胡治流，黃惠毅，唐 鵬，農(nóng) 登

1.廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院，廣西 南寧530004；2. 廣西有色金屬及特色材料加工重點實驗室，廣西 南寧 530004； 3. 廣東省材料與加工研究所，廣東 廣州 510650

鋁硅合金有很好的鑄造性能，且強度高、熱膨脹系數(shù)小、抗疲勞性能好，在汽車、航空航天等工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用[1].Al-10Si合金接近共晶鋁硅合金，其合金組織主要為粒狀、條狀和樹枝狀，力學(xué)性能不高，因此，需要進一步改善其微觀組織形態(tài)[2].Fe是再生鋁硅合金中最常見的雜質(zhì)元素，這是由于在合金重新回收過程中分揀不當，及熔煉過程中增鐵等因素造成再生鋁中Fe含量增多，且Fe在鋁中的固溶度很低，常以第二相的形式存在[3].

在Al-Si-Fe鑄造合金中，F(xiàn)e可與Al，Si等元素形成多元富鐵化合物.根據(jù)其富鐵化合物形態(tài)，大致可以分為兩類，即α-Fe(常以Al8Fe2Si相表示)和β-Fe(常以Al5FeSi相表示)[4-6].其中α-Fe為漢字狀，對合金性能影響較?。沪?Fe為長針狀，會割裂基體，從而影響合金的拉伸性能[7].相對于拉伸性能，鋁硅合金中鐵相形貌對磨損性能影響的研究較少.吳桃泉[8]等研究了Mg2Si/富鐵A356再生鋁基復(fù)合材料的組織及耐磨性.當鐵含量較高(>5.5%)時，以磨粒磨損為主；當鐵含量較低(<2.2%)時，主要是粘著磨損.管紅艷[9]等研究發(fā)現(xiàn)，適量的Fe含量可細化鋁青銅合金的組織；當Fe質(zhì)量分數(shù)為4%時，高鋁青銅合金具有較好的耐磨性.目前，關(guān)于β-Fe相在不同加載條件下對鋁硅合金摩擦磨損性能的影響并沒有系統(tǒng)的研究，且鮮有報道.鑒于此，本文以Al-10Si鋁合金為基體，通過添加不同含量的Fe元素，系統(tǒng)研究了Fe含量對Al-10Si-xFe型鋁合金組織和摩擦磨損性能的影響，為以后研發(fā)耐磨Al-10Si合金及探索其磨損機制提供參考.

1 試樣制備與測試

試驗中以Al-10Si鋁合金為基體材料，采用市售鐵劑(Al-75%Fe)，按照Al-10Si-xFe(質(zhì)量百分比x=0，0.2，0.5，1.0，1.5，2.0)的成分制備試樣，實際成分列于表1.采用傳統(tǒng)工藝熔煉制備試樣，在功率為7.5 kW的石墨坩堝電阻爐中將Al-10Si合金加熱至熔化，然后加覆蓋劑,保溫10 min扒渣，再升溫至(750±5)℃，均勻加入適量的鐵劑，攪拌并保溫20 min，加精練劑，靜置10 min.待合金熔體溫度降至(720±5)℃時，將熔體分別澆注入200℃預(yù)熱的Φ25 mm×150mm金屬模具和標準磨損試樣金屬型模具中，冷卻凝固制成試樣.

試樣經(jīng)切割、磨平、研磨拋光后，用0.5% HF水溶液腐蝕制得金相試樣.采用德國蔡司Observer A1m金相顯微鏡和掃描電鏡(SEM，Hitachi TM4000PLus)觀察合金的微觀組織.通過能量色散光譜儀(EDS)檢測相的元素組成，并用X射線衍射儀(XRD，Rigaku D/Max 2500v/pv)進行物相分析.采用MM-2000型萬能摩擦磨損試驗機測定試樣磨損性能和摩擦系數(shù)，摩擦試樣尺寸為30mm×7mm×8mm，摩擦副為用45號鋼制成的外徑40 mm、內(nèi)徑20 mm、厚度15 mm的圓環(huán)，試驗中選取轉(zhuǎn)速為200 r/min，載荷分別為100，200，300 N，時長為20 min.

表1 Al-10Si-xFe合金的化學(xué)成分

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 Fe對Al-10Si 合金微觀組織的影響

圖1為不同鐵含量的Al-10Si鑄造合金的金相組織圖.從圖1(a)可以發(fā)現(xiàn)，Al-10Si合金中α-Al相排列整齊，呈明顯的數(shù)枝晶狀結(jié)構(gòu).隨鐵含量增加，α-Al相的排列趨于無序，且加鐵后的組織出現(xiàn)了明顯的針狀β-Fe相形貌.當鐵含量較低時，圖1(b)和圖1(c)顯示，β-Fe相呈細針狀.當鐵質(zhì)量分數(shù)達1.0%時，出現(xiàn)顏色較黑的粗大的長針狀相，但其基體針狀Si相變得更細 [圖1(d)].當鐵質(zhì)量分數(shù)達到1.5%時，長針狀相變得異常粗大，β-Fe相呈密集交錯分布，其β-Fe相交叉生長形成一個“針狀網(wǎng)”[圖1(e)].當鐵質(zhì)量分數(shù)達到2.0%時，出現(xiàn)更粗更長的長針狀β-Fe相，其基體Si相也開始變得粗大[圖1(f)].

圖2為Al-10Si-xFe合金高倍掃描電鏡圖，其中圖2(a)未加鐵，圖2(b)添加質(zhì)量分數(shù)1.5%Fe.圖2(a)Al-10Si合金中A點為α-Al，基體較純凈，為共晶硅相.圖2(b)Al-10Si-1.5Fe合金中A點為針狀β-Fe相，B點為骨骼狀α-Fe相，C點為塊狀初生硅相.

圖1 不同F(xiàn)e含量的Al-10Si鑄造合金的金相組織Fig.1 The microstructure of Al-10Si cast alloy with different Fe content(a)未加Fe；(b) w(Fe)=0.2%；(c) w(Fe)=0.5%；(d) w(Fe)=1.0%；(e) w(Fe)=1.5%；(f) w(Fe)=2.0%

圖 2 未加鐵與加鐵Al-10Si合金的SEM圖Fig.2 SEM image of Al-10Si alloy with and without Fe(a)未加Fe；(b)w(Fe)=1.5%

圖3為Al-10Si和Al-10Si-1.5Fe合金的XRD圖譜.圖3(a)顯示Al-10Si合金主要是α-Al相和共晶Al3.21Si0.47相.圖3(b)顯示，Al-10Si-1.5Fe合金中出現(xiàn)了圖2(b)中點C的塊狀初生Si相和Al0.7Fe3Si0.3的β-Fe相，并沒有出現(xiàn)α-Fe相.

圖3 Al-10Si合金和Al-10Si-1.5Fe合金的XRD圖譜 Fig.3 XRD pattern of Al-10Si and Al-10Si-1.5Fe alloy (a)Al-10Si；(b)Al-10Si-1.5Fe

2.2 Fe含量對Al-10Si合金磨損性能的影響

圖4為Al-10Si-xFe合金摩擦磨損試樣分別在100，200，300 N干摩擦的條件下，磨損20 min后磨損質(zhì)量和平均摩擦系數(shù)的變化趨勢.由圖4(a)可見，在低載荷(100 N)時，隨Fe添加量增加，試樣的磨損質(zhì)量波動較小，即在此條件下Fe對材料的磨損性能影響很小，且相對磨損質(zhì)量也較低.在中載荷(200 N)時，鐵添加Fe質(zhì)量分數(shù)在0～1.5%遞增時，磨損質(zhì)量逐漸加大，并在Fe質(zhì)量分數(shù)為1.5%時達到最大值.當Fe質(zhì)量分數(shù)超過1.5%時，磨損質(zhì)量減少.在高載荷(300 N)時，未加鐵的Al-10Si合金磨損質(zhì)量很大，但隨著Fe添加量增加，試樣的磨損質(zhì)量逐漸減小，且減幅較大；在Fe質(zhì)量分數(shù)為1.5%時磨損質(zhì)量達到最低；當Fe質(zhì)量分數(shù)超過1.5%時，磨損質(zhì)量又開始增加，即在此條件下Fe含量對材料的磨損影響較大.這說明載荷越大，合金的磨損質(zhì)量就越多；在Al-10Si合金中加入一定量的Fe元素，可減少合金的磨損質(zhì)量.由圖4(b)可見，在載荷較低(100 N)的條件下，Al-10Si-xFe合金的摩擦系數(shù)維持在0.35～0.45之間，鐵元素的添加量對其影響不大.在載荷為200 N的條件下，當鐵添加量較低時，摩擦系數(shù)低于0.1；隨鐵添加量增加，合金的摩擦系數(shù)增加，當Fe質(zhì)量分數(shù)為1.5%時摩擦系數(shù)達最高值，之后又開始下降.在載荷為300 N的條件下，Al-10Si-xFe合金的摩擦系數(shù)均低于0.05，鐵添加量對其影響不大.這說明Al-10Si-xFe 合金不適宜用作高載荷下的耐磨材料.

圖4 不同F(xiàn)e含量對Al-10Si合金磨損質(zhì)量和摩擦系數(shù)的影響Fig.4 Effect of different Fe content on wear loss and friction coefficient of Al-10Si alloy

為進一步分析載荷對Al-10Si-xFe合金性能的影響，現(xiàn)對Al-10Si-1.5Fe合金在不同載荷下的即時摩擦系數(shù)進行分析.考慮前180 s處于磨合階段，我們只對正常磨損后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，如圖5所示.由圖5(a)可知，當載荷較低時，Al-10Si-1.5Fe合金在前600 s具有較高的摩擦系數(shù)，摩擦效果較好；在磨損900 s后，其摩擦系數(shù)仍可保持在0.2以上.由圖5(b)可知，當載荷增至200 N時，合金在前200 s的摩擦系數(shù)較高，隨時間延長摩擦系數(shù)下降幅度較大，在500 s時摩擦系數(shù)接近0.2，此后摩擦系數(shù)甚至低于0.1.由圖5(c)可知，在300 N高載荷時， Al-10Si-1.5Fe合金幾乎不能產(chǎn)生有效的摩擦，其摩擦系數(shù)低于0.03，幾乎起不到有效的摩擦作用.

圖 5 Al-10Si-1.5Fe合金在不同載荷下的即時摩擦系數(shù) Fig.5 Instant friction coefficient of Al-10Si-1.5Fe alloy under different loads

3 分析討論

3.1 Fe元素對合金組織及摩擦磨損性能的影響

在低載荷(100 N)摩擦磨損的條件下，Al-10Si合金的微觀組織為非平衡組織，合金強度較高，隨著Fe含量增加磨損質(zhì)量變化不大，說明合金的組織足以抵抗合金在低載荷下的磨損，F(xiàn)e元素的含量對低載荷摩擦磨損條件下的磨損作用不明顯.在中載荷(200N)摩擦磨損的條件下，隨著Fe含量增加，磨損質(zhì)量不斷增加的原因是：在此磨損條件下，F(xiàn)e的針狀相在干磨損過程中會剝落；隨著Fe含量的增加，剝落越嚴重，導(dǎo)致合金抵抗磨損的能力下降.

在高載荷(300 N)摩擦磨損的條件下，Al-10Si-xFe合金的摩擦表面形貌及成分分析如圖6所示.從圖6(a)可看出，在300 N×200 r/min磨損的條件下，不含F(xiàn)e材料的磨損主要為粘著磨損，并以小塊狀方式剝落.圖6(b)顯示，摩擦表面整體為較整齊的梨溝，其磨損方式主要為磨粒磨損，這是磨損質(zhì)量低的原因.圖6(c)顯示，當Fe質(zhì)量分數(shù)增至2.0%時，出現(xiàn)較明顯的粘著剝落.這是在高載荷(300 N)下隨著Fe含量增加，磨損質(zhì)量先減少后增加的原因.微觀上由于Al-10Si合金冷卻速度較快，F(xiàn)e溶入基體中形成過飽和固溶體，從而引起基體晶格嚴重畸變，起到一定的固溶強化作用.隨Fe含量的增加，先共析的α-Al形成不規(guī)則雜亂的樹枝狀，F(xiàn)e相以長針狀分布于基體中，且針狀相是一種硬脆相[6, 10-11].當某一點受到壓應(yīng)力作用時，針狀相的Fe能夠制約和阻礙周圍金屬的相互流動[12].從而使合金有更高的強度抵抗摩擦磨損過程中的塑性變形，這反映出隨Fe含量的增加，試樣抵抗磨損的能力增強.

圖6 Al-10Si-xFe合金的摩擦表面形貌及成分分析 Fig.6 Friction surface morphologies and EDS analysis(a)Al-10Si；(b)Al-10Si-1.5Fe；(c)Al-10Si-2.0Fe

3.2 載荷對摩擦磨損性能的影響

由摩擦系數(shù)的測定公式(1)可見，隨著載荷的增加，摩擦系數(shù)減小.摩擦系數(shù)反應(yīng)了材料的耐磨性能，該參數(shù)和載荷、溫度、磨損表面等相關(guān).在摩擦過程中，材料的磨損表面相互作用，由于表面變形、摩擦溫度和環(huán)境介質(zhì)等因素的影響，表面層將發(fā)生機械性質(zhì)、組織結(jié)構(gòu)、物理和化學(xué)變化.實際的摩擦磨損中，通常是幾種形式的磨損同時存在，且一種磨損發(fā)生后往往誘發(fā)其他形式的磨損.在摩擦過程中溫度的改變也會造成合金材料表面性質(zhì)不同，從而引起摩擦系數(shù)的變化[13-14].

(1)

式(1)中μ—摩擦系數(shù)，T—摩擦力矩(N·m)，F(xiàn)—摩擦力(N)，P—試樣所承受垂直負荷(N)，R—下試樣的半徑(m).

在摩擦學(xué)原理中，兩個互相接觸的物體，無論其表面被加工得多光滑，在微觀上摩擦面之間總是凹凸不平的，在實際接觸時只有一些微小凸峰進行接觸，摩擦面間得的接觸面積較小.在外加載荷的作用下，微小凸體發(fā)生變形，使摩擦面間的實際接觸面積增大.隨著載荷增大，摩擦力也隨著增大，但實際接觸面積的變化和摩擦力的變化并不呈線性關(guān)系.由于變形硬化效應(yīng)，隨外加載荷的增大，微凸體越來越不易發(fā)生變形，摩擦面之間實際接觸面積增大的幅度越來越小，摩擦力與載荷的比值變小，使得摩擦系數(shù)減小.隨著載荷增加，摩損表面的溫度也有一定的增加，使試驗中的試樣表面軟化，導(dǎo)致切削抗力減小[10, 13, 15].這也是使得Al-10Si-xFe合金摩擦系數(shù)減小的一個原因.

在低載荷(100 N)磨損的條件下，由于摩擦過程中的磨屑在材料磨損表面粘著使得摩擦系數(shù)較高.在中載荷(200 N)磨損的條件下，隨著鐵含量增加，摩擦表面逐漸形成剝落的磨粒層，使材料表面摩擦系數(shù)有所增加，從而使磨損增加.在高載荷(300 N)磨損的條件下，因載荷較大，Al-10Si-xFe合金中的耐磨顆粒無法起到有效的摩擦作用，在磨損過程中導(dǎo)致摩擦面的材料剝落；載荷和材料的硬度越高，抵抗變形的能力越強，摩擦副嚙合與粘著程度越差，摩擦系數(shù)越低[16-17].

4 結(jié) 論

(1)添加Fe元素可以改變Al-10Si合金的組織形貌.當Al-10Si合金中Fe質(zhì)量分數(shù)超過1.0%時，出現(xiàn)粗大長針狀分布β-Fe相，且隨著鐵含量增加，長針狀組織變得更粗大.當鐵含量較高、Al-10Si-xFe合金析出時，出現(xiàn)了大量初生Si相和Al0.7Fe3Si0.3相.

(2)在100 N低載荷摩擦的條件下，隨Fe含量的增加Al-10Si-xFe合金的磨損質(zhì)量變化不大，摩擦系數(shù)在0.35～0.45之間；在200 N中載摩擦條件下，隨Fe含量增加磨損質(zhì)量和摩擦系數(shù)均呈先逐漸增加后減低的趨勢，F(xiàn)e質(zhì)量分數(shù)為1.5%時合金的磨損質(zhì)量和摩擦系數(shù)最高；在300 N高載荷摩擦條件下，增加鐵含量可減少磨損質(zhì)量，但其摩擦系數(shù)較低，摩擦性能差，說明該合金不適宜用作高載荷摩擦材料.