胡耀波，楊生偉，蒙萬秋，姚青山,潘復(fù)生,2

(1. 重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044;>2. 國(guó)家鎂合金材料工程技術(shù)研究中心, 重慶 400044)

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ZK61鎂合金的磨損性能*

胡耀波1，楊生偉1，蒙萬秋1，姚青山1,潘復(fù)生1,2

(1. 重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044;>2. 國(guó)家鎂合金材料工程技術(shù)研究中心, 重慶 400044)

在MDW-02高速往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上，通過設(shè)置不同參數(shù)的滑動(dòng)干摩擦實(shí)驗(yàn)，研究了載荷、滑動(dòng)速度和時(shí)間對(duì)時(shí)效態(tài)ZK61鎂合金磨損性能的影響，并繪制了磨損機(jī)制轉(zhuǎn)變圖。采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)磨損試樣表面形貌進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，當(dāng)滑動(dòng)速度(0.12 m/s)一定時(shí)，ZK61鎂合金的磨損量隨著載荷和時(shí)間的增加而增加，載荷愈大，磨損愈嚴(yán)重，在120 N、60 min時(shí)發(fā)生輕微磨損向嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變。當(dāng)滑動(dòng)時(shí)間(20 min)一定時(shí)，ZK61鎂合金的磨損形式隨著滑動(dòng)速度和載荷的增大而發(fā)生變化。當(dāng)滑動(dòng)速度(0.12 m/s)較小時(shí)，在不同載荷(50～150 N)下均表現(xiàn)為輕微磨損；當(dāng)滑動(dòng)速度為0.24 m/s，載荷超過 100 N后磨損進(jìn)入嚴(yán)重磨損階段；當(dāng)滑動(dòng)速度(0.36 m/s)較大時(shí)，均表現(xiàn)為嚴(yán)重磨損。

ZK61鎂合金；摩擦磨損；磨損量；磨損機(jī)制

0 引 言

鎂合金由于密度低，性能高等眾多優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于航空、汽車運(yùn)輸、結(jié)構(gòu)材料、電子等工業(yè)領(lǐng)域[1]。但是，鎂合金零件在應(yīng)用中總會(huì)和其它零件發(fā)生接觸或相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此接觸或相對(duì)運(yùn)動(dòng)使表面光潔度降低，產(chǎn)生塑性變形等，導(dǎo)致鎂合金零件尺寸精度降低，甚至結(jié)構(gòu)失效，同時(shí)在鎂合金的擠壓、軋制和鍛壓等加工工藝中磨損也是必要的考慮因素[2]。

目前，關(guān)于鎂合金磨損性能的大多數(shù)報(bào)道，其研究對(duì)象主要為AZ系鎂合金。趙旭等[3]研究了滑動(dòng)干摩擦條件下載荷和時(shí)間對(duì)鎂合金AZ31磨損性能的影響。結(jié)果表明，合金的磨損質(zhì)量損失在不同的載荷下均隨磨損時(shí)間的增加而呈線性增加，載荷增加使磨損失重增加更顯著。El-Morsy等[4]通過對(duì)AZ61鎂合金磨損性能的研究，將磨損機(jī)制劃分為輕微磨損和嚴(yán)重磨損兩大類。An等[5]在滑動(dòng)干摩擦條件下，利用銷-盤裝置研究了鑄態(tài)鎂合金Mg97Zn1Y2和AZ91的磨損性能。結(jié)果表明，鎂合金在磨損過程中存在5種磨損機(jī)理，分別是擦傷，氧化、剝層、熱軟化和熔融。除此之外，Hiratsuka等[6]利用銷-盤裝置研究了純鎂的磨損性能。結(jié)果表明，純鎂的磨損形式取決于實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在空氣中，其磨損形式表現(xiàn)為氧化磨損；而在真空(2.5×10-4Pa)中，表現(xiàn)為金屬磨損。

ZK61鎂合金作為一種商用的高強(qiáng)度變形鎂合金，其性能優(yōu)異，應(yīng)用廣泛[7]。 但是，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)它的報(bào)道主要集中在晶粒細(xì)化、超塑性和復(fù)合材料的研究方面[8-12]，在摩擦磨損性能方面的探究明顯不足。故此，本文通過設(shè)置不同參數(shù)的滑動(dòng)干摩擦實(shí)驗(yàn)，研究了載荷、滑動(dòng)速度和時(shí)間對(duì)時(shí)效態(tài)ZK61鎂合金磨損性能的影響，通過考察各種磨損組分特征(磨損量、磨面)探討其磨損機(jī)理，繪制出ZK61鎂合金的磨損機(jī)制轉(zhuǎn)變圖。這對(duì)于ZK61鎂合金的進(jìn)一步應(yīng)用及其磨損性能的提高具有重要的實(shí)際意義。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用材料為時(shí)效態(tài)ZK61鎂合金，其主要化學(xué)成分見表1。

表1 ZK61鎂合金的主要化學(xué)成分(%,質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將鑄態(tài)ZK61鎂合金在SKRJ1-00型熱處理爐中進(jìn)行固溶處理(400 ℃×18 h)，隨后在800 T臥式擠壓機(jī)上進(jìn)行熱擠壓，擠壓前試樣在所需溫度下保溫2 h，擠壓溫度為350 ℃，擠壓比為26，出口速率為1 m/min。最后，將擠壓態(tài)合金在175 ℃時(shí)效8 h，再空冷至室溫[13]，得到時(shí)效態(tài)ZK61鎂合金。

摩擦磨損實(shí)驗(yàn)在MDW-02高速往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，摩擦形式為室溫下的干滑動(dòng)摩擦，將材料制備成60 mm×10 mm×4 mm的長(zhǎng)方體磨損試樣，試樣待磨損表面經(jīng)1000﹟SiC砂紙統(tǒng)一磨制而成，摩擦副材料為GCr15鋼球。磨損實(shí)驗(yàn)前后，試樣均用乙醇溶液清洗并烘干，同時(shí)采用型號(hào)為JA5003N型電子天平稱量試樣質(zhì)量，計(jì)算出磨損前后的質(zhì)量損失，即磨損量。采用VEGA Ⅱ LMU型號(hào)掃描電子顯微鏡分析磨損表面形貌，其具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表2。

表2 ZK61鎂合金磨損實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 ZK61鎂合金的顯微組織

圖1(a)和(b)分別為 ZK61鎂合金鑄態(tài)和時(shí)效態(tài)的金相顯微組織，兩者均用苦味酸腐蝕液(1.5 g苦味酸，10 mL乙酸和70 mL乙醇)進(jìn)行腐蝕。

圖1 ZK61鎂合金金相顯微組織

從圖 1(a)可以看出，經(jīng)腐蝕后的鑄態(tài)組織主要由白色基體和黑色顆粒組成，根據(jù)前人的研究可知[14]，其中白色的基體為α-Mg，黑色顆粒相，靠近類似片狀的共晶組織出現(xiàn)，為 MgZn2相。另外，還能觀察到極少數(shù)單獨(dú)存在的細(xì)長(zhǎng)條相，它們是Zr形成的相[15]。從圖1(b)可以看出， ZK61鎂合金的時(shí)效態(tài)顯微組織相比于鑄態(tài)原始組織，晶界共晶組織消失，細(xì)小、均勻彌散的第二相MgZn2析出，同時(shí)合金的晶粒還被擠壓破碎，得到明顯細(xì)化。由D.Y.Maeng等[16]的研究可知，擠壓后MgZn2相經(jīng)大變形而變成針狀。

2.2 不同載荷及不同時(shí)間下ZK61的摩擦磨損性能

圖2為0.12 m/s滑動(dòng)速度下，不同載荷(25～150 N)下ZK61鎂合金的磨損量隨摩擦磨損時(shí)間變化的關(guān)系圖。從圖中可以看出，在不同的施加載荷下，合金的磨損量均隨著磨損過程的進(jìn)行而增加。其中，在40～60 min時(shí)間段內(nèi)，載荷分別為100和120 N時(shí)的曲線斜率最大，即磨損量增加最快，而在60～80 min時(shí)間段內(nèi)，磨損量增加較緩慢，據(jù)此可知在60 min下載荷為100或120 N時(shí)發(fā)生輕微磨損向嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變。

圖2 滑動(dòng)速度0.12 m/s時(shí)，不同載荷下磨損量隨時(shí)間變化的曲線

圖3為 ZK61鎂合金試樣在以0.12m/s的滑動(dòng)速度在不同載荷下持續(xù)磨損80 min后的磨損表面形貌圖。從圖3(a)、(b)可以看出，磨損表面出現(xiàn)了平行于滑動(dòng)方向的許多明顯的犁溝和少量的輕微裂紋，通常出現(xiàn)這種情況的磨損機(jī)制為磨粒磨損[4]；并且在滑動(dòng)摩擦過程中，產(chǎn)生摩擦熱，這些摩擦熱會(huì)使合金表面材料發(fā)生部分氧化，從而形成氧化層，該氧化層又隨著磨損的進(jìn)行而被去除，即發(fā)生了氧化磨損。在圖3(c)、(d)中，當(dāng)載荷增加到75和100 N時(shí)，磨損表面不但出現(xiàn)了磨粒磨損應(yīng)有的特征，而且還在犁溝附近出現(xiàn)部分表層裂紋，犁溝變寬加深，發(fā)生輕微的塑性變形，磨損表面變得光滑，以及部分氧化層即將剝落，這些現(xiàn)象都屬于輕微剝層磨損的特征[17]，即此時(shí)磨粒磨損與輕微剝層磨損同時(shí)存在。在圖3(e)中，隨著載荷的持續(xù)增大，磨損表面出現(xiàn)了較多的垂直于滑動(dòng)方向的裂紋和一些較深的剝落坑，發(fā)生了剝層磨損。這些剝落坑是在滑動(dòng)過程中，由于亞表層中產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展、匯合，使氧化膜剝落而留下的，并且還在磨損表面出現(xiàn)較大面積的表層金屬移動(dòng)，發(fā)生較輕微的塑性變形，屬于輕微塑性變形磨損。因此，當(dāng)載荷為120 N時(shí)，同時(shí)發(fā)生著剝層磨損和輕微塑性變形磨損。在圖3(f)中，當(dāng)載荷增大到150 N時(shí)，整個(gè)摩擦過程中產(chǎn)生的摩擦熱，使合金表層發(fā)生軟化，并在法向載荷和摩擦力的共同作用下，磨損表面開始出現(xiàn)嚴(yán)重的塑性變形，從而導(dǎo)致部分基體移動(dòng)并脫離基體金屬，最終形成了不規(guī)則丘陵?duì)畋砻娼Y(jié)構(gòu)，說明試樣在大載荷下產(chǎn)生了塑性變形磨損。

圖3 不同載荷下以0.12 m/s的滑動(dòng)速度作用80 min 后的磨面形貌

2.3 不同載荷及不同速度下ZK61的摩擦磨損性能

圖4為ZK61鎂合金試樣在不同載荷(50～150 N)下作用20 min時(shí)速度對(duì)磨損量的影響曲線。從圖4可以看出，在每一固定負(fù)載下，ZK61鎂合金的磨損量隨著滑動(dòng)速度的增大而持續(xù)增加，這是因?yàn)樵诨瑒?dòng)過程中，隨滑動(dòng)速度的增大，存在高速摩擦放熱現(xiàn)象，使合金試樣與摩擦副的接觸表面溫度相應(yīng)增加，從而使得磨損量增加。從圖4中還可以看出， ZK61鎂合金的磨損量隨著載荷的增大而增加。這種磨損量隨著負(fù)載增加而增加的現(xiàn)象，主要是因?yàn)楹辖鹋c摩擦副之間的摩擦系數(shù)在達(dá)到穩(wěn)定的情況下，由于外加載荷的增加，使得存在于合金與摩擦副之間的摩擦力增大，從而使合金的磨損量增加。

圖4 不同載荷作用20 min時(shí)速度對(duì)磨損量的影響

圖5為 ZK61鎂合金試樣在以不同滑動(dòng)速度和載荷下持續(xù)磨損20 min后的磨損表面形貌圖。由圖5(a)可以看出，當(dāng)速度(0.12 m/s)載荷(50 N)都比較小時(shí)，在磨損表面有很多明顯的溝槽以及擦傷痕跡，并且它們總體上都平行于滑動(dòng)方向，這是由于摩擦副的表面存在堅(jiān)硬的微凸體或接觸面間存在硬質(zhì)粒子，這些微凸體或硬質(zhì)粒子以犁削和微切削的方式作用于磨損表面。說明當(dāng)滑動(dòng)速度和載荷都較小時(shí)，磨損以磨粒磨損方式進(jìn)行，屬于輕微磨損階段。當(dāng)載荷分別增加到100和150 N時(shí)，如圖5(b)、(c)所示，磨損表面出現(xiàn)了垂直于滑動(dòng)方向的裂紋，以及尺寸較大的剝落坑，此時(shí)磨損以剝落方式進(jìn)行，這是由于亞表層中裂紋的形成、生長(zhǎng)和聚集，最終導(dǎo)致在磨損表面上出現(xiàn)氧化膜剝離的大尺寸剝落坑。

由圖5(d)可以看出，當(dāng)速度增加到0.24 m/s，而載荷(50 N)較小時(shí)，有平行于滑動(dòng)方向的犁溝存在于磨損表面，并且犁溝加寬變深，屬于磨粒磨損特征；另外還可以看到一些輕微表層裂紋以及垂直于滑動(dòng)方向的裂紋，它們是表面氧化膜在表面切應(yīng)力的作用下產(chǎn)生的，接著這些裂紋繼續(xù)擴(kuò)展、交叉，最終使表面氧化層發(fā)生輕微的剝落，產(chǎn)生輕微的剝層磨損。當(dāng)載荷增加到100 N時(shí)，如圖5(e)所示，該合金試樣磨損表面的犁溝變寬加深，出現(xiàn)相對(duì)明顯的擠壓效果。另外，凹槽兩側(cè)邊緣出現(xiàn)不規(guī)則形貌，且有較大面積的金屬剝落，這說明，此時(shí)的主要磨損機(jī)制為塑性變形。當(dāng)載荷持續(xù)增加到150 N時(shí)，如圖5(f)所示，磨損表面出現(xiàn)很嚴(yán)重的塑性變形，磨損以塑性變形方式進(jìn)行，這是因?yàn)槟Σ翢嵋鸬母邷貙?dǎo)致了材料亞表層的塑性變形，致使磨損過程中出現(xiàn)這一形貌。

由圖5(g)可以看出，當(dāng)速度持續(xù)增加到0.36 m/s，而載荷(50 N)較小時(shí)，丘陵?duì)顓^(qū)域產(chǎn)生垂直于滑動(dòng)方向的裂紋并開始剝落，出現(xiàn)剝落坑，這是在表面切應(yīng)力的作用下表面氧化層發(fā)生的剝落，此時(shí)出現(xiàn)剝層磨損，并且凹槽邊緣形狀不規(guī)則，發(fā)生較嚴(yán)重的塑性變形，部分表層金屬發(fā)生移動(dòng)，此時(shí)出現(xiàn)輕微塑性變形磨損。當(dāng)載荷增加到100 N時(shí)，從圖5(h)可以看出，此時(shí)熱軟化開始起到主導(dǎo)作用，再觀察磨損表面，出現(xiàn)很明顯的嚴(yán)重塑性變形，這是由于在磨損過程中產(chǎn)生的摩擦熱不斷積聚，使磨損表面溫度逐漸升高、表層金屬持續(xù)軟化，并且表層金屬在沿著滑動(dòng)方向的熱擠壓作用下，逐漸被擠出接觸表面，使部分表層金屬發(fā)生粘著移動(dòng)。當(dāng)載荷持續(xù)增加到150 N時(shí)，如圖5(i)所示，此時(shí)接觸表面的局部溫度超過了合金試樣表面金屬的熔化溫度，出現(xiàn)表層金屬熔化嚴(yán)重，而且在正壓力下，大量熔化的金屬在接觸表面不斷向前鋪展并向側(cè)面移動(dòng)，表現(xiàn)為熔融磨損，此時(shí)質(zhì)量損失很大，磨損嚴(yán)重。

圖5 不同載荷和速度作用20 min 后的磨面形貌

根據(jù)20 min時(shí)不同速度和不同載荷下ZK61鎂合金的磨面形貌和分析結(jié)果可知，當(dāng)滑動(dòng)速度為0.12 m/s時(shí)，在不同載荷(50～150 N)下均表現(xiàn)為輕微磨損而沒有出現(xiàn)較嚴(yán)重的磨損；在0.24 m/s時(shí)，當(dāng)載荷超過 100 N后磨損進(jìn)入嚴(yán)重磨損階段；在滑動(dòng)速度為0.36 m/s時(shí)均出現(xiàn)嚴(yán)重磨損。據(jù)此繪制了不同載荷和不同速度下ZK61鎂合金由輕微磨損向嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變圖，如圖6所示。磨損轉(zhuǎn)變圖給出了磨損機(jī)制由輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變的臨界條件，這對(duì)于確定ZK61鎂合在存在磨損的應(yīng)用狀況時(shí)的使用條件具有重要的參考意義。

圖6 不同載荷及不同速度下由輕微磨損向嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變圖

3 結(jié) 論

(1) 通過對(duì)磨損表面的SEM觀察和分析表明，在干滑動(dòng)摩擦條件下，可將時(shí)效態(tài)ZK61鎂合金的磨損機(jī)制劃分成輕微磨損和嚴(yán)重磨損兩大類。輕微磨損在相對(duì)穩(wěn)定狀況下進(jìn)行，磨損表面比較光滑，包括磨粒磨損、氧化磨損和剝層磨損；而嚴(yán)重磨損在非穩(wěn)定狀況下進(jìn)行，磨損表面有坑狀剝層或者摩擦焊合現(xiàn)象，包括塑性變形和熔融磨損。

(2) 在滑動(dòng)速度(0.12 m/s)固定的情況下，ZK61鎂合金的磨損量均隨著磨損時(shí)間和施加載荷的增大而增大，載荷愈大，磨損愈嚴(yán)重，在120 N、60 min時(shí)發(fā)生輕微磨損向嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變。

(3) 當(dāng)磨損時(shí)間(20 min)一定時(shí)，ZK61鎂合金的磨損機(jī)制隨著滑動(dòng)速度和載荷的增大而發(fā)生變化。當(dāng)滑動(dòng)速度(0.12 m/s)較小時(shí)，在不同載荷(50～150 N)下均表現(xiàn)為輕微磨損；當(dāng)滑動(dòng)速度為0.24 m/s，載荷超過 100 N后磨損進(jìn)入嚴(yán)重磨損階段；當(dāng)滑動(dòng)速度(0.36 m/s)較大時(shí)，均表現(xiàn)為嚴(yán)重磨損。

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HU Yaobo1, YANG Shengwei1, MENG Wanqiu1, YAO Qingshan1, PAN Fusheng1,2

(1. State Key Laboratory of Mechanical Transmissions, College of Materials Science and Engineering,Chongqing University, Chongqing 400044, China;2. National Engineering Research Center for Magnesium Alloys, Chongqing 400044, China)

The effect of the load, sliding speed and time on the wear behavior of the ageing ZK61 magnesium alloy was investigated by setting different parameters in this paper. The wear tests were carried out using the MDW-02 high speed reciprocating friction and wear testing machine. Microstructures of worn surfaces were characterized by scanning electron microscope (SEM) and wear mechanism map of the studied alloy was proposed. The results show that, wear mass of ZK61 magnesium alloy both increase with wear time and applied load under the conditions of a sliding speed of 0.12 m/s, and the transformation of mild wear to severe wear is in 120 N and 60 min. Moreover, the wear mechanism of ZK61 magnesium alloy changes with the increase of the applied load and sliding velocity under the conditions of a fixed wear time 20 min. Low sliding velocities led to mild wear regardless of the load used. Intermediate speeds the main mechanism changed from mild wear to severe wear at the applied load exceeded 100 N. At high speeds led to severe wear mechanism under the all applied load.

ZK61 magnesium alloy; friction and wear; wear mass; wear mechanism

1001-9731(2016)10-10157-05

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFB0101604)；機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(SKLMT-ZZKT-2015M03)

2016-01-11

2016-04-22 通訊作者：胡耀波，E-mail: yaobohu@cqu.edu.cn

胡耀波 (1974-)，男，湖北襄陽人，博士，副教授，主要從事鎂合金研究。

TG146.2+2

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10.3969/j.issn.1001-9731.2016.10.029