張 波,徐冬,張書維,宋寶成

(江蘇安全技術(shù)職業(yè)學院 機械工程學院,江蘇 徐州 221000)

鑄造Al-Si合金由于良好的耐腐蝕性能、較高的比強度、質(zhì)量輕等優(yōu)點而被廣泛應用于汽車零部件制造等領(lǐng)域,比如汽車發(fā)動機缸蓋、缸體等重要部件[1-3]。汽車零部件因機械磨損經(jīng)常遭到直接或間接損壞,由此須要更換零部件或影響零部件的使用年限,這極大阻礙了鑄造Al-Si合金在汽車工業(yè)化中的發(fā)展。鑒于此,提高鑄造Al-Si合金的摩擦磨損性能具有極大的現(xiàn)實意義。

有研究[4]表明,Al-Si合金組織中α(Al)晶粒、共晶Si相以及金屬間化合物的形態(tài)、大小與分布,對合金的力學性能及耐磨性能具有極大影響。粗大的α(Al)晶粒會極大降低合金的各項性能;未變質(zhì)組織中易存在粗大的長針狀或板塊狀共晶Si相,易在尖端或棱角部位引起應力集中,嚴重割裂基體,進而導致合金的強度與硬度降低[5-9],所以必須對合金進行變質(zhì)處理。目前,合金組織中α(Al)晶粒及共晶Si相的細化主要通過添加細化劑和變質(zhì)劑來實現(xiàn)。國內(nèi)外研究普遍認為,稀土元素是非常有效的細化變質(zhì)劑。稀土元素中La、Ce、Pr、Yb等不僅可以細化α(Al)晶粒,還可以起到變質(zhì)共晶Si的作用。此外,稀土元素還具有很強的除雜、凈化作用,能夠消除鋁合金中的Fe、S、H2[10-13]等有害元素。劉春海[14]等人添加稀土Ce改善了A356鋁合金的微觀組織及力學性能,稀土Ce不僅使α-Al晶粒得到細化,而且使共晶Si相也變得更加細小、圓整。與未變質(zhì)處理的A356合金相比,添加0.04%稀土Ce的A356鋁合金的屈服強度、抗拉強度及延伸率均得到了顯著提升。史攀[15]等人研究了稀土La對Al-12.35Si合金組織及性能的影響,La的添加顯著細化了共晶Si的尺寸,減小了α-Al二次枝晶臂的距離。0.2%La的添加量對合金的變質(zhì)效果最好且力學性能最佳,但是隨著過量La的加入,合金的組織粗化且性能降低。本課題采用添加Al-10La中間合金的方式對Al-Si合金進行變質(zhì)處理,研究稀土La含量對Al-Si合金摩擦磨損性能的影響。

1 試驗材料與方法

本次試驗選用Al-10La中間合金變質(zhì)處理Al-5Si-Cu-Mg鋁合金,Al-5Si-Cu-Mg鋁合金的化學成分為:Si5.0, Mg0.5, Cu1.5, Mn0.1, Zn0.2, Fe0.81, 其余的都是Al(質(zhì)量分數(shù),%)。具體試驗流程如下:將一定量的Al-5Si-Cu-Mg鋁合金置于石墨坩堝內(nèi),坩堝隨電阻爐升溫至750℃,保溫20 min以確保合金完全熔化,再把切碎的Al-10La中間合金緩慢加入到熔體內(nèi),配比成不同稀土含量的變質(zhì)鋁合金(質(zhì)量分數(shù)0%La、0.25%La、0.5%La及0.75%La)。隨后將電阻爐升溫至780℃保溫10 min,之后對熔體進行機械攪拌5 min,再澆注于已經(jīng)預熱的鋼制模具內(nèi)。

摩擦磨損試驗機型號為BRUKERUMT-2,摩擦方式為干滑動摩擦磨損,磨盤為55 HRC硬度的GCr15軸承鋼盤,試樣在磨損前后均放入裝有無水乙醇的超聲波清洗儀中超聲處理10 min,試樣的質(zhì)量通過電子天平稱量,精度為0.000 1 g。摩擦過程的外加載荷為40 N,滑動轉(zhuǎn)速為0.25 m/s,每磨損600 s后稱量一次試樣重量。對試樣進行打磨、拋光,再用0.5%HF進行刻蝕。利用光學顯微鏡(OM, DM4000M型)觀測試樣的金相組織,利用掃描電子顯微鏡(FEI Quanta 200F型)觀察試樣的微觀組織及磨擦磨損表面形貌,同時利用配套的能譜儀(EDS)對試樣進行元素組成分析。維氏硬度計(HV-50A型)測試樣品的維氏硬度,加載5 kg,時間15 s。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 微觀組織

圖1為不同含量稀土的變質(zhì)Al-5Si合金的鑄態(tài)組織形貌。圖1a中未變質(zhì)的Al-5Si合金主要由粗大的α-Al晶粒、長針狀或板條狀的共晶Si相以及魚骨狀的富Fe相構(gòu)成,其中α-Al枝晶粗大,排列雜亂無章。隨著不同含量稀土La的添加,合金組織逐漸細化。當添加了0.5%La之后,第二相的形貌與分布變化最為明顯,如圖1c所示。α-Al晶粒由粗大向細小轉(zhuǎn)變,枝晶排列也變得有規(guī)律,大部分α-Al晶粒邊界變得圓整。在組織中已經(jīng)觀察不到長針狀或板條狀的共晶Si相,這也說明稀土元素La對Si相的細化效果顯著,有效減少了粗糙共晶Si相對基體組織的割裂作用。同時,稀土La的加入使得魚骨狀的富鐵相發(fā)生分解,極大減少了富鐵相的聚集,避免了應力集中,從而有效改善了合金的力學性能。但是添加了0.75%La之后,合金組織有明顯粗化的趨勢,已經(jīng)偏移了最佳狀態(tài),如圖1d所示。

圖1 不同含量稀土的Al-5Si合金微觀組織

圖2為0.5%La的Al-5Si合金的EDS分析及元素面掃描分布。從EDS圖片中可見,白色的相分布于基體中。根據(jù)元素面掃描可知Al、Si、Cu及稀土元素La的分布,亮白色的相應該為富La稀土相,稀土相可能是由Al、Si、Cu、La組成的多元稀土金屬間化合物。

圖2 0.5%La的Al-5Si合金的EDS分析及元素面掃描分布

2.2 維氏硬度

圖3為添加了不同含量稀土的Al-5Si合金的維氏硬度。從圖中可知,合金維氏硬度隨著稀土La添加量的增加而呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢。Al-5Si合金基體的維氏硬度較低,數(shù)值為68.71 HV,這主要與組織中粗大的枝晶與共晶Si相有關(guān)。當添加了0.25%La時,變質(zhì)合金的維氏硬度有所提高,達到了78.19 HV。當添加了0.5%La時,變質(zhì)合金的維氏硬度為91.23 HV,與未變質(zhì)的合金相比提升了32.78%,此時合金的硬度達到最高,這主要是由于稀土元素作為一種高表面活性元素,有效降低了Al熔體的界面張力和臨界成核半徑,有助于克服α-Al晶粒的形核障礙,可以極大地細化α-Al晶粒的尺寸。然而,當添加了0.75%La時,硬度有明顯降低,這可能是由于過量的La元素與Al元素形成了La-Al稀土相,產(chǎn)生了大量的結(jié)晶熱,極大降低了液態(tài)金屬的過冷度,從而導致合金晶粒的粗化,合金的硬度由此呈現(xiàn)降低的趨勢[16]。

圖3 添加了不同含量稀土的Al-5Si合金的維氏硬度

2.3 摩擦磨損性能

圖4為不同稀土La加入量對Al-5Si合金摩擦磨損表面形貌的影響。未變質(zhì)處理的Al-5Si合金磨損表面如圖4a所示,合金表面磨損嚴重,臺階式分層現(xiàn)象明顯,并且磨損痕跡較深,因此可知其在與對磨副進行摩擦的過程中,從材料表面剝落的基體合金較多,表現(xiàn)出較差的耐磨性能,磨損機制主要以剝層磨損為主。當加入0.25%La元素之后,磨損表面有所好轉(zhuǎn),如圖4b所示。摩擦試驗過后,在試樣的磨損表面上只留下較小面積的凹坑,并且凹坑深度較淺。在磨損表面出現(xiàn)了許多深淺及寬度不一,且平行排布的劃痕,即犁溝。犁溝的形成是由于對偶件上的微凸體在磨面上產(chǎn)生微觀切削和刮擦而形成犁溝狀痕跡[17],此時變質(zhì)合金的磨損機制主要是粘著磨損和磨粒磨損。當加入0.5%La元素后,合金的磨損形貌如圖4c所示。稀土0.5%La-Al-5Si合金的耐磨性能達到最佳,磨損表面最為平整,沒有出現(xiàn)特別明顯的深淺及寬窄不一的溝壕,只有非常細微的小劃痕與零星散落的小凹槽,表現(xiàn)為非常輕微的磨粒磨損和粘著磨損。稀土元素的添加有效改善了合金的抗磨損性能,因為稀土本身就具有良好的潤滑功能,可促進表面氧化膜的形成,有效提高合金的耐磨性能。根據(jù)王天國[18]等人的研究可知,稀土La大多存在于晶界,晶界得到了極大的強化作用,使得裂紋不易在晶界處形成,增大了裂紋的擴展阻力。但是當添加了0.75%La時,變質(zhì)合金的磨損表面有所惡化,如圖4d所示。表面變得粗糙,小區(qū)域的凹坑重新出現(xiàn)在磨損表面,但是總體觀察磨損表面較未變質(zhì)的Al-5Si合金有明顯改善。

圖4 添加了不同含量稀土的Al-5Si合金的摩擦磨損表面SEM形貌

圖5為添加了不同含量稀土的Al-5Si合金的摩擦系數(shù)和磨損量變化圖。圖5a中隨著稀土含量的逐漸增多,Al-5Si合金的摩擦系數(shù)逐漸降低至最低點后再升高。未變質(zhì)的Al-5Si合金的摩擦系數(shù)最高,為0.611,而添加了0.5%La之后變質(zhì)處理的Al-5Si合金的摩擦系數(shù)為0.522,由此可見稀土的添加使合金的摩擦系數(shù)有所降低。圖5b中Al-5Si合金的磨損量最多,為0.1644 g,隨著稀土La含量的增多,磨損量逐漸降低,當加入0.5%La元素時,合金具有最小的磨損量0.1191 g。La的加入與合金形成金屬間化合物,這些金屬間化合物粒子以彌散分布形式存在于基體中,對合金的位錯具有阻礙作用,并可有效的產(chǎn)生第二相強化作用,使得合金的強度和硬度均得到提升[19]。根據(jù)大量研究顯示[20-21],一般情況下材料的磨損率越小,其硬度值越大,結(jié)合圖3可知,當0.5%La加入合金后,變質(zhì)合金擁有最高的硬度,這也與其磨損量最低相一致,由此可知稀土La的加入在一定程度上提高了Al-5Si合金的摩擦磨損性能。然而,當0.75%La加入合金后,合金的磨損量出現(xiàn)升高的趨勢,這可能是因為過量的稀土在合金基體中生成了針狀La-Al-Cu稀土相,對合金基體產(chǎn)生割裂的作用[22]。

圖5 添加了不同含量稀土的Al-5Si合金的摩擦系數(shù)和磨損量

3 結(jié) 論

(1) 在Al-5Si合金中添加了不同含量的稀土La,鑄態(tài)合金的組織得到了明顯細化。當加入0.5%La元素時,組織中α-Al晶粒與共晶Si相均得到了明顯細化,枝晶排列也變得有規(guī)律,大部分α-Al晶粒邊界變得圓整,而共晶Si相則呈現(xiàn)彌散分布的細小短棒狀。0.5%La-Al-5Si合金的維氏硬度達到峰值,為91.23 HV,與未變質(zhì)的合金相比提升了32.78%,稀土變質(zhì)有助于合金微觀組織和力學性能的改善。

(2) 稀土La變質(zhì)處理Al-5Si合金能夠有效改善合金的耐磨性能。隨著稀土La添加量的增加,Al-5Si合金的磨損量和摩擦系數(shù)均呈現(xiàn)出先逐漸降低后增大的變化趨勢。其中,未變質(zhì)處理的Al-5Si合金的磨損量和摩擦系數(shù)最高,分別為0.1644 g和0.611。當添加了0.5%La時,變質(zhì)合金的磨損量和摩擦系數(shù)達到最低,分別為0.1191 g和0.552。磨損量和摩擦系數(shù)的降低,均說明稀土La的添加對Al-5Si合金的摩擦磨損性能有提升作用。不同稀土添加量的合金磨損機制也各不相同,未變質(zhì)處理的Al-5Si合金以剝層磨損為主,而當添加0.5%La之后,合金的磨損機制轉(zhuǎn)變?yōu)橐暂p微的磨粒磨損和粘著磨損為主。