羅佳佳，白亞平，李建平，郭永春

(西安工業(yè)大學 材料與化工學院，西安710021)

2024鋁合金屬于Al-Cu-Mg系合金中的一種，為可熱處理強化的加工鋁合金，具有高強度，低比重，良好的耐熱性及較高的疲勞強度等優(yōu)點，廣泛應用在航空、航天等領域，2024鋁合金在工業(yè)和飛機制造業(yè)領域有著舉足輕重的地位[1-4].因此，研究熱處理對2024鋁合金組織和性能的影響有非常重要的意義，尤其是熱處理對2024鋁合金的壓縮性能和摩擦磨損性能的影響[5]止，國內外關于2024鋁合金研究已經有較多報告，文獻[6-7]利用正交法研究熱處理對2024鋁合金薄板力學性能的影響，以及熱處理時溫度梯度對2024鋁合金元素擴散的影響，發(fā)現固溶溫度的提升有利于提高α固溶體均勻性和過飽和度，為隨后的時效過程奠定良好的基礎 .文獻[8]采用正交法設計了2024鋁合金的熱處理工藝方案，發(fā)現合金經500 ℃固溶10～30 min，轉移時間小于15 s，25～75 ℃水溫淬火，自然時效96 h后，析出大量的與基體共格的GP區(qū)和S″相，合金的強韌性優(yōu)良，無晶間腐蝕現象.

基于國內外目前對熱處理后2024鋁合金磨損行為研究較少，本文采用熱壓燒結制備2024鋁合金，研究其固溶時效熱處理和均勻化熱處理后的顯微組織、力學性能和摩擦磨損性能.

1 實驗材料與方法

實驗材料采用由長沙天久金屬材料有限公司提供的粒徑為400目的2024粉體，2024粉體的元素成分見表1. 對2024粉體球磨后的粉末經熱壓燒結制備塊體材料，具體燒結工藝參數為：熱壓成型溫度520 ℃，加熱時間65 min，保溫時間120 min，壓力20 MPa.隨后對其進行固溶時效和均勻化處理，并對比熱處理前后材料的組織和磨損性能的變化.根據文獻[9-10]，最終選定兩種熱處理工藝參數見表2.

表1 2024鋁合金中各元素的質量分數含量

表2 2024鋁合金熱處理工藝參數

處理后的試樣利用金相顯微鏡(型號為Nikon EPIPHOT300)和掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope， SEM)在一定的倍數下進行放大觀察宏觀以及微觀組織形貌.利用島津XRD-6000X射線衍射儀對試樣進行X-射線衍射(X-Ray Diffraction，XRD)分析后，再通過Jade分析軟件對衍射結果進行分析，得到X射線衍射圖譜，確定試樣中的物相組成.并利用利用能譜儀(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)完成對元素的定性定量分析.采用型號為402MVD自動轉塔數顯顯微維氏硬度計對熱壓燒結后的2024鋁合金塊體和經過熱處理后的2024鋁合金進行硬度測試.最后采用MMG-500型銷高溫真空三體磨損試驗機在室溫下進行干滑動摩擦磨損試驗.根據文獻[11]將試驗參數設置見表3.

表3 銷盤式干滑動磨損試驗參數

2 結果與分析

2.1 組織分析

2.1.1 熱處理前后2024鋁合金金相組織

圖1為2024不同熱處理顯微組織照片.由圖1(a)～1(c)可以看出，經過固溶時效和均勻化處理后的2024鋁合金組織分布更加均勻，晶粒細化.這是由于均勻化處理后的2024鋁合金組織中部分Cu、Mg等元素固溶進基體相中形成固溶體，較原始2024鋁合金組織分布均勻，但合金中仍含有未溶解的第二相和化合物，且顆粒較為粗大，呈無規(guī)則的彌散分布在基體中.

圖1 2024鋁合金不同熱處理下的顯微組織

2.1.2 熱處理前后2024鋁合金的XRD分析

圖2為2024鋁合金的未處理、固溶時效處理和均勻化處理后的XRD譜，由圖2可知，2024鋁合金中有Al相、θ相(Al2Cu)和雜質相Al7Cu2Fe，經過均勻化處理的2024鋁合金θ相(Al2Cu)固溶進基體相中形成過飽和固溶體，固溶時效處理后的2024鋁合金時效析出強化相S相(Al2CuMg)和θ相(Al2Cu)，以及一些難溶的雜質相Al7Cu2Fe.

圖2 2024鋁合金XRD圖譜

2.2 性能測試

2.2.1 硬度測試

表4為三種不同材料平均顯微硬度值.從表4可以看出，原合金硬度最低，經過熱處理后硬度都不同程度提高.經過均勻化處理的2024鋁合金顯微硬度略微提高，固溶時效后的2024鋁合金硬度值最大，達到167 HV，較未處理合金提高了50 HV.這說明固溶時效處理過程時效析出相對材料起到明顯強化作用.

表4 2024鋁合金平均顯微硬度值

2.2.2 磨損性能分析

1) 摩擦因數和磨損率

圖3為不同材料兩種磨損方式的磨擦因數.摩擦因數由磨損試驗機自帶的摩擦因數測量模塊直接給出.

摩擦材料的耐磨性能可以用磨損因數的大小來衡量，磨損因數可以理解為在單位負荷作用下滑動單位距離所引起的體積磨損.對銷試樣磨損前后進行質量測量并計算出磨損率，圖4為2024鋁合金的磨損率.從圖4可以看出，無論是干摩擦還是邊界潤滑摩擦，固溶時效處理對2024鋁合金的磨損率影響最大，磨損率在三者中最小.2024鋁合金經過固溶處理后，合金元素被固溶到基體當中，通過快冷到室溫，隨后在適當的溫度下保持一定時間，合金中就會形成一些納米級的沉淀析出相.這些析出相往往和基體具有一定的取相關系，因此沉淀相和基體之間就會存在一定的應變場，這些應變場成為位錯運動的阻礙引起合金強化，即沉淀強化現象，使得固溶時效處理后2024鋁合金硬度和耐磨性提高.無論是在干磨擦的試驗條件下，還是邊界潤滑條件下，固溶時效處理的2024鋁合金的磨損因數較其他兩種材料都小.綜上所述，2024固溶時效鋁合金具有較好的耐磨性.

圖3 2024鋁合金磨擦因數

圖4 2024鋁合金的磨損率

2) 磨損面SEM分析

① 熱處理前后2024鋁合金干摩擦條件下磨損機理分析

三種材料在室溫下進行干磨擦實驗，SEM形貌組織如圖5所示.當放大倍數都為1 000倍時，可以看到材料經過磨損后表面粗糙度大，有剝落與粘著的現象，且存在深坑，磨損面有一些小磨痕.圖5(a)為未經處理的2024鋁合金不僅出現黏附顆粒，還有許多裂紋產生，摩擦性能較處理過的試樣差.

室溫下熱處理前后的2024鋁合金干摩擦的3D形貌如圖6所示.從圖6可以看出，圖6(a)～6(c)的表面出現了凸起部分，粘附在磨損表面的顆粒越多，發(fā)生粘著磨損越劇烈.

圖7為熱處理前后2024鋁合金進行干磨擦試驗的磨屑掃描照片.由圖7(b)可以看出，經過固溶時效后磨屑較小.結合表5中2024鋁合金能譜元素分布可知，由于三種材料有相同的磨損機制，以2024鋁合金為例，磨屑中出現O元素，說明在磨損過程中試樣的磨損表面發(fā)生了輕微氧化.3個能譜區(qū)域中均含有Si元素，磨盤的材料為鋁硅合金材料，說明在磨損材料對磨過程中，在實驗過程中發(fā)生了粘著磨損，導致銷試樣的磨損表面上有大量Si元素的存在.此外，兩種磨屑中都出現了Au元素，這是因為材料在試驗預備掃描階段，需要對材料噴金處理，而引入的雜質元素.

圖5 2024鋁合金磨損掃描照片

圖6 2024鋁合金干摩擦3D形貌圖Fig.6 3D profile of the 2024 aluminum alloy in dry friction

圖7 2024鋁合金干磨損試驗磨屑掃描

表5 2024鋁合金干磨損試驗的磨屑能譜數據Tab.5 Data of wear debris spectrum for dry wear test of 2024 aluminum alloy

從固溶時效處理和均勻化處理的2024鋁合金的能譜圖的各個譜點元素百分含量來看，兩種材料均含有Si、Ni兩種元素，這兩種元素來源于對磨盤材料，兩種材料在對磨過程中，硬度較高的材料會將對磨材料磨下來，經過反復碾壓，粘結，發(fā)生了粘著磨損形成了磨屑.

② 熱處理前后2024鋁合金邊界潤滑摩擦條件下磨損機理分析

圖8為熱處理前后2024鋁合金進行邊界潤滑摩擦后的掃描照片，從圖8可以看到，經磨損后試樣表面均有有犁溝的出現，這是磨粒磨損的主要特征.所以邊界潤滑條件下，三種材料主要為磨粒磨損，磨粒磨損的機理是微觀切削.由圖8(b)可見，磨損面是舌狀體剝落裂紋，這是微觀斷裂導致的剝落，使得材料表面產生犁皺和切削，最終產生槽狀磨痕.

圖9為熱處理前后的2024鋁合金邊界潤滑3D形貌圖，與干磨損磨損面對比，邊界潤滑磨損面較平滑，邊界潤滑磨損面粗糙度較小.從圖9也可清晰地看到磨損面上的犁溝，2024鋁合金犁溝深度最大，均勻化處理的2024鋁合金位于其次，固溶時效處理的2024鋁合金犁溝深度較小.說明均勻化與固溶時效處理有效改善了材料的耐磨性.

圖8 2024鋁合金邊界磨損掃描照片

圖9 2024鋁合金邊界潤滑3D形貌圖Fig.9 3D micrographs of 2024 aluminum in boundary wear

3 結 論

本文對熱壓燒結制備的2024鋁合金進行了均勻化處理和固溶時效處理，觀察了不同熱處理后的顯微組織，并對力學性能和磨損性能進行了測試，得到結論為

1) 固溶時效后的2024鋁合金晶粒分布均勻且細小，顯微維氏硬度值達到167HV，較原始2024鋁合金硬度提高了50HV.

2) 2024鋁合金在干磨損條件下的磨損機制均以粘著磨損為主；在邊界潤滑條件下，以磨粒磨損為主要的磨損機制.固溶時效后的2024鋁合金磨損率和摩擦因數顯著降低，磨損率為原始合金的1/3.