張 波,徐冬,張書維,宋寶成

(江蘇安全技術職業(yè)學院 機械工程學院,江蘇 徐州 221000)

鑄造Al-Si合金由于良好的耐腐蝕性能、較高的比強度、質量輕等優(yōu)點而被廣泛應用于汽車零部件制造等領域,比如汽車發(fā)動機缸蓋、缸體等重要部件[1-3]。汽車零部件因機械磨損經常遭到直接或間接損壞,由此須要更換零部件或影響零部件的使用年限,這極大阻礙了鑄造Al-Si合金在汽車工業(yè)化中的發(fā)展。鑒于此,提高鑄造Al-Si合金的摩擦磨損性能具有極大的現實意義。

有研究[4]表明,Al-Si合金組織中α(Al)晶粒、共晶Si相以及金屬間化合物的形態(tài)、大小與分布,對合金的力學性能及耐磨性能具有極大影響。粗大的α(Al)晶粒會極大降低合金的各項性能;未變質組織中易存在粗大的長針狀或板塊狀共晶Si相,易在尖端或棱角部位引起應力集中,嚴重割裂基體,進而導致合金的強度與硬度降低[5-9],所以必須對合金進行變質處理。目前,合金組織中α(Al)晶粒及共晶Si相的細化主要通過添加細化劑和變質劑來實現。國內外研究普遍認為,稀土元素是非常有效的細化變質劑。稀土元素中La、Ce、Pr、Yb等不僅可以細化α(Al)晶粒,還可以起到變質共晶Si的作用。此外,稀土元素還具有很強的除雜、凈化作用,能夠消除鋁合金中的Fe、S、H2[10-13]等有害元素。劉春海[14]等人添加稀土Ce改善了A356鋁合金的微觀組織及力學性能,稀土Ce不僅使α-Al晶粒得到細化,而且使共晶Si相也變得更加細小、圓整。與未變質處理的A356合金相比,添加0.04%稀土Ce的A356鋁合金的屈服強度、抗拉強度及延伸率均得到了顯著提升。史攀[15]等人研究了稀土La對Al-12.35Si合金組織及性能的影響,La的添加顯著細化了共晶Si的尺寸,減小了α-Al二次枝晶臂的距離。0.2%La的添加量對合金的變質效果最好且力學性能最佳,但是隨著過量La的加入,合金的組織粗化且性能降低。本課題采用添加Al-10La中間合金的方式對Al-Si合金進行變質處理,研究稀土La含量對Al-Si合金摩擦磨損性能的影響。

1 試驗材料與方法

本次試驗選用Al-10La中間合金變質處理Al-5Si-Cu-Mg鋁合金,Al-5Si-Cu-Mg鋁合金的化學成分為:Si5.0, Mg0.5, Cu1.5, Mn0.1, Zn0.2, Fe0.81, 其余的都是Al(質量分數,%)。具體試驗流程如下:將一定量的Al-5Si-Cu-Mg鋁合金置于石墨坩堝內,坩堝隨電阻爐升溫至750℃,保溫20 min以確保合金完全熔化,再把切碎的Al-10La中間合金緩慢加入到熔體內,配比成不同稀土含量的變質鋁合金(質量分數0%La、0.25%La、0.5%La及0.75%La)。隨后將電阻爐升溫至780℃保溫10 min,之后對熔體進行機械攪拌5 min,再澆注于已經預熱的鋼制模具內。

摩擦磨損試驗機型號為BRUKERUMT-2,摩擦方式為干滑動摩擦磨損,磨盤為55 HRC硬度的GCr15軸承鋼盤,試樣在磨損前后均放入裝有無水乙醇的超聲波清洗儀中超聲處理10 min,試樣的質量通過電子天平稱量,精度為0.000 1 g。摩擦過程的外加載荷為40 N,滑動轉速為0.25 m/s,每磨損600 s后稱量一次試樣重量。對試樣進行打磨、拋光,再用0.5%HF進行刻蝕。利用光學顯微鏡(OM, DM4000M型)觀測試樣的金相組織,利用掃描電子顯微鏡(FEI Quanta 200F型)觀察試樣的微觀組織及磨擦磨損表面形貌,同時利用配套的能譜儀(EDS)對試樣進行元素組成分析。維氏硬度計(HV-50A型)測試樣品的維氏硬度,加載5 kg,時間15 s。

2 試驗結果與分析

2.1 微觀組織

圖1為不同含量稀土的變質Al-5Si合金的鑄態(tài)組織形貌。圖1a中未變質的Al-5Si合金主要由粗大的α-Al晶粒、長針狀或板條狀的共晶Si相以及魚骨狀的富Fe相構成,其中α-Al枝晶粗大,排列雜亂無章。隨著不同含量稀土La的添加,合金組織逐漸細化。當添加了0.5%La之后,第二相的形貌與分布變化最為明顯,如圖1c所示。α-Al晶粒由粗大向細小轉變,枝晶排列也變得有規(guī)律,大部分α-Al晶粒邊界變得圓整。在組織中已經觀察不到長針狀或板條狀的共晶Si相,這也說明稀土元素La對Si相的細化效果顯著,有效減少了粗糙共晶Si相對基體組織的割裂作用。同時,稀土La的加入使得魚骨狀的富鐵相發(fā)生分解,極大減少了富鐵相的聚集,避免了應力集中,從而有效改善了合金的力學性能。但是添加了0.75%La之后,合金組織有明顯粗化的趨勢,已經偏移了最佳狀態(tài),如圖1d所示。

圖1 不同含量稀土的Al-5Si合金微觀組織

圖2為0.5%La的Al-5Si合金的EDS分析及元素面掃描分布。從EDS圖片中可見,白色的相分布于基體中。根據元素面掃描可知Al、Si、Cu及稀土元素La的分布,亮白色的相應該為富La稀土相,稀土相可能是由Al、Si、Cu、La組成的多元稀土金屬間化合物。

圖2 0.5%La的Al-5Si合金的EDS分析及元素面掃描分布

2.2 維氏硬度

圖3為添加了不同含量稀土的Al-5Si合金的維氏硬度。從圖中可知,合金維氏硬度隨著稀土La添加量的增加而呈現出先增大后降低的趨勢。Al-5Si合金基體的維氏硬度較低,數值為68.71 HV,這主要與組織中粗大的枝晶與共晶Si相有關。當添加了0.25%La時,變質合金的維氏硬度有所提高,達到了78.19 HV。當添加了0.5%La時,變質合金的維氏硬度為91.23 HV,與未變質的合金相比提升了32.78%,此時合金的硬度達到最高,這主要是由于稀土元素作為一種高表面活性元素,有效降低了Al熔體的界面張力和臨界成核半徑,有助于克服α-Al晶粒的形核障礙,可以極大地細化α-Al晶粒的尺寸。然而,當添加了0.75%La時,硬度有明顯降低,這可能是由于過量的La元素與Al元素形成了La-Al稀土相,產生了大量的結晶熱,極大降低了液態(tài)金屬的過冷度,從而導致合金晶粒的粗化,合金的硬度由此呈現降低的趨勢[16]。

圖3 添加了不同含量稀土的Al-5Si合金的維氏硬度

2.3 摩擦磨損性能

圖4為不同稀土La加入量對Al-5Si合金摩擦磨損表面形貌的影響。未變質處理的Al-5Si合金磨損表面如圖4a所示,合金表面磨損嚴重,臺階式分層現象明顯,并且磨損痕跡較深,因此可知其在與對磨副進行摩擦的過程中,從材料表面剝落的基體合金較多,表現出較差的耐磨性能,磨損機制主要以剝層磨損為主。當加入0.25%La元素之后,磨損表面有所好轉,如圖4b所示。摩擦試驗過后,在試樣的磨損表面上只留下較小面積的凹坑,并且凹坑深度較淺。在磨損表面出現了許多深淺及寬度不一,且平行排布的劃痕,即犁溝。犁溝的形成是由于對偶件上的微凸體在磨面上產生微觀切削和刮擦而形成犁溝狀痕跡[17],此時變質合金的磨損機制主要是粘著磨損和磨粒磨損。當加入0.5%La元素后,合金的磨損形貌如圖4c所示。稀土0.5%La-Al-5Si合金的耐磨性能達到最佳,磨損表面最為平整,沒有出現特別明顯的深淺及寬窄不一的溝壕,只有非常細微的小劃痕與零星散落的小凹槽,表現為非常輕微的磨粒磨損和粘著磨損。稀土元素的添加有效改善了合金的抗磨損性能,因為稀土本身就具有良好的潤滑功能,可促進表面氧化膜的形成,有效提高合金的耐磨性能。根據王天國[18]等人的研究可知,稀土La大多存在于晶界,晶界得到了極大的強化作用,使得裂紋不易在晶界處形成,增大了裂紋的擴展阻力。但是當添加了0.75%La時,變質合金的磨損表面有所惡化,如圖4d所示。表面變得粗糙,小區(qū)域的凹坑重新出現在磨損表面,但是總體觀察磨損表面較未變質的Al-5Si合金有明顯改善。

圖4 添加了不同含量稀土的Al-5Si合金的摩擦磨損表面SEM形貌

圖5為添加了不同含量稀土的Al-5Si合金的摩擦系數和磨損量變化圖。圖5a中隨著稀土含量的逐漸增多,Al-5Si合金的摩擦系數逐漸降低至最低點后再升高。未變質的Al-5Si合金的摩擦系數最高,為0.611,而添加了0.5%La之后變質處理的Al-5Si合金的摩擦系數為0.522,由此可見稀土的添加使合金的摩擦系數有所降低。圖5b中Al-5Si合金的磨損量最多,為0.1644 g,隨著稀土La含量的增多,磨損量逐漸降低,當加入0.5%La元素時,合金具有最小的磨損量0.1191 g。La的加入與合金形成金屬間化合物,這些金屬間化合物粒子以彌散分布形式存在于基體中,對合金的位錯具有阻礙作用,并可有效的產生第二相強化作用,使得合金的強度和硬度均得到提升[19]。根據大量研究顯示[20-21],一般情況下材料的磨損率越小,其硬度值越大,結合圖3可知,當0.5%La加入合金后,變質合金擁有最高的硬度,這也與其磨損量最低相一致,由此可知稀土La的加入在一定程度上提高了Al-5Si合金的摩擦磨損性能。然而,當0.75%La加入合金后,合金的磨損量出現升高的趨勢,這可能是因為過量的稀土在合金基體中生成了針狀La-Al-Cu稀土相,對合金基體產生割裂的作用[22]。

圖5 添加了不同含量稀土的Al-5Si合金的摩擦系數和磨損量

3 結 論

(1) 在Al-5Si合金中添加了不同含量的稀土La,鑄態(tài)合金的組織得到了明顯細化。當加入0.5%La元素時,組織中α-Al晶粒與共晶Si相均得到了明顯細化,枝晶排列也變得有規(guī)律,大部分α-Al晶粒邊界變得圓整,而共晶Si相則呈現彌散分布的細小短棒狀。0.5%La-Al-5Si合金的維氏硬度達到峰值,為91.23 HV,與未變質的合金相比提升了32.78%,稀土變質有助于合金微觀組織和力學性能的改善。

(2) 稀土La變質處理Al-5Si合金能夠有效改善合金的耐磨性能。隨著稀土La添加量的增加,Al-5Si合金的磨損量和摩擦系數均呈現出先逐漸降低后增大的變化趨勢。其中,未變質處理的Al-5Si合金的磨損量和摩擦系數最高,分別為0.1644 g和0.611。當添加了0.5%La時,變質合金的磨損量和摩擦系數達到最低,分別為0.1191 g和0.552。磨損量和摩擦系數的降低,均說明稀土La的添加對Al-5Si合金的摩擦磨損性能有提升作用。不同稀土添加量的合金磨損機制也各不相同,未變質處理的Al-5Si合金以剝層磨損為主,而當添加0.5%La之后,合金的磨損機制轉變?yōu)橐暂p微的磨粒磨損和粘著磨損為主。