李慶芬, 鄧 彬,2, 吳遠志,2, 屈偉明, 劉先蘭, 向思誠, 王 柯, 尹浩屹

(1. 湖南工學院 智能制造與機械工程學院, 湖南 衡陽 421002; 2. 湖南工學院 汽車零部件技術(shù)研究院, 湖南 衡陽 421002)

近年來,國家對于節(jié)能、減排的要求日益提高,促進了對被譽為“21世紀綠色工程材料”鎂及鎂合金的持續(xù)關(guān)注[1-4]。與其他工程材料相比,鎂及鎂合金具有高的比剛度、比強度與吸震能力,廣泛應(yīng)用于新能源汽車、航空航天與國防軍工等領(lǐng)域[5-8]。鎂合金配件在工作過程中會與其他配件發(fā)生摩擦,造成配件磨損,導致鎂合金的服役壽命降低[9-10]。因此,通過改善鎂合金的耐磨性能,提升其服役時間,具有非常重要的工程意義。

研究表明[11],使用微弧氧化技術(shù)對AZ91鎂合金進行表面改性后,呈現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦性能。Zafari等[12]報道了鎂合金中稀土元素的添加提升了合金的耐磨性能。晶粒細化,可以提高合金表面的硬度,增強合金的耐磨性能,本研究以軋制AZ31鎂合金為對象,研究不同軋制溫度對AZ31鎂合金組織與耐磨性能的影響,為鎂合金做工程結(jié)構(gòu)件時提供應(yīng)用參考。

1 試驗材料與方法

試驗材料為購買的商用牌號的AZ31鎂合金鑄錠,名義成分為Mg-3%A1-1%Zn-0.3%Mn(質(zhì)量分數(shù))。經(jīng)400 ℃×24 h固溶處理(T4處理)后,得到平均晶粒尺寸為400 μm的組織,如圖1(a)所示。用機加工的方式把固溶后的AZ31鎂合金切割成100 mm×100 mm×10 mm(長×寬×高)的板材,AZ31板材軋制前保溫15 min后(溫度分別為200、300和400 ℃),在雙輥軋機(φ400 mm×400 mm)上把厚度為10 mm鎂合金板材一次軋制成形到2 mm厚。

圖1 不同軋制溫度下AZ31合金的顯微組織(a)未軋制;(b)200 ℃;(c)300 ℃;(d)400 ℃Fig.1 Microstructure of the AZ31 alloy rolled at different temperatures(a) unrolled; (b) 200 ℃; (c) 300 ℃; (d) 400 ℃

用線切割機在試驗樣品上沿板材軋向ND中段切取φ25 mm的圓片試樣。1號樣為400 ℃×24 h固溶處理后試樣,2、3、4號樣分別為200、300、400 ℃軋制溫度對應(yīng)試樣。試樣經(jīng)打磨、拋光與侵蝕后,在光學顯微鏡下觀察顯微組織。采用HVS-1000型顯微硬度計測量試樣的顯微硬度,測試載荷為4.9 N,保壓時間15 s,試樣硬度為10次測量結(jié)果的平均值。室溫下進行摩擦磨損試驗,試驗加載載荷為100 N、速度為100 r/min,每個試樣摩擦時間為1800 s,摩擦因數(shù)由MFT-5000型試驗機在線給出,試樣摩擦磨損試驗前后的質(zhì)量用分析天平(0.0001 g)稱量。采用Wr=m/ρ×L計算合金的磨損率[13](Wr為磨損率,mm3/m;m為磨損量,mg;ρ為合金密度,g/cm3;L為摩擦球摩擦滑動距離,mm)。摩擦磨損試驗后利用三維輪廓儀和EVO-18型掃描電鏡測試試樣的磨損表面形貌及成分組成。

2 試驗分析與討論

2.1 顯微組織

圖1為AZ31鎂合金T4態(tài)和不同軋制態(tài)的顯微組織,圖中淺色部分為基體組織,深色部分為第二相。如圖1(a)所示,鑄態(tài)AZ31鎂合金經(jīng)T4處理后,平均晶粒尺寸為400 μm左右,分布于晶界周圍的第二相大部分固溶到基體中。AZ31鎂合金經(jīng)軋制后,軋制板材組織均發(fā)生了完全再結(jié)晶[14],晶粒組織得到明顯細化,在軋制作用下合金組織中的第二相分布更加均勻、細小(如圖1(b～d)所示),2～4號樣的平均晶粒尺寸分別為4.3、5.4和6.7 μm左右,熱軋試樣的晶粒與第二相平均尺寸隨著軋制溫度的升高而增大。

2.2 顯微硬度

圖2為不同狀態(tài)AZ31鎂合金的顯微硬度。經(jīng)熱軋后的AZ31鎂合金,在細晶強化和第二相彌散強化的雙重作用下,相比固溶態(tài)硬度得到大幅度提高,200 ℃熱軋后的硬度比固溶態(tài)提升了47.16%;軋制溫度不同,AZ31鎂合金硬度變化由大到小為2號樣>3號樣>4號樣,這與圖1中合金的組織變化是一致的,軋制溫度越高合金晶粒與第二相的平均尺寸越大,細晶強化與第二相彌散強化作用減弱,硬度降低。

圖2 不同軋制溫度下AZ31鎂合金的顯微硬度Fig.2 Microhardness of the AZ31 magnesium alloy rolled at different temperatures

2.3 耐磨性

圖3為不同狀態(tài)AZ31鎂合金的摩擦因數(shù)和磨損率。從圖3可以看出,熱軋后AZ31鎂合金的摩擦因數(shù)與磨損率均小于固溶態(tài)AZ31鎂合金,固溶態(tài)合金(1號樣)的平均摩擦因數(shù)為0.303,熱軋后合金(2、3、4號樣)的平均摩擦因數(shù)分別為0.227、0.243、0.275,2～4號樣的平均摩擦因數(shù)較1號樣分別下降了25.1%、19.8%、9.2%。固溶態(tài)合金(1號樣)的磨損率為0.068 mm3/m,熱軋后合金(2、3、4號樣)的磨損率分別為0.046、0.054和0.062 mm3/m,2～4號樣的磨損率較1號樣分別下降了32.4%、20.6%和8.8%。試驗表明,軋制加工能明顯提高鎂合金的耐磨性能,且隨著軋制溫度的降低合金的耐磨性能提高,這與前面的合金組織與硬度情況一致。

圖3 不同軋制溫度下AZ31鎂合金的摩擦因數(shù)(a)及磨損率(b)Fig.3 Wear coefficient(a) and wear rate(b) of the AZ31 magnesium alloy rolled at different temperatures

圖4為AZ31鎂合金試樣的磨損三維形貌、截面輪廓曲線和磨損表面形貌。由圖4(a～c)可知,1號樣的磨痕深且寬,磨損程度較大,磨痕區(qū)域表面形貌粗糙不平,存在著深淺大小不一的剝落坑,且剝落坑大而深(見圖4(b,c)中1區(qū)),1號樣表面磨損形貌呈明顯粘著磨損特征。經(jīng)熱軋后的AZ31合金(2～4號樣),其磨痕均有不同程度的變窄變淺,磨損程度均有所減小(見圖4(d,g,j))。圖4(f)為2號樣磨痕表面形貌大部分區(qū)域較為平整,表面存在著滑動方向的平行犁溝(見圖4(e,f)中2區(qū)),呈現(xiàn)明顯磨粒磨損特征。圖4(i)中3號樣磨痕表面大部分區(qū)域較為完整,磨損形貌由平行犁溝與散落的一些在犁溝附近的小剝落坑組成(見圖4(h、i)中3區(qū)),且剝落坑較淺,說明磨損機制開始由磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檎持p,在此階段磨粒磨損是主導。圖4(l)中4號樣表面大部分區(qū)域較為粗糙,僅有小部分光滑區(qū)域,光滑區(qū)域與粗糙區(qū)域的交界處呈現(xiàn)不規(guī)則鋸齒形,這是摩擦副撕裂試樣表面造成破壞所致,粗糙區(qū)域中存在明顯的剝落坑(見圖4(k、l)中4區(qū)),是典型的粘著磨損占據(jù)主導的特征。

圖4中合金的磨損表面微區(qū)成分如表1所示。摩擦磨損試驗過程中,由于Mg性質(zhì)活潑,會與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)形成MgO,所以在各微區(qū)中均含有氧。剝落坑區(qū)域的B、E、G微區(qū)比相對光滑區(qū)域A、F、H微區(qū)氧含量高,表面磨損形貌嚴重處的氧化磨損也較嚴重;犁溝區(qū)域的C微區(qū)氧含量最少,表明犁溝區(qū)域的組織只發(fā)生了輕微的氧化磨損,犁溝兩側(cè)區(qū)域D微區(qū)氧含量較高,這是由于在磨粒磨損過程中犁溝兩側(cè)附著殘留的顆粒狀MgO磨屑所致。

表1 圖4中不同磨損區(qū)域的化學成分(質(zhì)量分數(shù),%)Table 1 Chemical composition of different wear areas in Fig.4 (mass fraction, %)

磨損試驗結(jié)果表明,軋制態(tài)AZ31鎂合金的耐磨性均明顯高于固溶態(tài),且軋制態(tài)鎂合金的耐磨性隨著軋制溫度的升高而降低。從1號樣的顯微組織可以看出,AZ31合金經(jīng)固溶處理后晶界處的第二相減少;鎂合金第二相的減少使得合金的熱穩(wěn)定性變差,在磨損過程中容易發(fā)生熱擠壓塑性變形,造成粘著點,從而加速粘著磨損的形成。由圖4(f,i,l)可知,隨著軋制溫度的升高,軋制態(tài)合金的磨損機制由磨粒磨損向粘著磨損轉(zhuǎn)變;軋制溫度的升高導致合金的晶粒與第二相的平均尺寸增大,細晶強化與彌散強化作用減弱,硬度降低,從而降低了鎂合金的熱穩(wěn)定性,耐磨性能下降。

3 結(jié)論

1) 固溶態(tài)AZ31鎂合金,經(jīng)熱軋后,板材組織晶粒得到明顯細化;熱軋板材的晶粒與第二相平均尺寸隨著軋制溫度的升高而增大。

2) 軋制態(tài)AZ31鎂合金的耐磨性均明顯高于固溶態(tài),且隨著軋制溫度的升高,軋制態(tài)AZ31鎂合金的耐磨性降低。

3) 固溶態(tài)AZ31鎂合金存在較為嚴重的粘著磨損,軋制態(tài)AZ31鎂合金的耐磨性均明顯高于固溶態(tài)。隨著軋制溫度的升高,軋制態(tài)AZ31合金的磨損機制由磨粒磨損向粘著磨損轉(zhuǎn)變。200 ℃軋制溫度下,合金的耐磨性最佳。