鎂合金具有高比強度、高比模量、高阻尼、電磁 屏蔽以及優異的鑄造、切削加工性和易回收等優 點,在汽車、電子、電器、交通、航空航天和國防軍工 等領 域 具 有 重 要 的 應 用 價 值 和 廣 闊 的 應 用 前 景。 AZ91 鎂合金以其良好的鑄造性能、抗腐蝕 性成為應用最廣泛的 AZ 系鎂合金,當其作為運動 部件承受連續或周期性摩擦時,表面不可避免地會 產生材料磨損;因此,摩擦磨損性能也成為衡量零 部件品質的一個重要指標。 目前,國內外學者從鑄 造方法、熱處理、表面強化、合金元素等方面對鎂合金的摩擦磨損性能進行了研究 ,結果表明:鑄造方法不同,鎂合金的磨損性能不同;熱處理能夠一 定程度上改善鎂合金的耐磨性能;稀土元素能夠有 效改善鎂合金的摩擦磨損性能,延緩鎂合金由輕微 磨損向嚴重磨損轉變;氧化鋁纖維能提高 AZ91 鎂 合金的耐磨性。 關于擠壓態和壓鑄態 2 種成型方式 下摩擦磨損性能是否存在不同,還不明確。 本文擬 在鎂合金的摩擦磨損行為方面開展研究工作,選用 擠壓態和壓鑄態 AZ91 鎂合金作為研究對象,選擇 轉速 200 r/ min、載荷 25 ～ 150 N,以及載荷 100 N、 轉速 200 ～ 400 r/ min,磨損時間 60 min 的實驗條件, 研究不同成形態 AZ91 鎂合金摩擦因數和磨損量的 變化情況及規律,分析成形工藝對 AZ91 鎂合金摩 擦磨損性能的影響,并探討磨損機制。

1 試驗材料及方法

本研究選用擠壓態和 壓 鑄 態 AZ91 鎂 合 金 (Mg - 9. 0Al - 0. 79Zn)作為試驗材料。 滑動摩擦磨 損試驗在 M - 2000 型磨損試驗機上進行,采用環塊 摩擦的方式,上試樣為固定不動的夾具和待測試 樣,下試樣為轉動的對磨件,如圖 1 所示。 試樣經線 切割加工為 14 mm × 9 mm × 4 mm 的長方體,鑲嵌 于夾具中,由螺釘固定。 下試樣為 GCr15 鋼環,外 徑為 40 mm,內徑為 16 mm,厚度為 10 mm。 摩擦磨損試驗在干滑動摩擦條件下進行。 下 試樣轉速設定為 200 r/ min,垂直加載載荷分別為 25、50、75、100、125 和 150 N,垂直加載載荷為 100 N、轉速為 200 、400 r/ min 的條件下,磨損時間為 60 min。 摩擦因數 μ = Q/ P = T / RP ,其中 Q 為摩擦 力,T 為摩擦力矩,P 為試樣所受的垂直載荷,R 為 鋼環半徑。 磨損量通過電子天平(精度 1 mg)測量 試樣磨損前后的質量差得出。 試驗前用酒精清洗 試樣和對磨件,再用金相砂紙打磨試樣待磨面和對 磨件表面,然后在拋光機上進行拋光處理。 擠壓態AZ91 鎂合金試樣用 5 g 苦味酸、5 ml 冰乙酸、10 ml 蒸餾水、200 mL 無水乙醇混合配制而成的腐蝕液進 行腐蝕處理;壓鑄態 AZ91 鎂合金試樣用體積濃度 為 4% 的 硝 酸 酒 精 溶 液 進 行 腐 蝕 處 理, 之 后 在 OLYMPUS - TOKYO 生產的型號為 XM202 的金相 顯微鏡上觀察試樣的金相組織。 采用 HVS - 1000 型顯微硬度計測量試樣待測面和對磨件的顯微硬 度,使用型號為 DX2500 型 X 線衍射儀分別對試驗 前后的試樣表面進行物相分析,使用 JSM - 7001FS 型場發射掃描電子顯微鏡觀察試樣磨損表面的形 貌并進行能譜分析。

2 試驗結果與分析

圖 2 為擠壓態 AZ91 鎂合金和壓鑄態 AZ91 鎂 合金在磨損試驗前待磨面的組織形貌圖。 可以看 出:擠壓態 AZ91 鎂合金的晶粒呈不規則塊狀,擁有 清晰的晶界,平均晶粒尺寸約為 10 μm;壓鑄態 AZ91 鎂合金為典型的樹枝晶組織,在基體和晶界上 布滿了不規則分布的網狀黑色相,平均晶粒尺寸約 為 50 μm。

圖 3 為磨損前擠壓態 AZ91 鎂合金和壓鑄態 AZ91 鎂合金的 XRD 衍射圖譜。 在 2 種鎂合金中, 主要物相有 α - Mg 和 β - Mg17Al 12 。 從圖中可以看 出,經過擠壓變形后,α - Mg 的主峰度數發生了變 化。 壓鑄態 AZ91 鎂合金的 α - Mg 主峰度數為 34. 5°,而擠壓態 AZ91 鎂合金的 α - Mg 主峰度數為 36. 4°,說明在擠壓過程中晶粒發生了轉動。 結合圖 2可以看出 β - Mg17Al 12以不同的形式存在于2 種鎂合金 中。 在壓鑄態 AZ91 鎂合金中,β - Mg17Al 12呈網狀結 構,分布于 α - Mg 基體和晶界上。 而在擠壓態 AZ91 鎂合金中,β - Mg17Al 12離散分布于 α - Mg 基體中。 試驗前測量了擠壓態 AZ91 鎂合金、 壓鑄態 AZ91 鎂合金待磨面及對磨件的顯微硬度。 鋼環的 平均顯微硬度為 287,擠壓態 AZ91 鎂合金的平均顯 微硬度為 76. 8,壓鑄態 AZ91 鎂合金的平均顯微硬 度為 67. 9。 擠壓態 AZ91 鎂合金顯微硬度比壓鑄態 AZ91 鎂合金高主要是因為晶粒尺寸、位錯密度以及 彌散強化的綜合作用。

2. 1 載荷、轉速對摩擦磨損性能的影響

圖 4 為轉速 200 r/ m、磨損時間 60 min 的條件 下,不同載荷對擠壓態和壓鑄態 AZ91 鎂合金摩擦 因數及磨損量的影響。

從圖中可以看出,2 種成形鎂合金的摩擦因數變 化趨勢相同,都隨著載荷的增加而減小。 在 25 N 至 75 N 階段,2 種鎂合金的摩擦因數分別從 0. 62 和 0. 65降至 0. 33 和 0. 36,變化量均為 0. 39。 當載荷 從 75 N 增加至 150 N 時,摩擦因數變為 0. 26 和 0. 3,變化量分別為 0. 07 和 0. 06。 在任一載荷條件下, 擠壓態比壓鑄態摩擦因數更低。 低載荷下,試樣表 面部分區域被氧化,使得載荷增加初期摩擦因數變 化劇烈。 當載荷增加到一定程度后,氧化程度加 劇,試樣表面被大量氧化膜覆蓋,使摩擦因數的變 化趨于穩定。 2 種鎂合金的磨損量變化趨勢相同, 都隨著載荷的增加而增大。 載荷從 25 N 至 75 N 階 段,2 種鎂合金的磨損量分別從 0. 041 g 和0. 054 g 增大至 0. 108 g 和 0. 126 g;當載荷從 75 N 增加至 150 N 時,磨損量分別變為 0. 126 g 和 0. 155 g,磨損 量的增加速度顯著降低。 在任一載荷條件下,擠壓 態 AZ91 鎂合金的磨損量都小于壓鑄態 AZ91 鎂合 金,隨著載荷的增加,擠壓態與壓鑄態 AZ91 鎂合金 磨損量之間的差距逐漸增大。

圖 5 示出載荷 100 N、磨損時間 60 min 條件下, 不同轉速對擠壓態和壓鑄態 AZ91 鎂合金摩擦因數 和磨損量的影響。 圖 5 ( a) 可知,在 2 種轉速下,2 種鎂合金的摩擦因數都隨著磨損時間的增加而降 低,擠壓態 AZ91 鎂合金的摩擦因數始終低于壓鑄態 AZ91 鎂合金。 低轉速時,摩擦因數曲線下降明 顯,分別從 0. 39 和 0. 405 降至 0. 294 和 0. 29,平均 差距約為 0. 006;高轉速時,摩擦因數變化趨勢較平 穩,變化量分別只有 0. 045 和 0. 05,平均差距達到 0. 021。 由圖 5(b)可知,在 2 種轉速下,2 種成形態 鎂合金的磨損量都隨著磨損時間的增加而增大,擠 壓態 AZ91 鎂合金的磨損量始終低于壓鑄態 AZ91 鎂合金。 低轉速下,2 種鎂合金的磨損量分別從 0. 023 g、0. 042 g 增大至 0. 11 g 和 0. 155 g,平均差距 約為0. 034 g;高轉速下,磨損量分別從0. 047、0. 065 g 增大至0. 175、0. 204 g,磨損量平均差距只有0. 018 g。

綜合載荷、轉速對擠壓態 AZ91 鎂合金、壓鑄態 AZ91 鎂合金摩擦因數和磨損量的影響,可以得出在 相同磨損條件下擠壓態 AZ91 鎂合金的摩擦磨損性 能優于壓鑄態 AZ91 鎂合金。 其原因有以下 2 個方 面:1)在摩擦磨損過程中,鎂合金內部的氣孔、縮松 受到周期性應力作用,產生很高的應力集中,容易 形成疲勞裂紋源。 而擠壓變形前進行的均勻化處 理能夠有效地消除鎂合金內部由于鑄造產生的氣 孔、縮松、針孔等缺陷,降低了在氣孔、縮松附近疲 勞裂紋源的形成,從而改善了 AZ91 鎂合金的摩擦 磨損性能;2)晶粒尺寸更小、位錯密度更高、β - Mg17Al12離散分布于 α - Mg 基體中形成的強化,都 使 AZ91 鎂合金的強度和硬度有所增加,也改善了 摩擦磨損性能。

2. 2 不同載荷下的摩擦磨損機制

圖 6 為不同載荷下擠壓態和壓鑄態 AZ91 鎂合 金磨損表面 XRD 衍射圖譜。 2 種鎂合金在經過不 同載荷的摩擦磨損試驗后,試樣表面主要物相依然 為 α - Mg 和 β - Mg17Al 12 ,同時均檢測出 MgO。 在 50 N 載荷下,主要物相依然為 α - Mg、β - Mg17Al 12和 MgO。 隨著載荷的增加,試樣表面在摩擦過程中 被氧化的程度加劇,在100 N 載荷下生成新相 MgAl 2O4 ,如圖 6(b)所示。 而載荷增加到 150 N 時,氧化程 度進一步加劇,2 種鎂合金磨損表面的 MgAl 2O4相含 量明顯增多,如圖 6(c)所示。

圖 7 為轉速 200 r/ min、磨損時間 60 min 條件 下,載荷為 50、100、150 N 時,擠壓態 AZ91 鎂合金和 壓鑄態 AZ91 鎂合金試樣表面磨損的 SEM 形貌及 EDS 圖譜。 由圖 7(a)、(b)可知,載荷為 50 N 時,試樣表面在平行于滑動方向上都出現輕微的溝槽,溝 槽兩側附著有顆粒狀的磨屑,壓鑄態 AZ91 鎂合金 試樣表面上,溝槽更深,邊緣呈鋸齒狀,兩側附著有 更多的顆粒狀磨屑,同時還附著有塊狀氧化膜碎 片。 由 50 N 載荷時的磨損表面 EDS 分析可知,兩 種鎂合金磨損表面的元素種類主要為 Mg、Al 和 O, 結合圖 6 可知,主要為 Mg 的氧化物。 鎂合金表面 氧化膜在周期性交變摩擦應力和熱應力共同作用 下,形成破裂、剝落的氧化鎂,說明此階段兩種鎂合 金發生了氧化磨損 。 由圖 7(c)、(d)可知:載荷 為 100 N 時,2 種鎂合金的磨損表面變得平整,平行 于滑動方向的溝槽變寬;在溝槽邊緣,顆粒狀的碎 屑減少,出現與基體分層的片狀磨屑;擠壓態 AZ91 鎂合金的磨損表面更加光滑、平坦,溝槽邊緣的分 層磨屑呈波浪狀,磨損情況略輕于壓鑄態 AZ91 鎂 合金。 由 100 N 載荷時的磨損表面 EDS 分析可知, 2 種鎂合金的磨損表面除了元素 Mg、Al 和 O 外,還 檢測到有 Fe 存在。 這說明在摩擦過程中,除了氧化 磨損,還對磨件上的材料發生轉移,產生粘著現象。 由圖 7(e)、(f)可知,載荷為 150 N 時,2 種鎂合金的 磨損表面不再平整,在局部區域形成剝落坑,剝落 坑邊緣附有大量與基體分層的片狀磨屑。 擠壓態 AZ91 鎂合金的剝落坑內附著有少量塊狀、顆粒狀的 磨屑,而壓鑄態 AZ91 鎂合金的表面有裂紋存在,剝 落坑中顆粒狀磨屑較少。 由 150 N 載荷時的磨損表 面 EDS 分析可知,2 種鎂合金的磨損表面上的主要 元素有 Mg、Al、O 和 Fe。 這說明在摩擦磨損過程中 發生了氧化磨損和粘著磨損。

綜上所述,擠壓態 AZ91 鎂合金和壓鑄態 AZ91 鎂合金在干滑動摩擦條件下具有相同的磨損機制: 在 50 N 載荷下,磨損機制為磨粒磨損和氧化磨損;在 100 N 載荷下,主要磨損機制為氧化磨損、粘著磨 損和輕微剝層磨損;在 150 N 載荷下,磨損機制為嚴 重剝層磨損、氧化磨損和粘著磨損。

3 結論

本文研究了 2 種成形態的 AZ91 鎂合金的摩擦 磨損行為,得到以下結論:

1)隨著載荷的增加,2 種成形鎂合金的摩擦因 數均減小,而磨損量增加。 隨著轉速的提高,2 種鎂 合金的摩擦因數均減小,而磨損量增大。 在相同磨 損條件下,擠壓態 AZ91 鎂合金的摩擦因數和磨損 量均低于壓鑄態 AZ91 鎂合金。

2)擠壓態 AZ91 鎂合金和壓鑄態 AZ91 鎂合金 在干滑動摩擦條件下具有相同的磨損機制。 50 N 載荷加載下的磨損機制主要為磨粒磨損和氧化磨 損。 100 N 載荷加載下的磨損機制主要為輕微剝層 磨損、粘著磨損和氧化磨損。 150 N 載荷加載下的 磨損機制為剝層磨損、氧化磨損和粘著磨損。