过共晶铝硅合金耐磨性能的研究进展

第18卷 第4期

2011年8月

金属功能材料

M etallic Fu nctional M aterials

Vol. 18, No. 4August, 2011

过共晶铝硅合金耐磨性能的研究进展

杨 颖, 王宇鑫, 张 瑜, 王华钰, 严 彪

1, 2

1, 2

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1, 2

(11同济大学 材料科学与工程学院, 上海200092; 21上海市金属功能材料开发应用重点实验室, 上海200092) 摘 要:过共晶铝硅合金是一种软基体上分布着硬质点的理想轻质耐磨结构材料。研究表明影响其耐磨性能的主要因素包括微观结构和工况条件, 其中硅相的含量、形态、分布有非常大的影响。本文总结了过共晶铝硅合金的磨损机理和提高耐磨性能的工艺方法, 并对其以后的研究和发展方向进行了展望。关键词:过共晶铝硅合金; 耐磨性能; 微观结构

中图分类号:T G 146121 文献标识码:A 文章编号:1005-8192(2011) 04-0072-05

Development of Wear Resistance of

Hypereutectic Al -Si alloy

Y AN G Y ing , WA N G Y u -x in , ZH A N G Y ,

1, 21, 2

WA N G H ua -y u , Y AN Biao

(11Schoo l of M ateria ls Science and Engineer ing , T ongji U niv er sity , Shang hai 200092, China; 21Shanghai K ey L ab 1o f D&A for M eta-l F unctio na l M ater ials, Shanghai 200092, China)

Abstract:H ypereutect ic A-l Si allo y is an ideal light st ruct ur al material 1It has g ood w ear ing resistance for a go od distr ibut ion of har d par ticles on its soft matr ix 1R esear ch indicates that the main factor s affecting the abrasio n resist -ance include micr ostructure and wo rking conditio ns, especially the co ntent, mo rpho lo gy and distributio n of silicon phase 1T he w ear mechanism and appro ach to improv e wear resistance o f t he hypereutectic A-l Si allo y w ere summa -r ized in this paper , its future r esear ch and development dir ect ions are sugg ested as well 1Key words:hy per eutectic A -l Si alloy ; w ear r esistance; micr ostr ucture

1, 2

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过共晶铝硅合金是一种优良的耐磨材料, 它具有密度小、热膨胀系数低、热稳定性好、比强度高、耐

[1]

磨性高等特点。过共晶铝硅合金的常规凝固组织是由初生Si 和(A +Si) 共晶体组成, 其中初生Si 的显微硬度很高, 为H V1000~1300, 而A (A l) 的显微硬度仅为H V60~100, 是一种软基体上分布着硬质点的理想轻质耐磨结构材料[2]。与共晶型和亚共晶型铝硅合金相比, 过共晶A-l Si 合金的磨损率仅是共晶A-l Si 合金的磨损率的013~015, 仅为亚共晶A-l Si 合金的磨损率的011~012[3], 并具有高温强度高和尺寸稳定性好等优良特性。因此, 过共晶铝

硅合金作为耐磨材料广泛应用于阳极、汽缸盖、活塞、变速器壳、传动装置、排气管等零件。目前

一些国家已有一系列过共晶铝硅合金牌号, 并应用于载重汽车、小轿车和摩托车等发动机的活塞、汽缸衬套、汽缸盖等零件。本文综述了过共晶铝硅合金的磨损机理和提高耐磨性能的工艺方法。

[2, 6]

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1 过共晶铝硅合金的磨损机理

过共晶铝硅合金的磨损本质在于当赫兹应力及其在亚表面引起的最大切应力, 超过A -A1基体的屈服强度或硅颗粒与基体的结合强度时, 在合金的

基金项目:国家973项目子课题(N O 12007CB613900) , 上海市科学技术发展基金(08DZ2201300) 和上海市纳米专项(0752

nm004) 资助项目。

作者简介:杨颖(1989-) , 女, 贵州六盘水人, 硕士生。E -mail:yaing y@1631com 通讯作者:严彪(1961-) , 教授, 博士生导师, 江苏泰兴人。E -ma il:yanbiao tj@1631co m

表面和亚表面通过A -A1基体的开裂、硅颗粒与基体的分离、硅颗粒的碎化等机制而出现裂纹的萌生、扩展、断裂, 从而造成材料的磨损[4]。

研究表明影响合金耐磨性能的主要因素有两方面:一方面是内部因素, 包括合金的成分与显微组织; 另一方面是合金使用的工况条件, 包括干摩擦磨损和液体摩擦磨损。本文将就过共晶铝硅合金在不同工况条件下的磨损机理展开论述。111 干摩擦磨损

合金在干摩擦条件下的磨损表现为:在摩擦力作用下合金表面发生相互作用, 随后接触区表面性能发生变化, 最终表面层被破坏, 磨屑脱落。此3个阶段中, 粘着磨损和疲劳磨损同时发生。对于过共晶铝硅合金, 粘着机制是指较软的A 相突点被转移到配合面上造成材料的流失; 疲劳机制是指硅相在循环应力作用下的剥落及A 相产生塑性变形, 并在循环应力的作用下脱落[7]。

11111 不规则硅颗粒过共晶铝硅合金磨损 具有块状多角初晶硅和长针状共晶硅的过共晶铝硅合金在磨损过程中, 一方面尖角态硅相粒子易在磨损应力作用下于尖角处对较软的铝基体形成应力集中, 并在合金表面上产生微裂纹和硅颗粒脱落, 铝基体表面产生切削磨损形成一道道的沟痕。一方面由于尖角形态的硅相与铝基体的结合力作用较弱, 赫兹应力引起的最大切应力易引发大块初晶硅颗粒的断裂并与基体分离, 在亚表面造成微裂纹的萌生并在交变的赫兹应力作用下扩展和脆断, 从而在磨损表面出现层状或鳞片状剥落物留下的凹槽。另一方面剥离的硅相粒子作为硬质点在磨损面之间滑动, 相当于显微切削工具, 使磨损面被剪切、犁皱或切削, 造成合金快速磨损, 在合金表面留下宽而深的磨损沟槽[4]。该过程的主要磨损机理是剥层磨损[8, 9]。11112 硅颗粒细小规则的过共晶铝硅合金磨损 在较低载荷下由于作用于初生硅颗粒的局部应力小于其断裂应力, 初生硅相作为承载单元与配合面摩擦避免了铝基体的磨损, 随着摩擦过程的进行, 在摩擦表面形成氧化层并逐渐磨损剥落。其主要磨损机理是氧化磨损, 此时合金的磨损率随Si 含量的增高而减小; 在较高载荷下, 若其值超过某一临界载荷值, 作用于初生硅颗粒的局部应力将大于其断裂应力, 硅颗粒断裂并失去承载能力, 从而造成铝基体的直接磨损, 同时在硅颗粒与铝基体连接处亚表面产生较大应力, 形成裂纹和硅颗粒剥落, 最后较硬的硅颗粒碎粒陷入摩擦界面作为第三相磨粒进行磨损造

[7]

成纵向凹槽, 加剧了磨损。主要磨损机理是剥层磨损和第三相磨损[10]。

11113 表面磨损性能 合金在磨损过程中界面温度逐渐升高, 随着界面温度上升, 促进合金表面氧化, 同时减小了金属的直接接触磨损, 从而摩擦系数减小, 耐磨性能提高。但界面温度的升高, 由于材料的热软化性而使得材料表面不能传递载荷。有研究表明界面温度升高时, 材料表面磨损性能的主要控制因素是氧化物和热软化性。对于氧化物来说, 并不一定都有益于材料的耐磨性能, 这取决于其是否具有良好延展性、一定厚度及连续附着于摩擦表面, 否则氧化物成为坚硬的杂质颗粒。对于热软化性来说, 在亚表面区没有发生总体的塑性变形的一定温度范围内, 随着温度的升高, 由于材料的热软化性可能使其表面不能传递载荷。也就是说, 在表面区域没有发生总体塑性流动下, 稳定的表面能有效的传递载荷并降低磨损。

若材料表面区域发生总体塑性流动, 将扰动表面区, 从而导致金属磨损。Lingaurd 等人发现, 如果在表面不发生总体塑性变形, 那么材料将保持为氧化磨损。

112 液体摩擦磨损

在室温油润滑正常载荷下的过共晶铝硅合金的磨损机理可以分为3个阶段:最初的磨损发生在摩擦表面; 随后硅颗粒陷入铝基体, 铝在塑性变形作用下堆积在硅颗粒周围; 最后堆积的铝逐渐被磨损, 铝基体磨损的发生导致材料的流失。M 1Chen 等人[13]在低载荷润滑条件下发现了超轻度磨损(U MW) , 超轻度磨损是指磨损过程中颗粒不会断裂和陷入基体, 磨损仅限于硅颗粒顶部平行于滑动方向的磨损, 此时施加载荷产生的接触应力小于基体的硬度。合金的超轻微磨损仅限于硅颗粒表面, 或者硅颗粒陷入基体但基体未被磨损, 所以维持超轻微磨损状态的关键因素是保持有完整的大颗粒[5]。他还发现[13]具有大初生硅颗粒的过共晶铝硅合金在超轻微磨损状态下对减小磨损是有利的, 而Si 含量较高的合金虽然具有少量磨损但仍能有效的保持原有微观结构。

经过一定的滑动循环, 合金将由超轻微磨损转到轻微磨损, 如图1所示:首先, 在低循环下发生硅颗粒的磨损和断裂, 产生的硅颗粒碎片切断硅相和铝基体并陷入基体, 由于硅的承载能力降低, 随后铝基体直接接触摩擦配合面, 发生具有高磨损率的快速铝磨损, 同时碎落的硅颗粒在配合面间发生磨

[5]

[12]

[11]

粒磨损, 从而加剧了材料的流失, 标志着轻微磨损的开始。随着摩擦过程的继续进行, 由于残余油层的形成, 使得磨损减小, 磨损量趋于稳定化。在此过程

中从超轻度磨损(U MW) 到轻微磨损(MW ) 的转变标志是:硅颗粒磨损殆尽, 铝基体磨损成为主要磨损机理[5]

图1 过共晶铝硅合金的磨损机理示意图[5]:(a) 腐蚀后的初始表面状态; (b) 低循环下硅颗粒断裂并产生小碎片; (c) 碎片切断颗粒和基体, 并陷入其中; (d) Al 基体的完全颗粒磨损, 轻微磨损开始; (e) 形成残余油层, 磨损量稳定。Fig 11 Schematic illustration of the wear mechanisms in hypereutectic A -l Si alloys [5]:

(a ) Initial etched surface; (b) fracture of Si particles at low cycles; (c) sink -in of particles after fracture;

(d) wear of Al; (e) formation of oil residue layer

M 1Chen 等人观察到在更多次数的滑动循

环后, 在塑性应变作用下产生了高强度的超细铝晶粒, 增加了滑动变形的阻力, 而这些亚结构形成的坚硬亚表面有利于残余油层的形成, 从而形成了光滑稳定的表层结构。他们认为这种超细铝晶粒亚结构上形成的残余油层, 阻碍磨损进行和磨损率的降低, 在任何成分和结构的初始合金中都会产生。

[14]

变质处理, 得到的合金组织中块状初晶硅棱角钝化尺寸明显减小, 长针状共晶硅也变为球状和颗粒状, 增加了硅相与基体的结合力, 提高硅颗粒的断裂抗力和合金的强度与塑性, 从而提高合金耐磨性能。

姚奕、鲁鑫等人[16, 17]指出向过共晶铝硅合金(A390) 中加入适量的Bi, 由于Bi 的熔点仅有270e , 在摩擦过程中容易融化而渗出, 形成有效的铋润滑膜, 对摩擦表面起到自润滑作用, 降低了合金的摩擦系数、磨损量及摩擦表面的温度, 改善了摩擦性能的稳定性。

(2) 半固态触变成形 李树索等人实验得出, 经过半固态触变成形过共晶铝硅合金显微组织中, 初晶硅形貌变得圆整, 近球形A 相中有细小弥散的硅颗粒析出, 共晶硅呈细小的短棒状或颗粒状。其试样在干摩擦磨损条件下的耐磨性均较P 变质金属型试样明显提高, 他们认为初晶硅尺寸形貌的改善、共晶硅的细化、大量近球形A 相的析出以及近球形A 相中硅相的脱溶是造成这一结果的主要原因。

(3) 电磁搅拌 毛卫民等人[2]对A-l 24%Si 过共晶合金电磁搅拌实验研究发现, 电磁搅拌的机械破碎、摩擦作用、抑制择优生长作用、促进熟化和变质细化作用, 均引起初生硅细化和圆整化。同时, 王洪亮

[18]

[7]

2 提高耐磨性能的方法

211 细化硅相

在含Si 量较高的过共晶铝硅合金的组织中易出现大量的块状多角初晶硅和长针状共晶硅。虽然这些硅相作为硬质点在一定程度上可提高合金的耐磨性, 但由于不规则的尖角状硅相在应力集中作用下容易在与铝基体的连接处产生裂纹, 在一定程度上降低合金的耐磨性能, 同时合金的力学性能恶化。因此可以通过适当的方法细化硅相以提高合金耐磨性能。

(1) 元素变质处理 姜启等人采用含TiC 和RE 的JH SM 复合变质剂对过共晶A1-20Si(质量百分数) 合金进行变质处理, 得到细小块状初生硅, 平均尺寸从变质前的150L m 减小到22L m , 变质及T6热处理后的过共晶A 1-20Si 合金的磨损率降低。

刘扭参对过共晶铝硅合金进行P 和RE 复合

[4]

[15]

实验表明强磁场下电磁振荡对铝硅合金初

生相尺寸分布会有影响, 引发初生A -Al 向颗粒状组织转变。因此得到的细化和圆整化微观组织有利于耐磨性能的提高。

(4) 喷射成型 喷射成型是快速凝固的一种工艺, 能制备具有细小弥散的高硅含量铝硅合金。喷射成型过共晶铝硅合金的磨损表面较为平整, 磨损机理主要是氧化磨损, 这是由于摩擦表面的众多细小硅颗粒与基体的结合力强, 不易断裂剥落, 仅在表面形成氧化层和剥落[8, 19]。212 添加增强相

(1) D -Al 2O 3短纤维增强的铝硅合金金属基复合材料 通过变质液体浸润技术制备平面无序的铝氧短纤维增强A-l Si 金属基复合物, 在干摩擦下, 随纤维体积分数的增加, 合金塑性变形区减小, 磨损率减小, 摩擦系数减小。

(2) 碳纳米管增强铝基复合材料 丁志鹏等人[22]采用无压渗透法制备了碳纳米管增强铝基复合材料, 制得的碳纳米管均匀地分散于复合材料中, 且与铝基体结合良好。碳纳米管的加入提高了复合材料的硬度, 并且由于碳纳米管的自润滑和增强作用, 使得复合材料的摩擦系数和磨损率随着碳纳米管体积分数的增大而减小, 极大地改善了铝合金材料的摩擦性能。

另外, 陈跃[23]认为在基体合金、颗粒尺寸和体积分数相同的条件下, SiC 增强铝基复合材料的摩擦磨损性能优于Al 2O 3增强铝基复合材料。增大颗粒尺寸或增加颗粒体积分数均使得SiC 颗粒增强铝基复合材料的平均摩擦系数有所降低, 耐磨性能提高。213 其他工艺方法

(1) 添加Cu D 1K 1Dw ivedi 等人

[11]

[20, 21]

从而提高了材料的耐磨性能。

(3) 电子束合金化处理 王英等人[25]采用电子束表面合金化技术对ZL109铝硅合金进行表面强化处理, 研究结果表明, 铝硅合金经电子束表面合金化处理后, 组织高度细化, 形成具有网状骨骼的亚共晶组织, 同时生成许多金属间化合物等强化相而使材料表面硬度大幅度提高, 耐磨性能优于高镍铸铁。

另外, 过热处理可以改善材料的耐磨性, 尤其是高载荷下的耐磨性。过热处理形成细小的初生硅弥散分布于基体, 从而提高材料耐磨性[26]。此外, 可以利用铝硅合金高温摩擦使得表层硅相细化和球化, 采用高温摩擦的方法对铝硅合金坯料表面层进行加工, 使组织中的所有硅相(包括初生硅和共晶硅) 都同时细化和球化, 可提高合金的耐磨性能。

[20]

3 研究展望

过共晶铝硅合金是一种软基体上分布着硬质点的理想轻质耐磨结构材料, 目前国内外对过共晶铝硅合金耐磨性能的研究主要在部分条件下发生的磨损行为, 然而合金的摩擦磨损可以发生在众多环境中, 因此还需进一步的多方面研究。在基于目前提出的理论上所实践的各项提高合金耐磨性能的工艺方法, 还未能很有效的广泛用于工业生产, 尚需进一步的研究开发。

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对过共晶

铝硅合金添加Cu 的研究表明, 添加Cu 后增加了基体硬度和滑动表面的氧化, 同时加强表面氧化层的

附着力, 从而减小了磨损并增加了传递载荷。在低载荷下铜对氧化磨损没有影响, 但在高载荷下当合金含有较高铜(3%~5%) 时将增加合金的磨损率。对于过共晶铝硅合金(A-l 18%S-i 015%M g ) 来说

当滑动速率低于210m/s 时添加铜将增加过度载荷, 但当铜量超过2%后不再对过度载荷有影响。(2) 离子注入SiC 增强铝硅合金 X 1Y 1Li 等人[24]通过向SiC 增强铝硅合金中注入氮离子, 提高了材料的硬度和耐磨性能。离子注入后合金表面的微观结构发生改变, 在注入层形成氮化物, 产生某些沉淀, 同时在一定深度处形成非晶硅分散于铝基体,

76

56:5605~56161

金属功能材料 2011年

[22]丁志鹏, 张孝彬, 等1[J ]1浙江大学学报(工学版) , 2005, 39

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收稿日期:2010-05-19

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第18卷 第4期

2011年8月

金属功能材料

M etallic Fu nctional M aterials

Vol. 18, No. 4August, 2011

过共晶铝硅合金耐磨性能的研究进展

杨 颖, 王宇鑫, 张 瑜, 王华钰, 严 彪

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(11同济大学 材料科学与工程学院, 上海200092; 21上海市金属功能材料开发应用重点实验室, 上海200092) 摘 要:过共晶铝硅合金是一种软基体上分布着硬质点的理想轻质耐磨结构材料。研究表明影响其耐磨性能的主要因素包括微观结构和工况条件, 其中硅相的含量、形态、分布有非常大的影响。本文总结了过共晶铝硅合金的磨损机理和提高耐磨性能的工艺方法, 并对其以后的研究和发展方向进行了展望。关键词:过共晶铝硅合金; 耐磨性能; 微观结构

中图分类号:T G 146121 文献标识码:A 文章编号:1005-8192(2011) 04-0072-05

Development of Wear Resistance of

Hypereutectic Al -Si alloy

Y AN G Y ing , WA N G Y u -x in , ZH A N G Y ,

1, 21, 2

WA N G H ua -y u , Y AN Biao

(11Schoo l of M ateria ls Science and Engineer ing , T ongji U niv er sity , Shang hai 200092, China; 21Shanghai K ey L ab 1o f D&A for M eta-l F unctio na l M ater ials, Shanghai 200092, China)

Abstract:H ypereutect ic A-l Si allo y is an ideal light st ruct ur al material 1It has g ood w ear ing resistance for a go od distr ibut ion of har d par ticles on its soft matr ix 1R esear ch indicates that the main factor s affecting the abrasio n resist -ance include micr ostructure and wo rking conditio ns, especially the co ntent, mo rpho lo gy and distributio n of silicon phase 1T he w ear mechanism and appro ach to improv e wear resistance o f t he hypereutectic A-l Si allo y w ere summa -r ized in this paper , its future r esear ch and development dir ect ions are sugg ested as well 1Key words:hy per eutectic A -l Si alloy ; w ear r esistance; micr ostr ucture

1, 2

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过共晶铝硅合金是一种优良的耐磨材料, 它具有密度小、热膨胀系数低、热稳定性好、比强度高、耐

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磨性高等特点。过共晶铝硅合金的常规凝固组织是由初生Si 和(A +Si) 共晶体组成, 其中初生Si 的显微硬度很高, 为H V1000~1300, 而A (A l) 的显微硬度仅为H V60~100, 是一种软基体上分布着硬质点的理想轻质耐磨结构材料[2]。与共晶型和亚共晶型铝硅合金相比, 过共晶A-l Si 合金的磨损率仅是共晶A-l Si 合金的磨损率的013~015, 仅为亚共晶A-l Si 合金的磨损率的011~012[3], 并具有高温强度高和尺寸稳定性好等优良特性。因此, 过共晶铝

硅合金作为耐磨材料广泛应用于阳极、汽缸盖、活塞、变速器壳、传动装置、排气管等零件。目前

一些国家已有一系列过共晶铝硅合金牌号, 并应用于载重汽车、小轿车和摩托车等发动机的活塞、汽缸衬套、汽缸盖等零件。本文综述了过共晶铝硅合金的磨损机理和提高耐磨性能的工艺方法。

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[4, 5]

1 过共晶铝硅合金的磨损机理

过共晶铝硅合金的磨损本质在于当赫兹应力及其在亚表面引起的最大切应力, 超过A -A1基体的屈服强度或硅颗粒与基体的结合强度时, 在合金的

基金项目:国家973项目子课题(N O 12007CB613900) , 上海市科学技术发展基金(08DZ2201300) 和上海市纳米专项(0752

nm004) 资助项目。

作者简介:杨颖(1989-) , 女, 贵州六盘水人, 硕士生。E -mail:yaing y@1631com 通讯作者:严彪(1961-) , 教授, 博士生导师, 江苏泰兴人。E -ma il:yanbiao tj@1631co m

表面和亚表面通过A -A1基体的开裂、硅颗粒与基体的分离、硅颗粒的碎化等机制而出现裂纹的萌生、扩展、断裂, 从而造成材料的磨损[4]。

研究表明影响合金耐磨性能的主要因素有两方面:一方面是内部因素, 包括合金的成分与显微组织; 另一方面是合金使用的工况条件, 包括干摩擦磨损和液体摩擦磨损。本文将就过共晶铝硅合金在不同工况条件下的磨损机理展开论述。111 干摩擦磨损

合金在干摩擦条件下的磨损表现为:在摩擦力作用下合金表面发生相互作用, 随后接触区表面性能发生变化, 最终表面层被破坏, 磨屑脱落。此3个阶段中, 粘着磨损和疲劳磨损同时发生。对于过共晶铝硅合金, 粘着机制是指较软的A 相突点被转移到配合面上造成材料的流失; 疲劳机制是指硅相在循环应力作用下的剥落及A 相产生塑性变形, 并在循环应力的作用下脱落[7]。

11111 不规则硅颗粒过共晶铝硅合金磨损 具有块状多角初晶硅和长针状共晶硅的过共晶铝硅合金在磨损过程中, 一方面尖角态硅相粒子易在磨损应力作用下于尖角处对较软的铝基体形成应力集中, 并在合金表面上产生微裂纹和硅颗粒脱落, 铝基体表面产生切削磨损形成一道道的沟痕。一方面由于尖角形态的硅相与铝基体的结合力作用较弱, 赫兹应力引起的最大切应力易引发大块初晶硅颗粒的断裂并与基体分离, 在亚表面造成微裂纹的萌生并在交变的赫兹应力作用下扩展和脆断, 从而在磨损表面出现层状或鳞片状剥落物留下的凹槽。另一方面剥离的硅相粒子作为硬质点在磨损面之间滑动, 相当于显微切削工具, 使磨损面被剪切、犁皱或切削, 造成合金快速磨损, 在合金表面留下宽而深的磨损沟槽[4]。该过程的主要磨损机理是剥层磨损[8, 9]。11112 硅颗粒细小规则的过共晶铝硅合金磨损 在较低载荷下由于作用于初生硅颗粒的局部应力小于其断裂应力, 初生硅相作为承载单元与配合面摩擦避免了铝基体的磨损, 随着摩擦过程的进行, 在摩擦表面形成氧化层并逐渐磨损剥落。其主要磨损机理是氧化磨损, 此时合金的磨损率随Si 含量的增高而减小; 在较高载荷下, 若其值超过某一临界载荷值, 作用于初生硅颗粒的局部应力将大于其断裂应力, 硅颗粒断裂并失去承载能力, 从而造成铝基体的直接磨损, 同时在硅颗粒与铝基体连接处亚表面产生较大应力, 形成裂纹和硅颗粒剥落, 最后较硬的硅颗粒碎粒陷入摩擦界面作为第三相磨粒进行磨损造

[7]

成纵向凹槽, 加剧了磨损。主要磨损机理是剥层磨损和第三相磨损[10]。

11113 表面磨损性能 合金在磨损过程中界面温度逐渐升高, 随着界面温度上升, 促进合金表面氧化, 同时减小了金属的直接接触磨损, 从而摩擦系数减小, 耐磨性能提高。但界面温度的升高, 由于材料的热软化性而使得材料表面不能传递载荷。有研究表明界面温度升高时, 材料表面磨损性能的主要控制因素是氧化物和热软化性。对于氧化物来说, 并不一定都有益于材料的耐磨性能, 这取决于其是否具有良好延展性、一定厚度及连续附着于摩擦表面, 否则氧化物成为坚硬的杂质颗粒。对于热软化性来说, 在亚表面区没有发生总体的塑性变形的一定温度范围内, 随着温度的升高, 由于材料的热软化性可能使其表面不能传递载荷。也就是说, 在表面区域没有发生总体塑性流动下, 稳定的表面能有效的传递载荷并降低磨损。

若材料表面区域发生总体塑性流动, 将扰动表面区, 从而导致金属磨损。Lingaurd 等人发现, 如果在表面不发生总体塑性变形, 那么材料将保持为氧化磨损。

112 液体摩擦磨损

在室温油润滑正常载荷下的过共晶铝硅合金的磨损机理可以分为3个阶段:最初的磨损发生在摩擦表面; 随后硅颗粒陷入铝基体, 铝在塑性变形作用下堆积在硅颗粒周围; 最后堆积的铝逐渐被磨损, 铝基体磨损的发生导致材料的流失。M 1Chen 等人[13]在低载荷润滑条件下发现了超轻度磨损(U MW) , 超轻度磨损是指磨损过程中颗粒不会断裂和陷入基体, 磨损仅限于硅颗粒顶部平行于滑动方向的磨损, 此时施加载荷产生的接触应力小于基体的硬度。合金的超轻微磨损仅限于硅颗粒表面, 或者硅颗粒陷入基体但基体未被磨损, 所以维持超轻微磨损状态的关键因素是保持有完整的大颗粒[5]。他还发现[13]具有大初生硅颗粒的过共晶铝硅合金在超轻微磨损状态下对减小磨损是有利的, 而Si 含量较高的合金虽然具有少量磨损但仍能有效的保持原有微观结构。

经过一定的滑动循环, 合金将由超轻微磨损转到轻微磨损, 如图1所示:首先, 在低循环下发生硅颗粒的磨损和断裂, 产生的硅颗粒碎片切断硅相和铝基体并陷入基体, 由于硅的承载能力降低, 随后铝基体直接接触摩擦配合面, 发生具有高磨损率的快速铝磨损, 同时碎落的硅颗粒在配合面间发生磨

[5]

[12]

[11]

粒磨损, 从而加剧了材料的流失, 标志着轻微磨损的开始。随着摩擦过程的继续进行, 由于残余油层的形成, 使得磨损减小, 磨损量趋于稳定化。在此过程

中从超轻度磨损(U MW) 到轻微磨损(MW ) 的转变标志是:硅颗粒磨损殆尽, 铝基体磨损成为主要磨损机理[5]

图1 过共晶铝硅合金的磨损机理示意图[5]:(a) 腐蚀后的初始表面状态; (b) 低循环下硅颗粒断裂并产生小碎片; (c) 碎片切断颗粒和基体, 并陷入其中; (d) Al 基体的完全颗粒磨损, 轻微磨损开始; (e) 形成残余油层, 磨损量稳定。Fig 11 Schematic illustration of the wear mechanisms in hypereutectic A -l Si alloys [5]:

(a ) Initial etched surface; (b) fracture of Si particles at low cycles; (c) sink -in of particles after fracture;

(d) wear of Al; (e) formation of oil residue layer

M 1Chen 等人观察到在更多次数的滑动循

环后, 在塑性应变作用下产生了高强度的超细铝晶粒, 增加了滑动变形的阻力, 而这些亚结构形成的坚硬亚表面有利于残余油层的形成, 从而形成了光滑稳定的表层结构。他们认为这种超细铝晶粒亚结构上形成的残余油层, 阻碍磨损进行和磨损率的降低, 在任何成分和结构的初始合金中都会产生。

[14]

变质处理, 得到的合金组织中块状初晶硅棱角钝化尺寸明显减小, 长针状共晶硅也变为球状和颗粒状, 增加了硅相与基体的结合力, 提高硅颗粒的断裂抗力和合金的强度与塑性, 从而提高合金耐磨性能。

姚奕、鲁鑫等人[16, 17]指出向过共晶铝硅合金(A390) 中加入适量的Bi, 由于Bi 的熔点仅有270e , 在摩擦过程中容易融化而渗出, 形成有效的铋润滑膜, 对摩擦表面起到自润滑作用, 降低了合金的摩擦系数、磨损量及摩擦表面的温度, 改善了摩擦性能的稳定性。

(2) 半固态触变成形 李树索等人实验得出, 经过半固态触变成形过共晶铝硅合金显微组织中, 初晶硅形貌变得圆整, 近球形A 相中有细小弥散的硅颗粒析出, 共晶硅呈细小的短棒状或颗粒状。其试样在干摩擦磨损条件下的耐磨性均较P 变质金属型试样明显提高, 他们认为初晶硅尺寸形貌的改善、共晶硅的细化、大量近球形A 相的析出以及近球形A 相中硅相的脱溶是造成这一结果的主要原因。

(3) 电磁搅拌 毛卫民等人[2]对A-l 24%Si 过共晶合金电磁搅拌实验研究发现, 电磁搅拌的机械破碎、摩擦作用、抑制择优生长作用、促进熟化和变质细化作用, 均引起初生硅细化和圆整化。同时, 王洪亮

[18]

[7]

2 提高耐磨性能的方法

211 细化硅相

在含Si 量较高的过共晶铝硅合金的组织中易出现大量的块状多角初晶硅和长针状共晶硅。虽然这些硅相作为硬质点在一定程度上可提高合金的耐磨性, 但由于不规则的尖角状硅相在应力集中作用下容易在与铝基体的连接处产生裂纹, 在一定程度上降低合金的耐磨性能, 同时合金的力学性能恶化。因此可以通过适当的方法细化硅相以提高合金耐磨性能。

(1) 元素变质处理 姜启等人采用含TiC 和RE 的JH SM 复合变质剂对过共晶A1-20Si(质量百分数) 合金进行变质处理, 得到细小块状初生硅, 平均尺寸从变质前的150L m 减小到22L m , 变质及T6热处理后的过共晶A 1-20Si 合金的磨损率降低。

刘扭参对过共晶铝硅合金进行P 和RE 复合

[4]

[15]

实验表明强磁场下电磁振荡对铝硅合金初

生相尺寸分布会有影响, 引发初生A -Al 向颗粒状组织转变。因此得到的细化和圆整化微观组织有利于耐磨性能的提高。

(4) 喷射成型 喷射成型是快速凝固的一种工艺, 能制备具有细小弥散的高硅含量铝硅合金。喷射成型过共晶铝硅合金的磨损表面较为平整, 磨损机理主要是氧化磨损, 这是由于摩擦表面的众多细小硅颗粒与基体的结合力强, 不易断裂剥落, 仅在表面形成氧化层和剥落[8, 19]。212 添加增强相

(1) D -Al 2O 3短纤维增强的铝硅合金金属基复合材料 通过变质液体浸润技术制备平面无序的铝氧短纤维增强A-l Si 金属基复合物, 在干摩擦下, 随纤维体积分数的增加, 合金塑性变形区减小, 磨损率减小, 摩擦系数减小。

(2) 碳纳米管增强铝基复合材料 丁志鹏等人[22]采用无压渗透法制备了碳纳米管增强铝基复合材料, 制得的碳纳米管均匀地分散于复合材料中, 且与铝基体结合良好。碳纳米管的加入提高了复合材料的硬度, 并且由于碳纳米管的自润滑和增强作用, 使得复合材料的摩擦系数和磨损率随着碳纳米管体积分数的增大而减小, 极大地改善了铝合金材料的摩擦性能。

另外, 陈跃[23]认为在基体合金、颗粒尺寸和体积分数相同的条件下, SiC 增强铝基复合材料的摩擦磨损性能优于Al 2O 3增强铝基复合材料。增大颗粒尺寸或增加颗粒体积分数均使得SiC 颗粒增强铝基复合材料的平均摩擦系数有所降低, 耐磨性能提高。213 其他工艺方法

(1) 添加Cu D 1K 1Dw ivedi 等人

[11]

[20, 21]

从而提高了材料的耐磨性能。

(3) 电子束合金化处理 王英等人[25]采用电子束表面合金化技术对ZL109铝硅合金进行表面强化处理, 研究结果表明, 铝硅合金经电子束表面合金化处理后, 组织高度细化, 形成具有网状骨骼的亚共晶组织, 同时生成许多金属间化合物等强化相而使材料表面硬度大幅度提高, 耐磨性能优于高镍铸铁。

另外, 过热处理可以改善材料的耐磨性, 尤其是高载荷下的耐磨性。过热处理形成细小的初生硅弥散分布于基体, 从而提高材料耐磨性[26]。此外, 可以利用铝硅合金高温摩擦使得表层硅相细化和球化, 采用高温摩擦的方法对铝硅合金坯料表面层进行加工, 使组织中的所有硅相(包括初生硅和共晶硅) 都同时细化和球化, 可提高合金的耐磨性能。

[20]

3 研究展望

过共晶铝硅合金是一种软基体上分布着硬质点的理想轻质耐磨结构材料, 目前国内外对过共晶铝硅合金耐磨性能的研究主要在部分条件下发生的磨损行为, 然而合金的摩擦磨损可以发生在众多环境中, 因此还需进一步的多方面研究。在基于目前提出的理论上所实践的各项提高合金耐磨性能的工艺方法, 还未能很有效的广泛用于工业生产, 尚需进一步的研究开发。

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对过共晶

铝硅合金添加Cu 的研究表明, 添加Cu 后增加了基体硬度和滑动表面的氧化, 同时加强表面氧化层的

附着力, 从而减小了磨损并增加了传递载荷。在低载荷下铜对氧化磨损没有影响, 但在高载荷下当合金含有较高铜(3%~5%) 时将增加合金的磨损率。对于过共晶铝硅合金(A-l 18%S-i 015%M g ) 来说

当滑动速率低于210m/s 时添加铜将增加过度载荷, 但当铜量超过2%后不再对过度载荷有影响。(2) 离子注入SiC 增强铝硅合金 X 1Y 1Li 等人[24]通过向SiC 增强铝硅合金中注入氮离子, 提高了材料的硬度和耐磨性能。离子注入后合金表面的微观结构发生改变, 在注入层形成氮化物, 产生某些沉淀, 同时在一定深度处形成非晶硅分散于铝基体,

76

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