流變成形壓力對Al2Y/AZ91鎂基復(fù)合材料摩擦磨損行為的影響

劉　淵，閆　洪，王志偉

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流變成形壓力對Al2Y/AZ91鎂基復(fù)合材料摩擦磨損行為的影響

劉淵1，2，閆洪1，2，王志偉1，2

（1.南昌大學(xué)機電學(xué)院材料加工工程系，南昌330031；2.南昌市輕合金材料制備與加工重點實驗室，南昌330031）

摘要：采用銷盤式摩擦副，在轉(zhuǎn)速為100 r/min干摩擦條件下，結(jié)合OM、SEM結(jié)果，考察了不同載荷與成形壓力對流變成形Al2Y/AZ91鎂基復(fù)合材料（質(zhì)量分數(shù)2%Y）摩擦磨損性能的影響，并探究耐磨性與材料顯微組織、力學(xué)性能之間的關(guān)系.研究表明：在相同的實驗載荷下，隨著制備復(fù)合材料流變成形壓力的增加，材料的磨損質(zhì)量和摩擦系數(shù)減少，本實驗條件下最大成形壓力為100 MPa時磨損量和摩擦系數(shù)最小，摩擦磨損性能較佳；對于在相同成形壓力下制備的鎂基復(fù)合材料，磨損質(zhì)量隨著載荷的提升而增大，而摩擦系數(shù)有所降低.當載荷較小時，Al2Y/AZ91鎂基復(fù)合材料的磨損機制以磨粒磨損為主；隨著載荷的增大，磨損機制逐步發(fā)生轉(zhuǎn)變；當載荷較大時，磨損機制以剝層磨損為主.

關(guān)鍵詞：流變成形；Al2Y/AZ91鎂基復(fù)合材料；摩擦磨損；載荷；磨損機制

鎂基復(fù)合材料是目前實際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料之一，具有密度小，比強度和比剛度高，阻尼性、切削加工性和鑄造性能好等優(yōu)點，因此，越來越多的用于汽車、通訊和航天工業(yè)中［1-5］.鎂基復(fù)合材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用最為廣泛，腐蝕、磨損和斷裂是其主要的失效形式，目前對于鎂基復(fù)合材料磨損行為的研究比腐蝕和斷裂問題相對要少得多［6］；隨著鎂基復(fù)合材料應(yīng)用研究領(lǐng)域的擴大，有關(guān)鎂基復(fù)合材料摩擦磨損行為的研究逐漸得到重視.稀土元素具有獨特的核外電子排布，可以凈化合金液［7］，且我國稀土資源豐富，因而眾多學(xué)者將目光集中在稀土對鎂合金的作用上，許娟［8］等研究發(fā)現(xiàn)，向AZ91D鎂合金中添加稀土Y能夠細化晶粒，并可提高AZ91D鎂合金的耐腐蝕性能.杜磊［9］等發(fā)現(xiàn)AZ61合金中加入稀土La，可使合金的組織得到明顯地細化，并提高合金的顯微硬度.

流變成形是在較低的充型速度下，在封閉金屬模具中對半固態(tài)金屬施加較高壓力并使其凝固成形的一種新技術(shù)，是一種自動化程度和材料利用率高的近凈成形技術(shù)［10］.與普通鑄造相比，流變成形中半固態(tài)金屬在外壓力下結(jié)晶、凝固和成形，可以得到晶粒細小、致密、成分均勻的組織［11-12］；且在壓力作用下，流變成形可以生產(chǎn)出密度100%的致密產(chǎn)品.但目前有關(guān)流變成形鎂基復(fù)合材料摩擦磨損行為的報道尚鮮有報道.因此，本文結(jié)合稀土對鎂合金良好的改性作用和流變成形制備材料的優(yōu)點，探究AZ91鎂合金添加稀土元素Y獲得Al2Y/AZ91鎂基復(fù)合材料經(jīng)過流變成形后材料的摩擦磨損行為，以期為提升鎂合金的耐磨性及拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域奠定基礎(chǔ).

1　試 驗

1.1 試樣的準備

本文選用AZ91鎂合金作為基體材料，稀土Y以Mg-Y中間合金的形式加入，其加入量為2%（質(zhì)量分數(shù)），加入前將大塊的中間合金破碎成小顆粒，用鋁箔紙包好預(yù)熱到300℃待用.制備Al2Y/AZ91鎂基復(fù)合（質(zhì)量分數(shù)2%Y）材料的具體方法為:首先將AZ91鎂合金在坩堝中加熱融化至740～760℃，在熔體中加入自制覆蓋劑以防止熔體氧化燃燒；保溫10 min后將Mg-Y中間合金加入到熔體中，升溫至840℃下保溫10 min，溫度降至800℃超聲2 min，以保證原位反應(yīng)能均勻地在熔體中進行.將原位反應(yīng)形成的復(fù)合材料降溫至近液相線溫度，去除表面氧化夾渣后，超聲2 min以獲得Al2Y/AZ91鎂基復(fù)合材料半固態(tài)漿料，材料中各元素含量如表1所示.將其中一部分漿料澆鑄到預(yù)熱至300℃的模具中冷卻，獲得未經(jīng)過流變成形的 Al2Y/AZ91鎂基復(fù)合材料（成形壓力為0 MPa）.另一部分采用100 t液壓機進行流變成形，成形壓力分別取20，65，100 MPa，擠壓速度為0.03～0.06 m/s，保壓約30 s至逐漸完全凝固，并獲得成形件.

表1　Al2Y/AZ91鎂基復(fù)合材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)/%）

1.2 試驗方法

截取不同成形壓力下獲得的Al2Y/AZ91鎂基復(fù)合材料的相同部位，并加工成多根Φ4.5 mm× 12 mm的圓柱銷，而后對圓柱銷表面進行打磨拋光，最后用乙醇溶液對拋光表面進行清洗、吹干；同時對材質(zhì)為45#鋼、硬度約為45HRC的對摩盤進行相應(yīng)的打磨、拋光、清洗、吹干.摩擦磨損實驗在MMD-1型多功能摩擦磨損試驗機上以銷盤接觸式的干摩擦形式進行.實驗在固定滑動速度（100 r/min）和滑動時間（10 min），載荷（10，20，30，40，50，60，70 N）條件下進行.使用FA2204B電子天平（精度±0.000 1 g）稱量磨損試驗前后圓柱銷試樣的質(zhì)量并計算其磨損質(zhì)量，實驗結(jié)束后收集磨屑.采用Nican M300光學(xué)顯微鏡觀察不同成形壓力下制備的鎂基復(fù)合材料的顯微組織.圓柱銷試樣磨損表面經(jīng)超聲清洗后，利用掃描電鏡（SEM JSM6701F）觀察其磨損面的形貌，并對收集的磨屑進行電鏡觀察.拉伸性能測試在UTM5105型試驗機上進行，拉伸速度設(shè)定為0.5 mm/min.

2　結(jié)果與討論

2.1 顯微組織與力學(xué)性能

Al2Y/AZ91鎂基復(fù)合材料的顯微組織見圖1，可以看到:α-Mg，β-Mg17Al12，Al2Y是其主要組成相；鑄件的顯微組織為非枝晶組織，非枝晶組織內(nèi)分布著橢球狀顆粒.如圖1（a）所示，未經(jīng)過流變成形（成形壓力 0 MPa）的顯微組織中α-Mg顆粒大小差異很大，部分α-Mg顆粒可達300 μm，晶粒較組大，β-Mg17Al12相以灰黑色呈不規(guī)則網(wǎng)狀分布在晶界處［13］.經(jīng)過20 MPa壓力流變成形后，組織中α-Mg顆粒尺寸略微變小，如圖1（b）所示.經(jīng)65 MPa壓力流變成形后，α-Mg顆粒尺寸變小，大小相差不大，約為180 μm，圓整度提高，β-Mg17Al12分布更加均勻，同時生成了一些晶粒尺寸更小約50 μm的α-Mg，如圖1（c）所示.進一步增大流變成形壓力，材料的組織基本上沒有進一步的細化，如圖1（d）所示.

圖1　Al2Y/AZ91鎂基復(fù)合材料的顯微組織

圖2為不同成形壓力下Al2Y/AZ91鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能.由圖2可以看到，成形件的抗拉強度和伸長率隨著成形壓力的增大而增大，當成形壓力小于65 MPa之前，成形件的抗拉強度和伸長率增加幅度較大；當成形壓力大于65 MPa后，抗拉強度和伸長率增加幅度較小.成形件的力學(xué)性能在成形壓力達到100 MPa時達到最大，抗拉強度為222 MPa，伸長率為17.4%.這是因為在0～65 MPa時，由于晶粒細化和孔洞的減少，使Al2Y/AZ91鎂基復(fù)合材料的致密度得到提高.表2是通過阿基米德排水法測出的不同成形壓力下復(fù)合材料密度的變化，從而論證了材料致密度得到提高的事實.提高流變成形壓力能夠提高材料的力學(xué)性能，主要有兩個方面的原因.1）高壓能使原子的擴散激活能增大，當激活能增大，晶體的生長速度減小，因此，隨著成形壓力的增大，晶粒生長速度減小，晶粒尺寸變小，這有利于成形件力學(xué)性能的提高.2）成形壓力升高，可以提高成形件的致密度，減少成形件內(nèi)的縮孔縮松等鑄造缺陷，進一步提高成形件的力學(xué)性能；然而，當壓力增加到一定值后，孔隙不能再減少，特別是當密度接近其理論密度時就很難再增大.同時，冷卻速度受到模具液態(tài)表面間隙減少的影響而使冷卻速度減小，致使晶粒細化作用減小.因此，當成形壓力大于65 MPa后，增加壓力對鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能影響不大［14］.

圖2　不同成形壓力下Al2Y/AZ91鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能

表2　不同成形壓力下Al2Y/AZ91鎂基復(fù)合材料的密度

2.2 磨損量

圖3是不同成形壓力下制備的Al2Y/AZ91鎂基復(fù)合材料的磨損質(zhì)量隨載荷的變化.由圖3可以明顯地看出:這4種材料都表現(xiàn)出相同的趨勢，即復(fù)合材料的磨損量都隨著載荷的增大而上升.這與Archard理論分析認為，載荷（壓力）越大，磨損量也越大相符合.而且在摩擦過程中，磨損表面不可避免地發(fā)生溫度升高，且載荷越大，溫度升高越大.AZ91鎂合金的主要強化相是Mg17Al12，熔點低，約為462℃，熱穩(wěn)定性差，溫度升高時易于粗化和軟化，且為體心立方晶體結(jié)構(gòu)，與鎂基體的六方晶格不相協(xié)調(diào)，從而導(dǎo)致Mg/Mg17Al12界面的易脆性，因此，載荷越大，復(fù)合材料的耐磨性越差［5］.在相同的載荷下，添加質(zhì)量分數(shù)2%Y稀土且經(jīng)過100 MPa壓力流變成形后的鎂基復(fù)合材料磨損量最低，65 MPa的復(fù)合材料次之，20 MPa的復(fù)合材料磨損量高于前兩者，但相比于僅添加2%Y沒有經(jīng)過流變成形（成形壓力0 MPa）的復(fù)合材料磨損量有明顯地下降.這可能由多方面的因素共同作用決定:1）材料的耐磨性與其硬度存在很大的關(guān)系［15］，表3為不同成形壓力下Al2Y/AZ91鎂基復(fù)合材料的顯微硬度，在0～65 MPa隨著流變成形壓力的增加，材料的顯微硬度由64.32HV提高到91.67 HV，耐磨性也得到相應(yīng)的提高，繼續(xù)增加成形壓力至100 MPa對材料硬度提高不大；2）在0～65 MPa成形壓力的增加，使得α-Mg晶粒尺寸明顯變小，增強相β-Mg17Al12細化且分布更加均勻，不容易導(dǎo)致復(fù)合材料Mg/Mg17Al12界面的應(yīng)力集中，材料不容易發(fā)生脆性脫落，使得磨損量降低；3）流變成形使得成形件縮松、縮孔明顯改善，得到晶粒細小成分均勻的組織［16］，但65 MPa后繼續(xù)增加壓力，對復(fù)合材料的組織影響不明顯，因此，對材料性能影響也不大，這一點從復(fù)合材料的力學(xué)性能上也形成驗證.

圖3　不同成形壓力下Al2Y/AZ91鎂基復(fù)合材料隨載荷變化磨損質(zhì)量的改變

表3　不同成形壓力下Al2Y/AZ91鎂基復(fù)合材料的硬度

2.3 摩擦系數(shù)

平均摩擦系數(shù)是衡量材料耐磨性的一個重要參數(shù)，如圖4所示，這4種材料的平均摩擦系數(shù)隨著載荷的變化都展現(xiàn)出相同的規(guī)律:經(jīng)過流變成形的鎂基復(fù)合材料平均摩擦系數(shù)均低于僅添加2%Y稀土未經(jīng)過流變成形的復(fù)合材料，并隨著制備材料流變成形壓力的增加，平均摩擦系數(shù)逐步降低.僅添加2%Y稀土未經(jīng)過流變成形的鎂基復(fù)合材料的的平均摩擦系數(shù)約為0.45，添加了2%Y稀土并經(jīng)過流變成形后的復(fù)合材料的摩擦系數(shù)低于0.35.這是因為經(jīng)過流變成形后，α-Mg相與β-Mg17Al12相晶粒尺寸明顯變小，材料的力學(xué)性能與顯微硬度增加，耐磨性也得到相應(yīng)的提高，流變成形壓力的增大使得材料內(nèi)部縮松、縮孔的減少，使材料的相對滑動變得平穩(wěn).鎂基復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)隨著載荷的增加而下降，這是因為載荷的增加有利于改善材料表面的粗糙度，提高接觸面的面積.由于實際接觸面積與載荷的非線性關(guān)系，使得摩擦系數(shù)隨著載荷的增加而有所降低［17］，并使材料所承受的剪切應(yīng)力增加，隨著試樣表面溫度的增加，更容易發(fā)生塑性變形，使材料的摩擦因數(shù)減少；另一方面在低載荷下摩擦系數(shù)下降很快，隨著載荷的增加，摩擦系數(shù)下降的速度變緩.這是因為在低載荷下復(fù)合材料發(fā)生輕微的磨粒磨損，少量的磨削與復(fù)合材料表面的刮擦促進了氧化膜生成，生成的氧化膜在摩擦副之間起到了潤滑作用，使得摩擦系數(shù)降低迅速，隨著載荷的增加，磨損機制逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閯儗幽p，生成的氧化膜被撕裂，潤滑作用消失，摩擦系數(shù)下降變得緩慢.從圖5中可以看出，僅添加2%Y稀土未經(jīng)流變成形的材料摩擦系數(shù)波動較大，這是因為未經(jīng)過流變成形的復(fù)合材料的力學(xué)性能較差，在70 N載荷下，產(chǎn)生大量的剝層磨磨屑，這類磨屑卡在銷盤之間阻礙摩擦的正常進行，使得瞬時摩擦系數(shù)變化波動增大.

圖4　不同成形壓力下Al2Y/AZ91鎂基復(fù)合材料平均摩擦系數(shù)隨載荷的變化

圖5　載荷70 N時不同成形壓力對Al2Y/AZ91鎂基復(fù)合材料摩擦因數(shù)的影響

2.4 磨損形貌與機理分析

干摩擦過程中，載荷的變化使材料表現(xiàn)出不同的磨損機制，在10 N荷載下，鎂基復(fù)合材料的磨損表面有一些平行于滑動方向的犁溝可以在圖6中看到，這是典型的磨粒磨損.原因是相對滑動的接觸面之間并不是絕對光滑，在摩擦過程中磨盤或者復(fù)合材料上存在的一些粗糙顆粒，經(jīng)過相對滑動就會造成犁溝的產(chǎn)生.在低載荷下磨損量的增加也主要是因為磨粒磨損的加劇，隨著流變成形壓力的增加犁溝和劃痕變得更窄更淺.根據(jù)Archard的觀點［18］，力學(xué)性能強的鎂合金相比于質(zhì)軟的鎂合金具有更好的耐磨性.因此，對比圖6可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過流變成形的3種鎂基復(fù)合材料相比于僅添加2%Y稀土未經(jīng)過流變成形（成形壓力0 MPa）的復(fù)合材料，表面的犁溝和劃痕明顯變得更細更淺.其中添加了2%Y并在100 MPa下流變成形的鎂基復(fù)合材料的劃痕最淺.在70 N載荷下，Al2Y/AZ91鎂基復(fù)合材料的磨損表面可以觀察到大量的剝落坑，如圖7所示.這些特征表明了剝層磨損的發(fā)生，這是因為重復(fù)的大載荷磨損過程使復(fù)合材料產(chǎn)生疲勞磨損，鎂基復(fù)合材料表面最初的裂紋逐漸長大，最終在剪切力的作用下剝落，形成了圖8所示的片狀磨屑.這時主要的磨損機制應(yīng)是剝層磨損，相比于添加稀土并經(jīng)過流變成形的鎂基復(fù)合材料，僅添加2%Y稀土未經(jīng)過流變成形（成形壓力0 MPa）的鎂基復(fù)合材料表面的剝層更大，更深，且隨著流變成形壓力的增大，鎂基復(fù)合材料表面的剝落坑變得更小，更淺.這也說明流變成形使材料的磨損性能得到提高.

圖6　載荷10 N時不同成形壓力下Al2Y/AZ91鎂基復(fù)合材料表面磨損形貌的SEM圖

圖7　載荷70 N時不同成形壓力下Al2Y/AZ91鎂基復(fù)合材料表面磨損形貌的SEM圖

圖8　載荷70 N時不同成形壓力下Al2Y/AZ91鎂基復(fù)合材料磨削的SEM圖

3　結(jié) 論

1）Al2Y/AZ91鎂基復(fù)合材料表現(xiàn)出磨損量隨載荷的變大而增加，在相同載荷下，未經(jīng)過流變成形作用的鎂基復(fù)合材料的磨損量較大；經(jīng)過流變成形作用，復(fù)合材料的磨損量明顯降低，且隨成形壓力的增大而進一步降低.這表明流變成形后的Al2Y/AZ91鎂基復(fù)合材料的耐磨性更好，且成形壓力為100 MPa時較佳.

2）Al2Y/AZ91鎂基復(fù)合材料的摩擦系數(shù)在低載荷下下降很快，高載荷下下降緩慢.在本研究的實驗范圍內(nèi)，未經(jīng)過流變成形作用的鎂基復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)較大；經(jīng)過流變成形后，復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)明顯降低，且隨著成形壓力的增大而降低，當成形壓力為100 MPa時平均摩擦系數(shù)最低.

3）不同成形壓力下流變成形的Al2Y/AZ91鎂基復(fù)合材料在不同載荷下表現(xiàn)出不同的磨損機制，10 N載荷下，復(fù)合材料主要表現(xiàn)為磨粒磨損；70 N載荷下，未經(jīng)過流變成形的復(fù)合材料發(fā)生嚴重的剝層磨損，經(jīng)過100 MPa流變成形的鎂基復(fù)合材料發(fā)生輕微的剝層磨損.

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（編輯 呂雪梅）

閆 洪（1962—），男，教授，博士生導(dǎo)師.

中圖分類號：TG135.6

文獻標志碼：A

文章編號：1005-0299（2016）02-00029-07

doi:10.11951/j.issn.1005-0299.20160202

收稿日期：2015-09-02.

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（51364035）.

作者簡介：劉 淵（1992—），男，碩士研究生；

通信作者：閆 洪，E-mail:yanhong_wh@163.com.

Effects of rheological forming pressure on friction and wear characteristics of Al2Y/AZ91 magnesium matrix composites

LIU Yuan1，2，YAN Hong1，2，WANG Zhiwei1，2

（1.Department of Materials Processing Engineering，School of Mechanical and Electrical Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China；2.Key Laboratory of Light Alloy Preparation& Processing in Nanchang City，Nanchang 330031，China）

Abstract:The influence of different rheological forming pressure and loading on the friction and wear characteristics of Al2Y/AZ91 magnesium matrix composites were studied using a pin-on-disc configuration with 100 r/min and 10 min.The microstrure was observed using OM and SEM under dry sliding friction conditions.The relationship between the wear resistance and the microstructure was explored，which lays a foundation for broadening the application field of magnesium alloy.The results showed that with the increase of rheological forming pressure，the wear loss weight and friction coefficient reduced under the same load. The wear resistance of magnesium matrix composites with addition of 2wt%Y is the best state at rheological forming pressure of 100 MPa.Under the same rheological forming pressure，the wear loss weight increased and the friction coefficient decreased with the increase of load.When the load is small，the main wear mechanism is abrasive wear.The wear mechanism gradually changed to delamination wear with the increase of load.

Keywords:rheological forming；Al2Y/AZ91 magnesium matrix composites；friction and wear；loading；wear mechanism