鄭潤國，黃 婷，武凱琦，林小娉

(1.東北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽 110819；2.東北大學(xué)秦皇島分校 資源與材料學(xué)院,河北 秦皇島066004)

鎂合金具有比強度和比剛度高、導(dǎo)熱性能好、阻尼減振降噪性佳、機械加工性能優(yōu)良等優(yōu)點，在航空航天、汽車及通訊領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-3].然而，鎂合金的耐磨性較差，限制了其進一步的應(yīng)用.為了改善鎂合金的耐磨性，學(xué)者們進行了一系列的研究[4-13].Blau等[4]研究了利用壓鑄法和觸變成型法得到AZ91D鎂合金的摩擦磨損行為，兩種方法得到的材料摩擦系數(shù)范圍為0.29～0.35，而觸變成型法制備的鎂合金平均磨損率低于壓鑄AZ91D鎂合金.An等[5]研究了不同法向載荷下表面溫度變化及其對AZ91合金磨損性能的影響，研究表明，當(dāng)載荷為150和200 N時，β-Mg17Al12相可能因表面溫度過高而熔化，進一步增加載荷后，表面溫度可使α-Mg相發(fā)生融化.

結(jié)構(gòu)輕量化的需求使得鎂合金在高溫條件下的應(yīng)用有了進一步發(fā)展，如汽車發(fā)動機部件、油泵蓋、氣缸套等，這對鎂合金在高溫下耐磨性提出了更高的要求.Huang等[6]研究了壓鑄AZ71E鎂合金的高溫摩擦磨損行為，研究發(fā)現(xiàn)，磨損率隨著載荷及滑動距離的增加而增大，而摩擦系數(shù)則減小，150 ℃時磨損機制為輕微剝層磨損和黏著磨損，而200 ℃時則為嚴(yán)重剝層磨損.Zafari等[7]研究了AZ91合金在室溫及高溫下的摩擦磨損性能，結(jié)果表明，嚴(yán)重磨損時，嚴(yán)重塑性變形為主要磨損機制，此外，還提出了由輕微磨損向嚴(yán)重磨損機制轉(zhuǎn)變時臨界表面溫度的計算公式.

目前，已有大量針對鎂合金摩擦磨損行為的研究報道，但對于鎂合金在高溫條件下的摩擦磨損行為尚鮮有研究，對其在高溫下的磨損機理缺乏相應(yīng)的研究.Mg-Zn-Y合金熱處理時能夠形成GP區(qū)強化，提高Y的含量，可以形成強化相.Zr元素可細(xì)化晶粒，減小合金熱裂傾向，降低其應(yīng)力腐蝕敏感性，提高力學(xué)性能和耐蝕性.本文將主要對鑄態(tài)及時效態(tài)Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金在高溫條件下的摩擦磨損行為進行研究，并探討其在高溫條件下的磨損機制.

1 實 驗

實驗原材料選用鎂錠，金屬鋅，鋯和釔(純度為99.9%)，及自配的Mg-Y中間合金.將原料按照質(zhì)量配比加入到真空電阻熔煉爐中熔煉，各元素含量分別為8%Zn, 1%Y, 1%Zr, 90%Mg，熔化溫度750 ℃，將熔化的合金液體澆入石墨鑄型中，制備鑄造合金.整個熔煉和澆注過程中采用CO2+0.3vol.% SF6混合氣體進行保護.利用等離子體光譜(ICAP)分析實驗合金的最終成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)：8.14%Zn, 1.44%Y, 0.5%Zr, 余量為Mg.此外，為了提高鑄態(tài)合金的性能，對其在不同溫度下進行了熱處理.熱處理后的硬度值如表1所示.由表1可以看出，時效溫度為240 ℃，12 h時，Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金的硬度最高，因此，摩擦磨損實驗所用Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金均在此條件下進行時效處理.將鑄態(tài)及時效態(tài)合金利用線切割實驗機加工成Ф5 mm×6 mm摩擦磨損試樣.材料硬度用維氏硬度計(HV-1000A)測量.

摩擦磨損實驗在HT-1000型高溫摩擦磨損實驗機上進行.實驗載荷分別為7、8、9、10 N，實驗溫度分別為27、100、150、200、250、300 ℃，滑動速率為0.136 m/s，對磨材料為硬質(zhì)合金，實驗后采用掃描電子顯微鏡(SEM，ZEISS SUPRA 55)對磨損表面進行分析.

表1 不同時效條件下Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金的硬度值(HV0.5)Table 1 The hardness value of Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr alloy at different aging conditions

2 結(jié)果與討論

2.1 載荷對合金摩擦學(xué)行為的影響

圖1 為室溫條件下鑄態(tài)和時效Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金在滑動速度0.136 m/s 下的磨損體積隨載荷的變化.由圖1可以看出，兩種狀態(tài)下Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金的磨損體積隨著載荷的增大而增加.在相同實驗條件下，鑄態(tài)合金的磨損體積均大于時效Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金.當(dāng)載荷較小時，二者的磨損體積相差不大， 而載荷達到10 N時，合金的磨損體積差值變大.磨損體積的變化可用下式解釋[14].

(1)

式中：V為試樣的磨損體積損失；K為磨損系數(shù)；P為施加的法向載荷；L為滑動距離；H為較軟接觸面的硬度.由式(1)可知，材料的磨損體積損失隨著載荷的增加而增大.由于時效合金的硬度明顯高于鑄態(tài)合金，導(dǎo)致時效合金磨損體積損失小于鑄態(tài)合金.

圖1 磨損體積損失隨載荷的變化曲線Fig.1 Wear volume loss with applied load

2.2 溫度對合金摩擦學(xué)行為的影響

圖2 為鑄態(tài)和時效Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金在7 N條件下的磨損體積隨環(huán)境溫度的變化.

圖2 磨損體積損失隨環(huán)境溫度的變化曲線Fig.2 Wear volume loss with ambient temperature

由圖2可知，隨著環(huán)境溫度的升高，兩種狀態(tài)下Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金的磨損體積隨著環(huán)境溫度的升高而增加.鑄態(tài)Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金在較低溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，磨損體積緩慢增大；而當(dāng)溫度高于200 ℃時，磨損體積急劇上升，說明合金的磨損機制隨溫度的增加發(fā)生了由輕微磨損到嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變.對于時效Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金，磨損體積發(fā)生轉(zhuǎn)變時對應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度為250 ℃，即時效處理使合金由輕微磨損到嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變溫度產(chǎn)生了滯后.

2.3 磨損機制

圖3為鑄態(tài)和時效Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金在常溫下的磨損表面掃描電鏡照片.鑄態(tài)合金的磨損表面存在與滑動方向平行的細(xì)小的犁溝，局部也出現(xiàn)了一些比較深的犁溝.在犁溝中間存在大量的塊狀磨屑，磨損表面發(fā)生了輕微的塑性變形且有金屬從表面剝落, 如圖3(a)所示.在此條件下， 磨損機制主要為磨粒磨損和輕微剝層磨損.對于時效Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金，磨損表面比較光滑，存在大量淺的擦傷痕跡，此外，在磨損表面也有少量的磨屑出現(xiàn)，如圖3(b)所示.此時，磨粒磨損為主要的磨損機制.

圖3 室溫下鑄態(tài)和時效Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金的磨損表面Fig.3 Wear surface of Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr alloy as cast alloy(a), aging alloy(b)

圖4是時效態(tài)Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金在不同溫度下的磨損表面照片.由圖4可見，當(dāng)環(huán)境溫度較低時(100 ℃)，在光滑的磨損表面存在一些細(xì)小的擦傷痕跡，個別地方出現(xiàn)較深的犁溝，見圖4(a)，此時輕微磨粒磨損為主要的磨損機制；當(dāng)環(huán)境溫度增加到200 ℃時，磨損表面要比低溫時光滑，只有少許淺的犁溝，EDS分析表明，磨損表面O元素的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為13.28%，主要是合金表面形成了氧化膜.氧化膜的存在能夠改變摩擦副的接觸方式，對Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金起到有效的保護作用，此時，主要為氧化磨損和磨粒磨損；當(dāng)環(huán)境溫度增加到250 ℃時，隨著滑動的進行，氧化膜部分發(fā)生破裂，有塊狀磨屑脫落，磨損表面發(fā)生塑性變形，變得比較粗糙.此時磨損機制為磨粒磨損、氧化磨損和輕微剝層磨損；當(dāng)環(huán)境溫度為300 ℃時，表面產(chǎn)生較大的塑性變形且有黏著現(xiàn)象出現(xiàn)，磨損表面出現(xiàn)分層現(xiàn)象，有大塊的金屬剝落下來，表面粗糙度增大，見圖4(f)，表明時效Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金發(fā)生了嚴(yán)重磨損，此時的磨損機制為黏著磨損和剝層磨損.

當(dāng)環(huán)境溫度超過250 ℃時，Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金發(fā)生了由輕微磨損向嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變，這主要與滑動過程中產(chǎn)生的摩擦熱有關(guān)，摩擦熱使接觸表面產(chǎn)生溫升，進而影響磨損機制和磨損率.但滑動過程中接觸表面的溫度很難準(zhǔn)確確定.Lim等[15]通過式(2)計算了穩(wěn)態(tài)時銷試樣表面的溫度Tb.

(2)

式中：T0為環(huán)境溫度;α為銷試樣的熱量分配系數(shù)；μ為摩擦系數(shù)；F為法向載荷；v為滑動速度；lb為試樣的等效長度；An為試樣的名義接觸面積；K為銷試樣的熱導(dǎo)率.由式(2)可知，銷試樣的溫度隨著載荷的增加而升高，從而使材料的力學(xué)性能變差，最終導(dǎo)致磨損率的增加(圖1).此外，銷試樣的溫度會隨著環(huán)境溫度及載荷的升高而升高.當(dāng)溫度較低時，由于摩擦副實際接觸的僅是一些微凸體，其只占名義接觸面積的很小一部分.由于滑動過程中產(chǎn)生的熱量很大，溫度很高，導(dǎo)致微凸體被氧化，合金表面的微凸體由于強度低，被硬質(zhì)合金刮擦下來形成磨屑，一些從摩擦副之間脫落，還有一些夾持在摩擦副之間，形成三體磨粒磨損.當(dāng)溫度增加到200 ℃時，由于溫度升高，磨損表面被氧化，形成一層氧化膜，從而保護了基體.當(dāng)環(huán)境溫度增加到250 ℃時，Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金的強度降低，基體不足以支撐氧化膜時，會導(dǎo)致其發(fā)生破裂，從而使新鮮的合金暴露出來，但由于環(huán)境溫度高，新暴露出的合金再次被氧化.當(dāng)溫度繼續(xù)增加到300 ℃時，合金變軟甚至?xí)^合金的熔點，靠近磨損表面的基體合金很容易產(chǎn)生塑性變形，熔融的合金材料將凝固在磨損表面，隨著滑動的進行，材料將陸續(xù)在先形成的薄層上凝固，從而使磨損表面產(chǎn)生分層現(xiàn)象，由于摩擦配副的作用，材料將從合金表面脫落形成不規(guī)則的層狀磨屑.

圖4 不同時效溫度下Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金的磨損表面Fig.4 Worn surface of aging Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr alloy at different temperatures

3 結(jié) 論

1)鑄態(tài)和時效態(tài)Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金磨損體積損失隨著載荷和環(huán)境溫度的升高而增大，時效態(tài)合金的嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)折點滯后于鑄態(tài)合金.

2)高溫下，時效態(tài)Mg-8.14Zn-1.44Y-0.5Zr合金的耐磨性明顯高于鑄態(tài)，且其發(fā)生嚴(yán)重磨損時對應(yīng)的環(huán)境溫度滯后于鑄態(tài)合金，當(dāng)環(huán)境溫度低于250 ℃時，合金的磨損機制主要為磨粒磨損和氧化磨損；環(huán)境溫度超過250 ℃時，剝層磨損和黏著磨損成為主要磨損機制變.