镁合金具有高比强度、高比模量、高阻尼、电磁 屏蔽以及优异的铸造、切削加工性和易回收等优 点,在汽车、电子、电器、交通、航空航天和国防军工 等领 域 具 有 重 要 的 应 用 价 值 和 广 阔 的 应 用 前 景。 AZ91 镁合金以其良好的铸造性能、抗腐蚀 性成为应用最广泛的 AZ 系镁合金,当其作为运动 部件承受连续或周期性摩擦时,表面不可避免地会 产生材料磨损;因此,摩擦磨损性能也成为衡量零 部件品质的一个重要指标。 目前,国内外学者从铸 造方法、热处理、表面强化、合金元素等方面对镁合金的摩擦磨损性能进行了研究 ,结果表明:铸造方法不同,镁合金的磨损性能不同;热处理能够一 定程度上改善镁合金的耐磨性能;稀土元素能够有 效改善镁合金的摩擦磨损性能,延缓镁合金由轻微 磨损向严重磨损转变;氧化铝纤维能提高 AZ91 镁 合金的耐磨性。 关于挤压态和压铸态 2 种成型方式 下摩擦磨损性能是否存在不同,还不明确。 本文拟 在镁合金的摩擦磨损行为方面开展研究工作,选用 挤压态和压铸态 AZ91 镁合金作为研究对象,选择 转速 200 r/ min、载荷 25 ～ 150 N,以及载荷 100 N、 转速 200 ～ 400 r/ min,磨损时间 60 min 的实验条件, 研究不同成形态 AZ91 镁合金摩擦因数和磨损量的 变化情况及规律,分析成形工艺对 AZ91 镁合金摩 擦磨损性能的影响,并探讨磨损机制。

1 试验材料及方法

本研究选用挤压态和 压 铸 态 AZ91 镁 合 金 (Mg - 9. 0Al - 0. 79Zn)作为试验材料。 滑动摩擦磨 损试验在 M - 2000 型磨损试验机上进行,采用环块 摩擦的方式,上试样为固定不动的夹具和待测试 样,下试样为转动的对磨件,如图 1 所示。 试样经线 切割加工为 14 mm × 9 mm × 4 mm 的长方体,镶嵌 于夹具中,由螺钉固定。 下试样为 GCr15 钢环,外 径为 40 mm,内径为 16 mm,厚度为 10 mm。 摩擦磨损试验在干滑动摩擦条件下进行。 下 试样转速设定为 200 r/ min,垂直加载载荷分别为 25、50、75、100、125 和 150 N,垂直加载载荷为 100 N、转速为 200 、400 r/ min 的条件下,磨损时间为 60 min。 摩擦因数 μ = Q/ P = T / RP ,其中 Q 为摩擦 力,T 为摩擦力矩,P 为试样所受的垂直载荷,R 为 钢环半径。 磨损量通过电子天平(精度 1 mg)测量 试样磨损前后的质量差得出。 试验前用酒精清洗 试样和对磨件,再用金相砂纸打磨试样待磨面和对 磨件表面,然后在抛光机上进行抛光处理。 挤压态AZ91 镁合金试样用 5 g 苦味酸、5 ml 冰乙酸、10 ml 蒸馏水、200 mL 无水乙醇混合配制而成的腐蚀液进 行腐蚀处理;压铸态 AZ91 镁合金试样用体积浓度 为 4% 的 硝 酸 酒 精 溶 液 进 行 腐 蚀 处 理, 之 后 在 OLYMPUS - TOKYO 生产的型号为 XM202 的金相 显微镜上观察试样的金相组织。 采用 HVS - 1000 型显微硬度计测量试样待测面和对磨件的显微硬 度,使用型号为 DX2500 型 X 线衍射仪分别对试验 前后的试样表面进行物相分析,使用 JSM - 7001FS 型场发射扫描电子显微镜观察试样磨损表面的形 貌并进行能谱分析。

2 试验结果与分析

图 2 为挤压态 AZ91 镁合金和压铸态 AZ91 镁 合金在磨损试验前待磨面的组织形貌图。 可以看 出:挤压态 AZ91 镁合金的晶粒呈不规则块状,拥有 清晰的晶界,平均晶粒尺寸约为 10 μm;压铸态 AZ91 镁合金为典型的树枝晶组织,在基体和晶界上 布满了不规则分布的网状黑色相,平均晶粒尺寸约 为 50 μm。

图 3 为磨损前挤压态 AZ91 镁合金和压铸态 AZ91 镁合金的 XRD 衍射图谱。 在 2 种镁合金中, 主要物相有 α - Mg 和 β - Mg17Al 12 。 从图中可以看 出,经过挤压变形后,α - Mg 的主峰度数发生了变 化。 压铸态 AZ91 镁合金的 α - Mg 主峰度数为 34. 5°,而挤压态 AZ91 镁合金的 α - Mg 主峰度数为 36. 4°,说明在挤压过程中晶粒发生了转动。 结合图 2可以看出 β - Mg17Al 12以不同的形式存在于2 种镁合金 中。 在压铸态 AZ91 镁合金中,β - Mg17Al 12呈网状结 构,分布于 α - Mg 基体和晶界上。 而在挤压态 AZ91 镁合金中,β - Mg17Al 12离散分布于 α - Mg 基体中。 试验前测量了挤压态 AZ91 镁合金、 压铸态 AZ91 镁合金待磨面及对磨件的显微硬度。 钢环的 平均显微硬度为 287,挤压态 AZ91 镁合金的平均显 微硬度为 76. 8,压铸态 AZ91 镁合金的平均显微硬 度为 67. 9。 挤压态 AZ91 镁合金显微硬度比压铸态 AZ91 镁合金高主要是因为晶粒尺寸、位错密度以及 弥散强化的综合作用。

2. 1 载荷、转速对摩擦磨损性能的影响

图 4 为转速 200 r/ m、磨损时间 60 min 的条件 下,不同载荷对挤压态和压铸态 AZ91 镁合金摩擦 因数及磨损量的影响。

从图中可以看出,2 种成形镁合金的摩擦因数变 化趋势相同,都随着载荷的增加而减小。 在 25 N 至 75 N 阶段,2 种镁合金的摩擦因数分别从 0. 62 和 0. 65降至 0. 33 和 0. 36,变化量均为 0. 39。 当载荷 从 75 N 增加至 150 N 时,摩擦因数变为 0. 26 和 0. 3,变化量分别为 0. 07 和 0. 06。 在任一载荷条件下, 挤压态比压铸态摩擦因数更低。 低载荷下,试样表 面部分区域被氧化,使得载荷增加初期摩擦因数变 化剧烈。 当载荷增加到一定程度后,氧化程度加 剧,试样表面被大量氧化膜覆盖,使摩擦因数的变 化趋于稳定。 2 种镁合金的磨损量变化趋势相同, 都随着载荷的增加而增大。 载荷从 25 N 至 75 N 阶 段,2 种镁合金的磨损量分别从 0. 041 g 和0. 054 g 增大至 0. 108 g 和 0. 126 g;当载荷从 75 N 增加至 150 N 时,磨损量分别变为 0. 126 g 和 0. 155 g,磨损 量的增加速度显著降低。 在任一载荷条件下,挤压 态 AZ91 镁合金的磨损量都小于压铸态 AZ91 镁合 金,随着载荷的增加,挤压态与压铸态 AZ91 镁合金 磨损量之间的差距逐渐增大。

图 5 示出载荷 100 N、磨损时间 60 min 条件下, 不同转速对挤压态和压铸态 AZ91 镁合金摩擦因数 和磨损量的影响。 图 5 ( a) 可知,在 2 种转速下,2 种镁合金的摩擦因数都随着磨损时间的增加而降 低,挤压态 AZ91 镁合金的摩擦因数始终低于压铸态 AZ91 镁合金。 低转速时,摩擦因数曲线下降明 显,分别从 0. 39 和 0. 405 降至 0. 294 和 0. 29,平均 差距约为 0. 006;高转速时,摩擦因数变化趋势较平 稳,变化量分别只有 0. 045 和 0. 05,平均差距达到 0. 021。 由图 5(b)可知,在 2 种转速下,2 种成形态 镁合金的磨损量都随着磨损时间的增加而增大,挤 压态 AZ91 镁合金的磨损量始终低于压铸态 AZ91 镁合金。 低转速下,2 种镁合金的磨损量分别从 0. 023 g、0. 042 g 增大至 0. 11 g 和 0. 155 g,平均差距 约为0. 034 g;高转速下,磨损量分别从0. 047、0. 065 g 增大至0. 175、0. 204 g,磨损量平均差距只有0. 018 g。

综合载荷、转速对挤压态 AZ91 镁合金、压铸态 AZ91 镁合金摩擦因数和磨损量的影响,可以得出在 相同磨损条件下挤压态 AZ91 镁合金的摩擦磨损性 能优于压铸态 AZ91 镁合金。 其原因有以下 2 个方 面:1)在摩擦磨损过程中,镁合金内部的气孔、缩松 受到周期性应力作用,产生很高的应力集中,容易 形成疲劳裂纹源。 而挤压变形前进行的均匀化处 理能够有效地消除镁合金内部由于铸造产生的气 孔、缩松、针孔等缺陷,降低了在气孔、缩松附近疲 劳裂纹源的形成,从而改善了 AZ91 镁合金的摩擦 磨损性能;2)晶粒尺寸更小、位错密度更高、β - Mg17Al12离散分布于 α - Mg 基体中形成的强化,都 使 AZ91 镁合金的强度和硬度有所增加,也改善了 摩擦磨损性能。

2. 2 不同载荷下的摩擦磨损机制

图 6 为不同载荷下挤压态和压铸态 AZ91 镁合 金磨损表面 XRD 衍射图谱。 2 种镁合金在经过不 同载荷的摩擦磨损试验后,试样表面主要物相依然 为 α - Mg 和 β - Mg17Al 12 ,同时均检测出 MgO。 在 50 N 载荷下,主要物相依然为 α - Mg、β - Mg17Al 12和 MgO。 随着载荷的增加,试样表面在摩擦过程中 被氧化的程度加剧,在100 N 载荷下生成新相 MgAl 2O4 ,如图 6(b)所示。 而载荷增加到 150 N 时,氧化程 度进一步加剧,2 种镁合金磨损表面的 MgAl 2O4相含 量明显增多,如图 6(c)所示。

图 7 为转速 200 r/ min、磨损时间 60 min 条件 下,载荷为 50、100、150 N 时,挤压态 AZ91 镁合金和 压铸态 AZ91 镁合金试样表面磨损的 SEM 形貌及 EDS 图谱。 由图 7(a)、(b)可知,载荷为 50 N 时,试样表面在平行于滑动方向上都出现轻微的沟槽,沟 槽两侧附着有颗粒状的磨屑,压铸态 AZ91 镁合金 试样表面上,沟槽更深,边缘呈锯齿状,两侧附着有 更多的颗粒状磨屑,同时还附着有块状氧化膜碎 片。 由 50 N 载荷时的磨损表面 EDS 分析可知,两 种镁合金磨损表面的元素种类主要为 Mg、Al 和 O, 结合图 6 可知,主要为 Mg 的氧化物。 镁合金表面 氧化膜在周期性交变摩擦应力和热应力共同作用 下,形成破裂、剥落的氧化镁,说明此阶段两种镁合 金发生了氧化磨损 。 由图 7(c)、(d)可知:载荷 为 100 N 时,2 种镁合金的磨损表面变得平整,平行 于滑动方向的沟槽变宽;在沟槽边缘,颗粒状的碎 屑减少,出现与基体分层的片状磨屑;挤压态 AZ91 镁合金的磨损表面更加光滑、平坦,沟槽边缘的分 层磨屑呈波浪状,磨损情况略轻于压铸态 AZ91 镁 合金。 由 100 N 载荷时的磨损表面 EDS 分析可知, 2 种镁合金的磨损表面除了元素 Mg、Al 和 O 外,还 检测到有 Fe 存在。 这说明在摩擦过程中,除了氧化 磨损,还对磨件上的材料发生转移,产生粘着现象。 由图 7(e)、(f)可知,载荷为 150 N 时,2 种镁合金的 磨损表面不再平整,在局部区域形成剥落坑,剥落 坑边缘附有大量与基体分层的片状磨屑。 挤压态 AZ91 镁合金的剥落坑内附着有少量块状、颗粒状的 磨屑,而压铸态 AZ91 镁合金的表面有裂纹存在,剥 落坑中颗粒状磨屑较少。 由 150 N 载荷时的磨损表 面 EDS 分析可知,2 种镁合金的磨损表面上的主要 元素有 Mg、Al、O 和 Fe。 这说明在摩擦磨损过程中 发生了氧化磨损和粘着磨损。

综上所述,挤压态 AZ91 镁合金和压铸态 AZ91 镁合金在干滑动摩擦条件下具有相同的磨损机制: 在 50 N 载荷下,磨损机制为磨粒磨损和氧化磨损;在 100 N 载荷下,主要磨损机制为氧化磨损、粘着磨 损和轻微剥层磨损;在 150 N 载荷下,磨损机制为严 重剥层磨损、氧化磨损和粘着磨损。

3 结论

本文研究了 2 种成形态的 AZ91 镁合金的摩擦 磨损行为,得到以下结论:

1)随着载荷的增加,2 种成形镁合金的摩擦因 数均减小,而磨损量增加。 随着转速的提高,2 种镁 合金的摩擦因数均减小,而磨损量增大。 在相同磨 损条件下,挤压态 AZ91 镁合金的摩擦因数和磨损 量均低于压铸态 AZ91 镁合金。

2)挤压态 AZ91 镁合金和压铸态 AZ91 镁合金 在干滑动摩擦条件下具有相同的磨损机制。 50 N 载荷加载下的磨损机制主要为磨粒磨损和氧化磨 损。 100 N 载荷加载下的磨损机制主要为轻微剥层 磨损、粘着磨损和氧化磨损。 150 N 载荷加载下的 磨损机制为剥层磨损、氧化磨损和粘着磨损。