分附近的鋁錳合金及其復(fù)合材料。由圖1所示，鋁錳合金由鋁錳固溶體、鋁錳化合物MnAl6及Al11Mn4相組成；復(fù)合材料是由鋁錳固溶體、鋁錳化合物MnAl6及Al11Mn4相以及Al2O3顆粒增強(qiáng)相組成。圖1（b）中在44，65，78°附近 Al的衍射峰強(qiáng)度明顯要比圖1（a）中相應(yīng)位置高，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)卡可知44°和78°位置屬于Al標(biāo)準(zhǔn)圖譜的三強(qiáng)峰，更說明復(fù)合材料含有的鋁錳固溶體比合金多，硬脆的MnAl6及Al11Mn4化合物就相應(yīng)減少。

鋁錳共晶合金及其復(fù)合材料的硬度（HBS）分別為25.5和27.1，圖2（a）中分布著大量棒狀的鋁錳化合物，圖2（b）中含有均勻分布的細(xì)網(wǎng)狀鋁錳化合物和彌散分布的Al2O3顆粒，說明Al2O3顆粒的加入改變了鋁錳化合物的形態(tài)。這是由于Al2O3顆粒在各共晶相的分配系數(shù)有差異，它可以與固－液界面前沿發(fā)生相互作用。研究發(fā)現(xiàn)Al2O3顆粒通常會(huì)遠(yuǎn)離鋁錳固溶體形核的地方[6］，故Al2O3顆粒在其固－液界面前沿富集較少，沒有阻礙其長大速度，同時(shí)Al2O3顆粒相應(yīng)就在鋁錳化合物MnAl6及Al11Mn4相的固－液界面前沿富集較多，將阻礙該相的繼續(xù)長大，由于搭橋作用，落后的一相將被長大快的一相分隔為網(wǎng)狀組織[9］。

2.2 摩擦磨損失重分析

首先，摩擦實(shí)驗(yàn)中摩擦副在每個(gè)試樣實(shí)驗(yàn)前后的直徑和質(zhì)量幾乎沒有變化。這是由于摩擦副的表面硬度為48HRC，明顯高于鋁錳合金HBS25.5及Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁錳基復(fù)合材料HBS27.1的硬度，這將不會(huì)影響各個(gè)試樣磨損量的可比性。試樣在不同摩擦條件下磨損失重如圖3所示。

圖3 磨損量隨載荷變化的關(guān)系曲線Fig.3 Variation of mass loss with load

在三種摩擦條件下，復(fù)合材料的磨損量都比合金小，說明Al2O3顆粒的加入增加了材料的耐磨性；隨著載荷的增大，試樣的磨損失重都增大，因?yàn)樵谳d荷的作用下，試樣表面及其次表面受應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，進(jìn)而形成碎片最后剝落，增大載荷就加速了這個(gè)過程，從而增大磨損量；另外，試樣在僅有腐蝕液條件下的磨損量最大，腐蝕液加磨粒條件下次之，干摩擦條件下最小。

腐蝕磨損通常是由于腐蝕與磨損交互作用而發(fā)生的，可以將腐蝕磨損造成的材料損失量表示為[10－12］：

式中：WTotal為腐蝕磨損造成材料的總損失量；W1為單純的腐蝕失重；W2為單純的磨損失重；ΔW 為腐蝕與磨損交互作用產(chǎn)生的失重；ΔW1為磨損對(duì)腐蝕的加速量；ΔW2為腐蝕對(duì)磨損的加速量。

干摩擦的磨損量為W2，在僅有腐蝕液條件下的磨損量就是W1＋W2＋ΔW，故在僅有腐蝕液條件下的磨損失重比在干摩擦條件大。

人們一般按常識(shí)想象磨粒將增加磨損量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明事實(shí)并非如此，試樣在僅有腐蝕液介質(zhì)下的失重要比在腐蝕液加磨粒條件下大，主要有以下原因：

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 采用SPSS 19.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。服從正態(tài)分布的計(jì)量資料以表示，組間比較采用t檢驗(yàn)；計(jì)數(shù)資料的比較采用χ2檢驗(yàn)；等級(jí)資料采用秩和檢驗(yàn)。檢驗(yàn)水準(zhǔn)(α)為0.05。

第一，Archard方程適用于較大范圍的摩擦磨損情況，其表達(dá)式為[13］：

式中：v是材料被排出的體積；kabr為磨損系數(shù)；Wx為所加載荷；H為材料硬度。磨粒磨損可分為兩體磨粒磨損和三體磨粒磨損，三體磨粒磨損的磨損系數(shù)kabr比兩體磨粒磨損小，因?yàn)樵S多磨粒都傾向于滾動(dòng)而非滑動(dòng)[13，14］。故在其余條件都相同的情況下，加入自由磨粒反而減少磨損量。

第二，實(shí)際的金屬表面存在許多微凸體，摩擦過程中微凸體相互接觸對(duì)表面產(chǎn)生連續(xù)塑性剪切作用，這種連續(xù)塑性剪切將沿著滑移線產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，經(jīng)過一定循環(huán)之后，沿著裂紋的擴(kuò)展軌跡就分離出碎片[14］，在實(shí)驗(yàn)中磨粒處在摩擦副和試樣之間，在摩擦過程中減輕金屬之間的接觸，削弱了界面的黏著作用，從而減輕了對(duì)試樣的黏著磨損，減少了磨損失重。

磨粒的加入減少了試樣的磨損，磨損對(duì)腐蝕的加速量ΔW1減少，同時(shí)腐蝕對(duì)磨損的加速量ΔW2也減少，由腐蝕與磨損的交互作用產(chǎn)生的磨損量ΔW 就減少，磨粒對(duì)單純的腐蝕磨損沒有影響，磨損量仍為W1。可以設(shè)單純?nèi)w磨粒磨損失重為W2′，交互作用產(chǎn)生的磨損量為ΔW′，那么試樣在腐蝕液加磨粒條件下的總損失量為W1＋W2′＋ΔW′。也進(jìn)一步說明試樣在腐蝕液加磨粒條件的失重比僅有腐蝕液介質(zhì)的失重小，即W1＋W2′＋ΔW′＜W1＋W2＋ΔW。

根據(jù)上文的分析：腐蝕液介質(zhì)增加磨損失重，而磨粒的存在減少磨損失重。因此需要討論兩者對(duì)磨損失重的影響。

腐蝕液的水化學(xué)類型為SO4·Cl－Na·Ca·Mg型，試樣對(duì)溶解在腐蝕液介質(zhì)中的Cl－最敏感，這是因?yàn)镃l－既能夠納入氧化膜直接參與基體的溶解反應(yīng)，隨著Cl－濃度增加，點(diǎn)蝕將呈線性增長，在試樣表面將產(chǎn)生以下反應(yīng)[15］：

尤其是在高載荷的狀態(tài)下，摩擦熱的產(chǎn)生將加快上述反應(yīng)的進(jìn)行，這也說明了圖3中為什么在有腐蝕液介質(zhì)的四條曲線的高載荷段磨損量增幅會(huì)變得略大。

本次實(shí)驗(yàn)?zāi)M新疆西克爾水庫實(shí)際成分配制的腐蝕液介質(zhì)的Cl－濃度比較高[1］，腐蝕液對(duì)試樣的腐蝕磨損作用大于磨粒對(duì)磨損失重的削弱作用，那么試樣在有腐蝕液加磨粒條件下的磨損失重要比在干摩擦條件下大。

2.3 摩擦因數(shù)分析

從圖4可以看出：兩種材料的摩擦因數(shù)都是在僅有腐蝕液條件下最大，在有腐蝕液加磨粒條件下次之，在干摩擦條件下最小。這是由于腐蝕磨損的交互作用使得表面更加粗糙，故它們的摩擦因數(shù)要比干摩擦條件下大；同時(shí)磨粒的滾動(dòng)作用也降低了摩擦因數(shù)。但在僅有腐蝕液條件下摩擦過程開始時(shí)摩擦因數(shù)卻是由低到高，這是由于在開始階段摩擦熱很少，腐蝕反應(yīng)進(jìn)行緩慢；而在腐蝕液加磨粒條件下的開始階段摩擦因數(shù)是由高到低，其實(shí)這時(shí)的腐蝕反應(yīng)同樣緩慢，但由于開始階段試樣沒有產(chǎn)生一定的摩擦弧面，讓磨粒沒有滾動(dòng)的空間，而是快速地從極小的弧面上滑動(dòng)，故增大了摩擦因數(shù)，隨著一定摩擦弧面的產(chǎn)生，磨粒很快擁有了滾動(dòng)空間，摩擦因數(shù)降低；在干摩擦條件開始時(shí)摩擦因數(shù)由高到低，是由于磨屑的產(chǎn)生起到了滾動(dòng)作用，降低了摩擦因數(shù)，而在僅有腐蝕液條件下的開始階段，摩擦熱逐漸產(chǎn)生、腐蝕反應(yīng)逐漸加快才是其主要趨勢(shì)。圖4（b）的摩擦因數(shù)總體上比圖4（a）小且更平穩(wěn)，說明Al2O3顆粒增強(qiáng)相能夠提高材料的耐磨性能。

圖4 鋁錳共晶合金（a）及其復(fù)合材料（b）在140N載荷下摩擦因數(shù)隨摩擦行程變化的關(guān)系曲線Fig.4 Variation of friction coefficient with sliding distance in 140NAl－Mn eutectic alloy（a）and its composite（b）

2.4 摩擦磨損形貌分析

圖5（a），6（a）都是磨粒磨損和黏著磨損的綜合結(jié)果，圖5（a）比圖6（a）磨損痕跡更明顯；圖5（b）比圖6（b）有更寬、更深的犁溝；圖5（c）比圖6（c）有更多由黏著作用產(chǎn)生的凹坑。說明Al2O3顆粒增強(qiáng)相的加入增強(qiáng)了材料的耐磨性。圖5（b）比圖5（a）的犁溝更深，進(jìn)一步證明了腐蝕磨損的交互作用是磨損失重的主要方面；圖5（c）比圖5（b）有更多的凹坑，也進(jìn)一步證明了磨粒的加入減輕了界面的黏著作用，從而減少了磨損失重。這也符合了圖4（a）中三種摩擦條件下整個(gè)摩擦行程結(jié)束前最后一刻摩擦因數(shù)大小的關(guān)系。再將圖6（a）與圖6（b）、圖6（b）與圖6（c）分別比較，分析同上。

2.5 沖蝕磨損失重分析

從圖7可以看出：兩種材料在7m／s下的失重率均大于3.5m／s時(shí)的失重率，這是由于沖蝕速度增大，粒子的沖擊能量增大，試樣失重率增大。又發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的失重率要比合金小，主要由于復(fù)合材料中存在A12O3顆粒增強(qiáng)相，它的硬度和剛度比合金要高，會(huì)承受一部分粒子的沖擊和切削，對(duì)材料起到了保護(hù)作用。

在7m／s下，隨著粒徑的增大，失重率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。“先增大”是由于物體的動(dòng)能大小由物體的質(zhì)量和速度共同決定，當(dāng)沖蝕速度一定的時(shí)候，粒徑增大，沖擊能量越大，磨損率增大；“后減小”這是由于磨粒SiO2，A12O3顆粒的密度均遠(yuǎn)大于溶液密度，由斯托克斯公式[16］：

式中：v—下沉速度；g—重力加速度；r—球形雜質(zhì)半徑；ρ1—溶液密度；ρ2—雜質(zhì)密度；η—?jiǎng)恿︷ざ取?/p>

隨著磨粒粒徑的進(jìn)一步增大，磨粒下沉速度在逐漸增大，能對(duì)材料造成有效沖蝕磨損的粒子數(shù)量明顯降低，從而導(dǎo)致兩種材料的失重率逐漸減小。

而在3.5m／s下，隨著粒徑的增大，失重率逐漸減小。相比7m／s，由于速度較低，較難將粒子懸浮，下沉作用更明顯，磨粒下沉速度隨粒徑的增大而逐漸增大，失重率逐漸減小，就沒有了7m／s下“先增大后減小”的現(xiàn)象。一般看來，試樣在沖蝕實(shí)驗(yàn)后重量一定會(huì)減少，然而在0.15～0.212mm粒徑下實(shí)驗(yàn)的復(fù)合材料就出現(xiàn)了“零失重率”，合金出現(xiàn)“增重”現(xiàn)象。主要原因在于：一方面，在0.15～0.212mm粒徑下實(shí)驗(yàn)，粒子大量下沉，很少有懸浮粒子對(duì)試樣進(jìn)行沖擊；另一方面，試樣在Cl－的作用下產(chǎn)生點(diǎn)蝕具體化學(xué)反應(yīng)式同（4）～（7），反應(yīng)產(chǎn)物有 Al（OH）3，由于沖蝕粒子的撞擊減少，便會(huì)有Al（OH）3附著在表面。即腐蝕產(chǎn)物的形成速率比失重速率快，從而發(fā)生“增重”現(xiàn)象。

圖7 磨損率隨磨粒粒徑變化的關(guān)系曲線 （a）7m／s；（b）3.5m／sFig.7 Variation of wear rate with particle size （a）7m／s；（b）3.5m／s

2.6 沖蝕形貌分析

圖8（a）中試樣表面有“白斑”，對(duì)A處“白斑”做能譜點(diǎn)掃，結(jié)果如圖9，主要含有O元素和Al等元素，它們便是材料發(fā)生點(diǎn)蝕后遺留的腐蝕產(chǎn)物，而圖8（b）中僅有大量的沖蝕凹坑，進(jìn)一步證明在沖蝕速度小和粒徑大的情況下，腐蝕產(chǎn)物的形成速率比失重速率快，這就是“增重”發(fā)生的原因。圖10（a）中也有極薄的一層細(xì)小的腐蝕產(chǎn)物，而圖10（b）中部分區(qū)域比較平整，只有少量的沖蝕凹坑，說明沖蝕速度小和粒徑大時(shí)腐蝕產(chǎn)物的形成速率與失重速率相當(dāng)，故出現(xiàn)“零失重”現(xiàn)象。由上述分析說明7m／s下的沖蝕失重率比3.5 m／s大，復(fù)合材料比合金的耐沖蝕性能更佳。

圖8 鋁錳共晶合金在0.15～0.212mm粒徑下實(shí)驗(yàn)的沖蝕形貌SEM 照片 （a）3.5m／s；（b）7m／sFig.8 SEM morphologies of the eroded surface of Al－Mn eutectic alloy in 0.15－0.212mm particle size（a）3.5m／s；（b）7m／s

圖9 圖8（a）A處的EDS譜Fig.9 EDS pattern of A point in fig.8（a）

3 結(jié)論

（1）鋁錳共晶合金由鋁錳固溶體和棒狀的鋁錳化合物組成，其復(fù)合材料中含有鋁錳固溶體、均勻分布的細(xì)網(wǎng)狀鋁錳化合物以及彌散分布的Al2O3顆粒增強(qiáng)相。

（2）鋁錳共晶合金及其復(fù)合材料的磨損失重和摩擦因數(shù)都在僅有腐蝕液條件下最大，在有腐蝕液加磨粒條件下次之，在干摩擦條件下最??；兩種材料在僅有腐蝕液條件比在腐蝕液加磨粒條件有更多的凹坑，在腐蝕液加磨粒條件比干摩擦條件有更深的犁溝。

圖10 Al2O3 顆粒增強(qiáng)共晶成分鋁錳基復(fù)合材料在0.15～0.212mm粒徑下實(shí)驗(yàn)的沖蝕形貌SEM 照片 （a）3.5m／s；（b）7m／s Fig.10 SEM morphologies of the eroded surface of Al－Mn eutectic alloy reinforced by Al2O3particle in 0.15－0.212mm particle size （a）3.5m／s；（b）7m／s

（3）在7m／s的沖蝕速度下，隨著粒徑的增大，兩種材料的沖蝕失重率均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)；在3.5m／s下，隨著粒徑的增大，試樣的失重率逐漸下降，并在0.15～0.212mm粒徑下復(fù)合材料出現(xiàn)“零失重率”，合金試樣出現(xiàn)了“增重”現(xiàn)象。

（4）腐蝕液中摩擦磨損與沖蝕磨損機(jī)理的共同點(diǎn)是它們都存在交互作用增大失重量。不同點(diǎn)在于前者是腐蝕與摩擦交互作用增加磨損；后者是沖蝕粒子的撞擊與腐蝕液的腐蝕協(xié)同作用增加材料失重量，速度低時(shí)缺少粒子的撞擊，就可能發(fā)生“零失重率”或“增重”現(xiàn)象。

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