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        硬質(zhì)顆粒TiC對Al-Sn-Cu合金性能影響研究

        2022-06-08 02:20:50曹剛尹延國李聰敏許明李蓉蓉
        軸承 2022年4期
        關(guān)鍵詞:合金材料因數(shù)基體

        曹剛,尹延國,李聰敏,許明,李蓉蓉

        (合肥工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院,合肥 230009)

        我國是鋁材生產(chǎn)應(yīng)用大國,鋁合金材料在工程機械等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用,特別是在一些精密零部件上,經(jīng)過特別加工制造的鋁合金材料具有無可替代性[1]。隨著社會的發(fā)展進步,鋁基材料作為新型滑動軸承材料逐漸被更多研究人員重視[2-4]。良好的抗黏咬性、耐磨減摩性、耐腐蝕性、順應(yīng)性和嵌韌性等綜合性能是新型鋁基材料的特點,同時又具有密度小,導(dǎo)熱性好,承載能力強,疲勞強度高等優(yōu)越性能[5],正逐漸取代傳統(tǒng)的錫青銅合金和巴氏合金,成為主要的滑動軸承材料[6-7]。具良好性能的鋁錫合金可以提高發(fā)動機的性能,節(jié)省大量的能源與材料,從而實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保[8-9]。

        TiC顆粒能夠使材料具有高強度、高韌性和高耐磨性,例如研究人員采用熔體超聲處理(UTS)將TiC顆粒加入AA2219合金使其強度與硬度得到了明顯提升。研究表明:TiC顆粒均勻分布于基體材料中,對材料具有強化作用,與其他強化材料相比,基體材料中加入TiC顆粒后具有更佳的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能[10-12]。

        在Al-Sn-Cu合金材料中,合金組織的組成物為α(Al),β(Sn)及Al2Cu化合物。經(jīng)過(480 ℃, 19 h)均勻化熱處理工藝,連續(xù)的網(wǎng)狀β(Sn)相消失,出現(xiàn)球狀和塊狀β(Sn)相,其依附或者圍繞在Al2Cu周圍。隨著材料中Sn含量的添加,鋁銅合金的強度增加,塑性有所降低,合金材料的減摩耐磨性不足[13-15]。雖然TiC顆粒對基體材料性能增強作用顯著,但關(guān)于向Al-Sn-Cu合金材料中添加TiC顆粒的研究鮮見報道。

        為提升Al-Sn-Cu合金材料的綜合性能,擴大其應(yīng)用范圍,嘗試在Al-Sn-Cu合金材料中添加TiC顆粒,深入研究TiC顆粒對Al-Sn-Cu合金微觀組織、硬度及摩擦磨損性能的影響,為鋁基滑動軸承材料的研究提供理論指導(dǎo)。

        1 試驗方案

        1.1 試樣制備

        原材料為純鋁錠(純度≥99.7%)、錫塊、純銅錠(純度≥99.9%)和Al-Ti-C中間合金,Al-Ti-C中間合金中的TiC占3%。Al-Sn-Cu-TiC合金試樣制備流程如圖1所示:首先,將鋁錠置于坩堝中,加熱至750 ℃,待鋁錠熔化后保溫0.5 h;然后,依次放入3%Cu和3%Sn,保溫10 min后放入適量Al-Ti-C中間合金,保溫30 min后采用石墨攪拌棒攪拌10 min,同時通入氬氣去除氫離子,其中攪拌器攪拌速度為250 r/min;最后,將坩堝中的熔體倒入水冷模具中澆鑄成型。試樣制備完成后,在495 ℃下固溶6 h后淬火,并在200 ℃下時效6 h。Al-Sn-Cu合金試樣的制備流程大體相同,只是不需要加入TiC顆粒。制備完成的Al-Sn-Cu合金和Al-Sn-Cu-TiC合金的成分見表1。

        圖1 試樣制備過程

        表1 試驗材料的成分

        1.2 試驗方法

        1.2.1 微觀組織試驗

        在距離試樣底部10 mm處線切割截取10 mm×5 mm×5 mm的樣塊,分別采用50目、200目和800目砂紙打磨后在拋光機上拋光30 min。采用腐蝕液(質(zhì)量分數(shù)為10%的鹽酸5 mL、質(zhì)量分數(shù)為20%的硝酸5 mL、純凈水90 mL)腐蝕后在LHW50-1型金相顯微鏡下觀察合金的微觀組織;采用SUS8000型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察合金中TiC的形貌及分布;采用X能譜分析儀(EDS)檢測TiC的元素成分。

        1.2.2 力學(xué)性能試驗

        采用HB-3000型布氏硬度計對合金試樣進行顯微硬度測試,在測量前對試樣進行拋光和烘干,同時確保試樣表面干燥。測量時所選用的負荷為250 kg,保壓時間設(shè)定為30 s;采用WDW-100M型萬能試驗機檢測合金的抗拉強度及延伸率,拉伸板材試樣如圖2所示,拉伸速率為2.0 mm/min,一組合金材料取3個拉伸試驗數(shù)據(jù)計算平均值。

        圖2 抗拉試樣Fig.2 Tensile sample

        1.2.3 摩擦磨損性能試驗

        采用SMM-W2000型端面試驗機檢測合金試樣的摩擦磨損性能,試樣為5 mm×7 mm×30 mm的方形試樣,上試樣為外徑40 mm,內(nèi)徑16 mm的45#鋼圓環(huán),工作方式如圖3所示;采用VK-X100型3D激光掃描顯微鏡檢測磨痕形貌。

        圖3 摩擦磨損示意圖Fig.3 Diagram of friction and wear

        2 試驗結(jié)果與分析

        2.1 Al-Ti-C,Al-Sn-Cu和Al-Sn-Cu-TiC合金的微觀組織

        Al-Ti-C合金的微觀組織及成分分析如圖4

        圖4 Al-Ti-C合金的微觀組織及成分分析

        所示:由XRD(圖4a)可知Al-Ti-C中間合金中只存在Al和TiC顆粒;通過SEM(圖4b)觀察到Al基體中存在較多尺寸約200~500 nm的不規(guī)則塊狀顆粒,未出現(xiàn)團聚現(xiàn)象;由EDS(圖4c)分析可知顆粒物質(zhì)只有Al,Ti和C這3種元素,因此判定不規(guī)則塊狀顆粒為TiC。

        Al-Sn-Cu合金和Al-Sn-Cu-TiC合金的微觀組織如圖5所示:由于鋁合金中形核的主要驅(qū)動力是爐壁的熱過冷,故Al-Sn-Cu合金中的晶粒主要以胞狀晶存在[16],平均晶粒尺寸約87 μm;Al-Sn-Cu-TiC合金的組織明顯得到了細化,平均晶粒尺寸約37 μm,相對于Al-Sn-Cu合金的降幅達到57.4%。

        圖5 Al-Sn-Cu和Al-Sn-Cu-TiC合金試樣500倍金相顯微組織

        當(dāng)Al-Ti-C中間合金加入熔液后,向熔體內(nèi)釋放了大量的TiC粒子,這些粒子作為α-Al的形核質(zhì)點提高了合金的形核率。Al-Sn-Cu-TiC合金晶粒表面形成了不規(guī)則的小“凸起”,細化后的晶粒為細小的等軸晶粒,但其輪廓形狀不規(guī)則,說明TiC發(fā)揮了形核的作用。另外,在材料凝固過程中,水冷速度較快,金屬液降溫迅速,同樣提高了合金的形核率。由于形核率的提高,合金熔液凝固過程中枝晶的生長空間變小,枝晶生長受到的阻礙逐漸變大,因此枝晶尺寸減小。

        2.2 Al-Sn-Cu和Al-Sn-Cu-TiC合金的布氏硬度及常溫抗拉性能

        為保證測量硬度數(shù)據(jù)的準確性,在每個試樣上至少測量6個點并剔除奇異點。不同合金試樣的硬度變化如圖6所示:Al-Sn-Cu合金的硬度平均值為81.78 HB,Al-Sn-Cu-TiC合金的硬度平均值為90.49 HB,提升了10.658%,具有更好的力學(xué)性能。這是由于通過TiC顆粒對Al-Sn-Cu合金的晶粒細化作用,合金材料的晶粒形狀和組織均勻性得到改善,晶界的體積分數(shù)增大,對位錯的阻礙作用也會增大;同時,均勻分布在基體中的TiC顆粒具有一定的承載能力,使合金材料的性能得到明顯的提升,宏觀上表現(xiàn)為合金材料布氏硬度的提高[17]。

        圖6 Al-Sn-Cu和Al-Sn-Cu-TiC合金試樣的布氏硬度

        不同合金材料在常溫條件下的抗拉強度見表2:相對于Al-Sn-Cu合金,Al-Sn-Cu-TiC合金材料的抗拉強度提升了5.88%。這是由于合金材料在受到應(yīng)力作用產(chǎn)生變形時,TiC顆粒能夠有效阻礙位錯運動。

        表2 不同合金材料的抗拉強度

        2.3 Al-Sn-Cu和Al-Sn-Cu-TiC合金的摩擦行為

        在4種不同工況(表3)下,Al-Sn-Cu合金和Al-Sn-Cu-TiC合金的摩擦因數(shù)隨時間的變化如圖7所示,達到穩(wěn)定狀態(tài)時:

        表3 摩擦磨損試驗工況

        1)工況1下(圖7a),Al-Sn-Cu合金材料的摩擦因數(shù)為0.384,Al-Sn-Cu-TiC合金材料的摩擦因數(shù)為0.345,比Al-Sn-Cu合金降低了10.16%。

        2)工況2下(圖7b),Al-Sn-Cu合金材料的摩擦因數(shù)為0.126,Al-Sn-Cu-TiC合金材料的摩擦因數(shù)為0.027,比Al-Sn-Cu合金降低了78.57%。

        3)工況3下(圖7c),Al-Sn-Cu合金材料的摩擦因數(shù)為0.474,Al-Sn-Cu-TiC合金材料的摩擦因數(shù)為0.414,比Al-Sn-Cu合金降低了12.66%。

        4)工況4下(圖7d),Al-Sn-Cu合金材料的摩擦因數(shù)為0.335,Al-Sn-Cu-TiC合金材料的摩擦因數(shù)為0.286,比Al-Sn-Cu合金降低了14.63%。

        綜上可知:Al-Sn-Cu-TiC合金的摩擦因數(shù)顯著降低,這是由于Al基體的摩擦因數(shù)高于TiC顆粒的摩擦因數(shù),TiC顆粒的加入使磨損面間增加了TiC顆粒與對磨件的磨損行為,減小了接觸面間合金材料基體的磨損面積,有利于合金材料摩擦因數(shù)的降低;隨著磨損過程的進行,當(dāng)TiC顆粒被磨粒從磨損面間犁出,細小的TiC顆粒托覆在磨損面間,減輕了對磨件的磨損,從而降低了摩擦因數(shù)。

        通過VK-X1000型3D激光掃描顯微鏡獲取試樣磨痕形貌,分別截取不同工況下試樣磨損處的多處橫截面,結(jié)果如圖8所示。圖中呈紅色部分為試樣表面未磨損位置,藍色部分為試樣磨損最深處,黃色部分為試樣已磨損位置的橫截面。由圖8可知:在工況1下,Al-Sn-Cu和Al-Sn-Cu-TiC合金試樣磨損面的平均寬度分別為 5 553.854,3 179.913 μm;在工況2下,Al-Sn-Cu和Al-Sn-Cu-TiC合金試樣磨損面的平均寬度分別為4 354.995,2 984.956 μm;Al-Sn-Cu-TiC合金材料的磨損量明顯減少,這是由于TiC顆粒能夠鈍化磨損面間的磨粒,減弱磨粒對基體的磨損程度;另外,TiC顆粒能夠防止磨損表面磨粒的刺入,減小磨粒對于合金材料的磨損作用。

        TiC顆粒的增強作用使Al-Sn-Cu-TiC合金材料硬度提高的同時,耐磨性也有所提升[18-19]。當(dāng)鋁基體中未添加TiC顆粒時,基體材料比對磨材料的硬度低,易產(chǎn)生黏著磨損,當(dāng)基體材料中含有TiC顆粒時,TiC顆粒隨著磨損的進行聚集在磨損表面,起到一定的支撐作用,黏著磨損轉(zhuǎn)換為磨粒磨損[20]。

        3 結(jié)論

        通過多元合金化制備鋁基合金,利用金相顯微鏡分析了合金組織結(jié)構(gòu)的變化以及硬質(zhì)顆粒TiC對Al-Sn-Cu合金硬度的影響,通過摩擦磨損試驗探索了不同成分鋁基合金的摩擦學(xué)性能,根據(jù)試驗結(jié)果及分析可以得到以下結(jié)論:

        1)通過添加TiC顆粒制備所得鋁基合金的晶粒更加細小,微觀組織細化效果顯著。

        2)添加TiC顆粒后的Al-Sn-Cu-TiC合金比Al-Sn-Cu合金的硬度更高,布氏硬度平均提升10.658%,抗拉強度提升5.88%。

        3)由于TiC顆粒的添加,載荷200 N,主軸轉(zhuǎn)速200 r/min,干摩擦條件下,Al-Sn-Cu-TiC合金的摩擦因數(shù)為0.345,比未添加TiC顆粒時(0.384)降低了11.3%;在載荷200 N,主軸轉(zhuǎn)速200 r/min,油潤滑條件下,Al-Sn-Cu-TiC合金的摩擦因數(shù)為0.027,比未添加TiC時(0.126)降低了78.57%。加入TiC顆粒后減摩效果顯著,能夠提升合金材料的抗磨損性能。

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