梁新理　黃大賀　王金國(guó)　劉玲卓　付璟璟

摘 要：研究了Mn對(duì)過(guò)共晶鋁硅合金中富鐵相的影響，對(duì)比了鑄態(tài)下Al-16Si和經(jīng)過(guò)Mn變質(zhì)后的Al-16Si-2Fe在不同溫度下的摩擦磨損行為，總結(jié)了基體合金和新型過(guò)共晶鋁硅合金的干摩擦磨損機(jī)理。

關(guān)鍵詞：過(guò)共晶鋁硅合金；富鐵相；摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)；干摩擦

中圖分類(lèi)號(hào)：TG292 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.21.012

1 概述

基于汽車(chē)輕量化的要求，過(guò)共晶Al-Si合金缸套的使用已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)，其具有質(zhì)量輕、熱導(dǎo)率大、與新型的鋁合金缸體和活塞的熱脹系數(shù)更匹配等優(yōu)點(diǎn)。德國(guó)等已經(jīng)用噴射沉積法批量生產(chǎn)了共晶鋁硅合金缸套，并成功應(yīng)用于“全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)”。而國(guó)內(nèi)主要采用鑄造法生產(chǎn)過(guò)共晶合金缸套。缸套在高溫下的磨損失效是其主要失效形式，因此，考慮添加Fe元素以提高其高溫磨損性能。但Fe的加入具有兩重性，一方面會(huì)在鑄造過(guò)共晶Al-Si合金中形成粗大的富鐵相割裂基體，使合金的耐磨性下降；另一方面，合金中形成的富鐵相會(huì)提高其高溫穩(wěn)定性。所以，本文采用中和元素Mn細(xì)化過(guò)共晶Al-Si-Fe合金中的粗大富鐵相。

研究表明，不同的Mn/Fe質(zhì)量比合金中地富鐵相形貌不同。本文在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，向過(guò)共晶Al-16Si-2Fe合金中加入Mn后，隨著Mn含量的增加，組織中粗大的長(zhǎng)針狀富鐵相開(kāi)始消失，逐漸變?yōu)榧?xì)小的枝晶狀和粒狀。隨著合金中的Mn含量達(dá)到2%，即Mn/Fe質(zhì)量比為1∶1時(shí)，過(guò)共晶Al-16Si-2Fe合金中的富鐵相全部轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的枝晶狀和顆粒狀，Mn對(duì)合金中富鐵相的細(xì)化效果最佳；進(jìn)一步增大Mn含量，AlSiFeMn四元相開(kāi)始長(zhǎng)大，當(dāng)Mn/Fe質(zhì)量比超過(guò)1∶1，繼續(xù)增加Mn含量至4%時(shí)，Mn對(duì)富鐵相的細(xì)化作用幾乎完全消失，合金中又會(huì)重新出現(xiàn)粗大的長(zhǎng)針狀四元富鐵相組織。因此，本文采用Mn/Fe質(zhì)量比為1∶1制備出新型過(guò)共晶鋁硅合金Al-16Si-2Fe-2Mn，在型號(hào)為MG2000高速高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行銷(xiāo)-盤(pán)式干摩擦磨損。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 溫度的影響

為了表述方便，在以下的表述中將過(guò)共晶Al-16Si合金簡(jiǎn)稱(chēng)為A合金，將Al-16Si-2Fe-2Mn合金簡(jiǎn)稱(chēng)B合金，并采用距離磨損率來(lái)表征材料的磨損率。試驗(yàn)時(shí)溫度是唯一變量，施加

的載荷為10 N，磨損時(shí)間為20 min，試驗(yàn)機(jī)的轉(zhuǎn)速為150 r/min，滑動(dòng)速度為0.47 m/s，溫度的變化范圍為25～350 ℃。不同溫度下A合金和B合金的磨損率如圖1所示。

從圖1可以看出，在達(dá)到臨界轉(zhuǎn)變溫度之前，A合金和B合金的磨損率呈降低趨勢(shì)，這種結(jié)果的出現(xiàn)與鋁合金表面生成的氧化膜有很大的關(guān)系。在低溫時(shí)，主要是試樣與磨盤(pán)之間有直接磨損；當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，合金表面生成的氧化膜增多，對(duì)試樣產(chǎn)生保護(hù)作用。由于Al2O3的硬度很高，在磨損過(guò)程中，實(shí)際上相當(dāng)于試樣表面的氧化膜與磨盤(pán)進(jìn)行摩擦，阻止了金屬-金屬這種形式的直接接觸，從而降低了合金的磨損率。A合金、B合金的臨界轉(zhuǎn)變溫度分別約為260 ℃和300 ℃，超過(guò)臨界溫度合金的磨損率均急劇增大。但在相同的試驗(yàn)溫度下，B合金的磨損率要比A合金的小得多。由此可見(jiàn)，B合金中加入了Fe和Mn形成了較多彌散分布在基體中的高溫穩(wěn)定相，使得B合金在高溫摩擦磨損時(shí)更能抵抗高溫導(dǎo)致的軟化現(xiàn)象，從而提高了合金的抗高溫磨損性能。

在圖2中，（a）（g）的溫度為25 ℃，（b）（h）的溫度為100 ℃，（c）（i）的溫度為 200 ℃，（d）（j）的溫度為260 ℃，（e）（k）的溫度為300 ℃，（f）（l）的溫度為320 ℃。從圖2中可已看出，在常溫時(shí)，A合金、B合金表面都出現(xiàn)了許多粘著坑。總體上，A合金在常溫下的粘著磨損更嚴(yán)重。EDS分析表明，材料中O的質(zhì)量百分比為27.31%，F(xiàn)e的質(zhì)量百分比為13.21%.基體合金A在磨損時(shí)表面被氧化，發(fā)生了質(zhì)的轉(zhuǎn)移，即摩擦過(guò)程中銷(xiāo)試樣和對(duì)磨盤(pán)中的元素相互擴(kuò)散，對(duì)磨鋼盤(pán)脫落的Fe的氧化物經(jīng)摩擦黏在了A合金的表面上產(chǎn)生了轉(zhuǎn)移膜。B合金中O含量為29.72%，F(xiàn)e含量為9.89%.這表明在室溫下合金A和合金B(yǎng)都發(fā)生了氧化磨損和粘著磨損。同時(shí)，A合金和B合金表面都有犁溝存在，說(shuō)明常溫下二者的磨損機(jī)理均為氧化磨損，磨粒磨損和輕微的粘著磨損。

圖2中的（b）（c）（d）（h）（i）（j）分別是合金A和合金B(yǎng)在100 ℃、200 ℃和260 ℃時(shí)的磨損形貌。由磨損形貌可知，隨著溫度的升高，合金的磨損表面與常溫時(shí)相比相對(duì)光滑，表面的粘著坑與常溫時(shí)相比數(shù)量較少。這表明氧化膜的保護(hù)作用使合金避免了與對(duì)磨鋼盤(pán)的直接摩擦。常溫和200 ℃下，A合金、B合金的EDS分析結(jié)果如3和圖4所示。從圖3和圖4中可知，A合金、B合金在200 ℃下磨損表面的氧含量都要比在常溫下的高，由此也可進(jìn)一步確定合金在較高溫度下的磨損性能高于室溫時(shí)的磨損性能，而表面氧化膜的保護(hù)作用是其重要原因。而在磨損試樣表面檢測(cè)到Cr元素是在干摩擦過(guò)程中Cr元素從對(duì)磨鋼盤(pán)中通過(guò)擴(kuò)散或?qū)δケP(pán)中的磨屑轉(zhuǎn)移到試樣表面的結(jié)果。

當(dāng)溫度達(dá)到300 ℃時(shí)，合金A的磨損表面出現(xiàn)了剝層和大量的孔洞，表面的物質(zhì)已經(jīng)大塊脫落。由于摩擦的不斷進(jìn)行，試樣表面出現(xiàn)裂紋并擴(kuò)展最后形成了圖3所示的孔洞。而B(niǎo)合金的磨損表面與A合金相比仍然較光滑，并有很多顆粒附著在上面，如圖4所示。當(dāng)溫度為320 ℃時(shí)，合金A表面有很深的溝存在，這是材料表面物質(zhì)大量脫落的結(jié)果。此時(shí)，合金B(yǎng)表面也開(kāi)始出現(xiàn)表層物質(zhì)脫落的現(xiàn)象。

2.2 基體和新型過(guò)共晶鋁硅合金摩擦分析

大量的研究表明，合金在磨損時(shí)其表面會(huì)存在一層與材料的原始組織完全不同的混合層，也就是機(jī)械混合層（MML）。機(jī)械混合層的存在對(duì)合金的摩擦磨損性能有著重要的影響，對(duì)揭示材料的摩擦磨損機(jī)理起到了一定的作用。圖5是A合金和B合金在不同磨損條件下的亞表層組織。在圖5的（a）（b）中，綠線右側(cè)為合金的機(jī)械混合層，紅線和綠線之間為變形層，紅線左側(cè)為基體組織。對(duì)比（a）（b）可知，A合金的機(jī)械混合層厚度較大，且其破壞嚴(yán)重，機(jī)械混合層中有很多孔洞；而在相同條件下，B合金的機(jī)械混合層厚度較小且比較致密，正是致密的機(jī)械混合層在合金磨損時(shí)對(duì)合金起到了保護(hù)的作用，阻止了合金的嚴(yán)重磨損。

3 結(jié)論

本文采用傳統(tǒng)鑄造法制備了新型過(guò)共晶鋁硅合金，用Mn對(duì)富鐵相進(jìn)行細(xì)化處理，對(duì)比了不同溫度條件下基體和新型過(guò)共晶鋁硅合金的高溫摩擦磨損性能，并分析了其摩擦磨損機(jī)理，主要得出了以下結(jié)論：①過(guò)共晶Al-Si-Fe合金中加入適量的變質(zhì)元素Mn后，粗大的針狀富鐵相變?yōu)榧?xì)小的枝晶狀和粒狀四元富鐵相，這些具有高溫穩(wěn)定性的硬質(zhì)相彌散地分布在基體中，提高了合金的高溫耐磨性。②新型過(guò)共晶鋁硅合金與基體合金相比有著更高的臨界轉(zhuǎn)變溫度和更強(qiáng)的抗磨損能力，在高溫下具有更加優(yōu)異的抗粘著磨損性能。在臨界溫度以下低溫低載時(shí)，材料的磨損機(jī)理主要為磨粒磨損；高溫低載時(shí)其主要磨損機(jī)理為氧化磨損和輕微粘著磨損；當(dāng)溫度超過(guò)臨界點(diǎn)后或施加的載荷較大時(shí)，材料的磨損機(jī)理主要為嚴(yán)重的剝層磨損或者熔化磨損。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：張思楠〕