文章编号: 1004-0609(2006)07-1219-08
含稀土镁合金的摩擦磨损性能
祁庆琚
(宝山钢铁股份有限公司 技术中心, 上海 201900)
摘 要: 研究稀土对AZ91和AM60镁合金摩擦磨损性能的影响。 结果表明: 在所研究的范围内, 稀土镁合金的摩擦磨损特性明显优于基体合金; 含稀土镁合金与不含稀土镁合金的磨损速率都随载荷的增加而增加, AZ91镁合金的耐磨性要远远高于AM60稀土镁合金。 磨损机制在实验条件下都相同, 均发生由轻微磨损向严重磨损的转变; 稀土的加入细化合金组织, 改善镁合金的综合性能, 增强磨损表面氧化膜的稳定性, 提高稀土镁合金的承载能力, 有效地延迟由轻微磨损向严重磨损的转变过程。
关键词: AZ91; AM60; 稀土; Mg-Al合金; 摩擦磨损
中图分类号: TG136 文献标识码: A
Friction and wear characteristics of
rare earth-containing magnesium alloy
QI Qing-ju
(Technology Center, Baoshan Iron and Steel Co., Ltd, Shanghai 201900, China)
Abstract: The influence of rare earth on the friction and wear characteristics of AZ91 and AM60 magnesium alloys was studied. The results show that the wear resistance properties of rare-earth magnesium alloys are better than those of matrix alloy under the testing conditions. The anti-wear behaviour of AZ91 alloy is much better than that of AM60 alloy. In dry sliding process, magnesium alloys undergo a transition from mild wear to severe wear. The addition of rare earths refines the structure of alloys, improves the comprehensive behaviors of magnesium alloys, increases the stability of oxidation films on worn surfaces, enhances the loading ability of rare-earth magnesium alloys, and delays the transition from mild wear to severe wear effectively.
Key words: AZ91; AM60; rare earth; magnesium alloy; friction and wear
为了节省材料与能源, 轻型铸件的研制与开发已成为一个重要的研究领域和发展方向。 镁合金是目前实际应用中最轻的金属结构材料, 具有密度小, 比强度和比刚度高, 阻尼性、 切削加工性和铸造性能好等优点, 因此, 越来越多的镁合金产品已用于汽车、 通讯和航天工业中[1-5]。 其中, 得到最广泛应用的就是AZ91和AM60镁合金, 约占汽车应用中的90%[6]。 现在, 对镁合金的研究领域正不断拓展, 但是有关其摩擦磨损行为的数据非常少。 磨损在许多工程应用中是一个严重的问题, 虽然只是一个表面现象, 但是它能损害工程部件的力学性能。 此外, 磨损也能降低公差精度, 破坏表面精整度, 从而导致过早地更换零部件。 虽然目前不期望镁合金能用于如轴承或齿轮等承受严重磨损的场合, 但在镁合金的某些应用中, 包括汽车制动装置、 发动机部件(活塞和汽缸内腔)等, 要经受滑动运动, 在材料加工、 装配过程中, 例如滚压、 挤压、 锻造等, 磨损也是重要的考虑因素。 因此, 研究镁合金的摩擦磨损性能是很有必要的。
稀土是镁合金的主要合金元素, 能改善镁合金的许多性能[7, 8]。 本文作者在此研究稀土对镁合金AZ91和AM60摩擦磨损性能的影响。
1 实验
实验采用AZ91和AM60合金作为基体合金。 稀土以富铈混合稀土的形式加入, 最终制得镁合金的铈稀土含量(质量分数)分别为0.2%、 0.4%、 0.6%、 0.8%和1.0%。
[BJ(,,,][BJ)] 第16卷第7期 祁庆琚: 含稀土镁合金的摩擦磨损性能 含稀土镁合金的摩擦磨损实验在MM-2000型高速高温磨损试验机上采用销-盘磨损形式进行。 试样加工成直径为6mm, 高度为12mm的销, 偶件为5CrNiMo合金盘, 其尺寸为d70mm×10mm, 硬度为55HR。 实验条件为干摩擦, 环境温度25℃, 滑动速度0.628m/s, 载荷20~110N。 试样表面用1000#的SiC砂纸抛光, 表面粗糙度Ra为0.3μm, 在摩擦磨损前后均用丙酮清洗。 摩擦因数值可以通过实验机上自动记录的摩擦力矩经换算得出。 磨损质量损失采用质量损失表示, 用感量为0.1mg电光分析天平测量, 用JXA-840型扫描电镜观察材料表面磨损形貌和磨屑形貌。
2 结果与讨论
2.1 含稀土镁合金的显微组织
图1所示为含稀土镁合金与不含稀土镁合金的显微组织, 稀土含量为0.6%。 从图中可以看出, 加入稀土后, 组织得到了明显细化, 变得更加致密、 均匀, 这也是稀土的主要作用之一[9-11]。 AZ91和AM60合金组织由α-Mg基体和沿晶界不规则分布的β相(Mg17Al12)组成(图1(a, c))。 在AM60中由于铝含量低, β相也大大减少。 加入稀土后, 析出了棒状或针状金属间相——Al11RE3相[12], 而β相相对减少, 这一点对于AM60合金尤为明显(图1(b, d))。
2.2 稀土镁合金的拉伸性能与硬度
图2与图3所示为镁合金的拉伸性能与硬度曲线。 从图中可看出, 随稀土含量的增加, 这些性能均得到改善。 在拉伸性能方面, 稀土对AM60合金的影响更为显著, 这可能与其铝含量低有关, 这一点也导致了如前所述的β相的减少与铝在基体中的固溶度降低, 所以AM60合金的硬度要比AZ91合金低得多。
2.3 稀土镁合金的摩擦学特性
图4所示为含稀土镁合金与不含稀土镁合金的[CM(22]摩擦因数与载荷的关系曲线。 由图可以看出,
图1 含稀土镁合金与不含稀土镁合金的组织形貌
Fig.1 Microstructures of magnesium alloys with or without rare earth
图2 镁合金的拉伸性能
Fig.2 Tensile properties of magnesium alloys
图3 镁合金的硬度
Fig.3 Hardness of magnesium alloys
图4 摩擦因数与载荷的关系曲线
Fig.4 Relations between friction coefficient and load
AM60合金的摩擦因数比AZ91合金的高, 加入稀土的镁合金的摩擦因数均低于镁合金基体, 反映了含稀土镁合金与不含稀土镁合金在摩擦性能上的不同。 镁合金的摩擦因数随实验载荷增加有减少的趋势并逐渐趋于平稳。 载荷是通过接触面积的大小和变形程度来影响摩擦磨损特性的。 在滑动摩擦过程中金属表面处于弹塑性接触状态, 由于实际接触面积与载荷的非线性关系, 使得摩擦因数随着载荷的增加而有所降低[13]。
图5所示为含稀土镁合金与不含稀土镁合金的磨损质量损失与载荷的关系曲线。 由图可知, 含稀土镁合金与基体的磨损质量损失都随着磨损过程的进行而增加, 但相比之下, 含稀土镁合金的磨损量增加较缓。 与AZ91合金相比, AM60合金的磨损量要高得多。 从图中还可看到, 磨损曲线上都有转折点, 说明材料的磨损机制随载荷的增加发生了由轻微磨损到严重磨损的转变。 在严重磨损阶段, AM60合金的磨损曲线要比AZ91合金的平缓一些。 对于AZ91合金, 含稀土镁合金的转变点要比基体合金增加了20N左右。 对于AM60合金, 含稀土镁合金与不含稀土镁合金的转变点相差不多, 但是含稀土镁合金的磨损量要比基体镁合金低很多。
图5 磨损量与载荷的关系曲线
Fig.5 Relations between wear mass loss and load
如图6所示, 在较低载荷下, 含稀土镁合金磨损率较小, 磨面上可看到平整的滑痕与细小的沟槽, 但在所有情况下, AM60合金的磨损情况都比AZ91合金要严重。 对低载荷磨损条件下的镁合金的磨损表面进行能谱分析时, 发现其主要含有O、 Mg、 Al、 Zn、 Fe等元素, 表明该表面层是由这些金属元素的氧化物构成的。 AM60合金在低载荷下也存在类似的情况。 该氧化物层不仅起到润滑作用, 而且有效地隔离了两个摩擦表面, 减少了金属与偶件之间发生直接接触, 使材料的摩擦因数降低, 磨损量减少, 此时磨损机制为氧化磨损。 提高载荷后, 镁合金的磨损率增大, 磨面上的犁沟变得深而宽, 并有块状金属剥落现象, 基体镁合金尤为明显, 这表明此时的磨损机制已由氧化磨损转化为剥层磨损。
综合所有情况来看, 在相同磨损条件下, 含稀土镁合金要比基体镁合金明显耐磨。 稀土元素与氧、 硫等杂质元素有较强的结合力, 抑制了这些杂质元素所引起的组织疏松; 在熔炼过程中, 稀土元素能与水气和镁液中的氢反应, 生成稀土氢化物和稀土氧化物以除去氢气, 减少气孔、 针孔及缩松等铸造缺陷, 提高了铸件质量, 减少了在摩擦过程中裂纹源的产生。 稀土元素还可以净化晶界, 增加晶界强度, 使裂纹不易在晶界处产生[14]。
AZ91合金的主要强化相是Mg17Al12相, 熔点低, 大约为462℃, 热稳定性差, 温度升高时易于粗化和软化, 且为体心立方晶体结构, 与镁基体的六方晶格不相协调, 从而导致了Mg/Mg17Al12界面的易脆性。 稀土加入后, 稀土会优先与铝化合生成化学稳定性更高的Al11RE3相[10], Al11RE3相的熔点很高, 而且在温度升高时稀土元素的扩散速度很慢, 这使得Al11RE3相有高的热稳定性, 因此能有效阻碍温度升高时晶界的滑动和裂纹的扩展, 改善了高温性能。 稀土对镁合金磨损性能的改善作用在高载荷下更为显著。 在材料摩擦过程中, 磨损表面不可避免会发生温度升高, 在大气环境中, 金属摩擦副的摩擦性能几乎无法避免氧化作用的影响, 摩擦表面的氧化物层对摩擦磨损起着非常重要的作用。 稀土元素在氧化物膜与基体界面发生了偏聚, 提高了氧化物膜的粘着力[15], 细化了膜的组织, 有助于提高膜的耐磨性和抗剥离能力, 这样形成的氧化物膜比较稳定, 故增强了含稀土镁合金的承载能力。 加入稀土后, 稀土化合物在镁合金中的固溶强化作用提高了镁合金的硬度与屈服强度, 并且随着稀土含量的增加, 镁合金的硬度与屈服强度也逐渐升高, 如图2和3所示, 这也在一定程度上改善了镁合金的磨损性能。 因此稀土的加入有效推迟了镁合金从轻微磨损到严重磨损的转变。
图7所示为含稀土镁合金与不含稀土镁合金磨损试样在50N时亚表面的金相组织形貌。 在基体镁合金中能够清楚地看到塑性变形区, 并且合金相也发生了严重变形(见图7(a)和(d))。 AZ91合金加入稀土后, 在同样载荷下没有发现明显的塑性变形(见图7(b)), 当进一步增大载荷时, 也发生了塑性流变。 但对于AM60合金, 当载荷为50N时变形就已经十分明显了。
图8所示为镁合金亚表层的SEM形貌。 从图中可看到, 在高载荷下有裂纹生成, 其中有一些裂纹平行于磨损表面并最终扩展到表面, 另外还有一些裂纹尚未扩展到表面。 如果微裂纹有一端尚未扩展到表面, 则不至于使表面马上剥离, 但随着裂纹[CM(22]不断扩展, 最终会使表面脱落, 从而形成片状磨屑。 因此, 对于含稀土镁合金与不含稀土镁合金来说, 在严重阶段的磨损机理都是相同的, 均为剥层磨损。
图6 含稀土镁合金与不含稀土镁合金的磨损表面形貌
Fig.6 Worn surface morphologies of magnesium alloys with or without RE
图9所示为含稀土镁合金与不含稀土镁合金的磨屑形貌。 在周期性的交变摩擦应力和热应力的共同作用下, 镁合金摩擦表面的氧化层不可避免地会产生显微裂纹。 裂纹的不断扩展, 导致氧化膜最终破裂剥落而形成磨屑。 由于稀土的加入能有效阻碍合金表面显微裂纹的扩展, 因此含稀土镁合金的磨
图7 含稀土镁合金与不含稀土镁合金亚表面的光学显微结构
Fig.7 Optical microstructures of worn surfaces of magnesium alloys with or without RE
图8 镁合金在90N时的截面SEM形貌
Fig.8 SEM morphologies of cross sections of magnesium alloys at 90N
图9 含稀土镁合金与不含稀土镁合金的磨屑形貌
Fig.9 Debris morphologies of magnesium alloys with or without rare earth (p=50N, t=10min)
屑尺寸要比基体合金的小很多。 而在基体合金中观察到尺寸较大的片状金属磨屑产生, 并有金属光泽, 较小尺寸磨屑的产生对含稀土镁合金磨损表面影响较小, 摩擦副接触表面的状态不会发生明显变化, 因此含稀土镁合金的磨损率可以长期保持稳定, 而尺寸较大磨屑的产生则会使基体合金的摩擦接触表面状态恶化, 切削作用及剥层磨损加剧, 磨损质量损失随载荷的增加而急剧上升。
3 结论
1) 稀土的加入改善了镁合金的摩擦磨损性能。 在所研究的实验条件范围内, 含稀土镁合金的摩擦因数稳定地低于基体镁合金。
2) 在干摩擦条件下, AZ91与AM60合金的磨损机制是相同的, 均发生了从轻微磨损(主要为氧化磨损)到严重磨损(主要为剥层磨损)的转变。
3) 稀土元素的加入改善了镁合金的综合性能, 增强了磨损表面氧化膜的稳定性, 提高了含稀土镁合金的承载能力, 从而有效延迟了从轻微磨损向严重磨损的磨损机制的转变。
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(编辑何学锋)
收稿日期: 2005-11-04; 修订日期: 2006-04-03
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