成劍鋒，尹延國(guó)，李聰敏，沈 蘭，許 明

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

4032高硅鋁合金由于具有熱膨脹系數(shù)低、耐磨性能好、高溫強(qiáng)度高、抗腐蝕性好以及凝固流動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于承受中等載荷及形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)零件，車用渦旋式壓縮機(jī)渦旋盤常采用4032鋁合金制造[1]。傳統(tǒng)的渦旋盤摩擦副動(dòng)盤與靜盤均采用4032鋁合金制造，其中動(dòng)盤表面需經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化或鍍鎳等表面處理方法改性，其目的是增強(qiáng)動(dòng)盤的耐磨性，延長(zhǎng)使用壽命。但同時(shí)也增加了成本，不符合環(huán)保要求發(fā)展趨勢(shì)。因此，本試驗(yàn)對(duì)這一摩擦副組合從材料配方設(shè)計(jì)方面進(jìn)行優(yōu)化，考慮在靜盤材料中添加減摩組元來(lái)改善摩擦副的潤(rùn)滑狀態(tài)，提高其使用性能。

在鋁合金中添加低熔點(diǎn)的金屬元素可以顯著改善其減摩耐磨性能，常添加的元素有Sn、Pb、Bi等元素。Al-Sn系軸承合金是應(yīng)用較早的鋁基軸承合金，高錫鋁基軸承合金雖在減摩性、抗咬合性和嵌藏性等方面有較大優(yōu)勢(shì)，但其硬度和強(qiáng)度較低，承載能力差；低錫鋁基軸承合金承載能力有所提升，但減摩、抗粘著性能弱化，難以滿足動(dòng)、靜盤摩擦副較高強(qiáng)度與良好減摩耐磨性能的使用要求。Al-Pb系軸承合金因具有良好的減摩、耐磨性、抗咬合性能以及較強(qiáng)的承載能力獲得了廣泛應(yīng)用；隨著近年來(lái)對(duì)材料環(huán)保要求不斷提高，鉛類材料的使用也因此受到限制[2]。鉍是一種軟質(zhì)低熔點(diǎn)金屬，原子序數(shù)83，熔點(diǎn)為271 ℃，布氏硬度為9HB。Al-Bi系合金是一個(gè)偏晶合金系，基體組織中Bi相會(huì)以游離狀態(tài)存在。摩擦過(guò)程中由于摩擦熱的作用，游離狀態(tài)的Bi會(huì)從接觸表面析出，在表面起到潤(rùn)滑膜的作用，改善潤(rùn)滑狀態(tài)，增強(qiáng)鋁基材料摩擦副的減摩耐磨性能[3]。為此，本試驗(yàn)通過(guò)在4032鋁合金中添加Bi元素，探究鉍含量對(duì)其摩擦學(xué)性能的影響，以期為研發(fā)具有良好減摩耐磨性能的鋁基合金渦旋盤摩擦副材料提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)原材料為工業(yè)用4032鋁合金錠和純度為99.999%的鉍塊，4032鋁合金的化學(xué)成分見(jiàn)表1。用分析天平對(duì)4032鋁合金錠和鉍進(jìn)行稱量配料。由于摩擦磨損試驗(yàn)需要兩個(gè)試樣對(duì)磨，因此設(shè)計(jì)如圖1所示的上試樣和下試樣。上試樣材質(zhì)為4032鋁合金，其制作過(guò)程：將4032鋁合金原料在坩堝爐中熔化加熱至750 ℃保溫30 min，然后加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5% 的Al-Sr合金進(jìn)行變質(zhì)處理，通入氬氣進(jìn)行除氣處理，用石墨攪拌器進(jìn)行機(jī)械攪拌10 min，加入打渣劑清除雜質(zhì)后倒入水冷鐵模中成型。下試樣的制作過(guò)程：將3份4032鋁合金原料分別在坩堝爐中熔化加熱至850 ℃保溫30 min，保溫后分別加入配料比為w(Bi)=1%、3%、5%的不同量的鉍塊，然后加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的Al-Sr合金進(jìn)行變質(zhì)處理，通入氬氣進(jìn)行除氣處理，用石墨攪拌器進(jìn)行機(jī)械攪拌10 min，加入打渣劑清除雜質(zhì)后倒入水冷鐵模中成型，分別制備出w(Bi)=1%、3%、5%的4032鋁合金試樣。將澆注的上、下試樣一起進(jìn)行520 ℃4 h固溶處理和170 ℃6 h人工時(shí)效處理，以改善力學(xué)性能。上試樣經(jīng)機(jī)械加工制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，下試樣采用線切割、精銑和打磨成標(biāo)準(zhǔn)試樣。

1.2 試驗(yàn)方法

采用Leica DMI5000M臥式金相顯微鏡對(duì)拋光腐蝕后的上、下試樣表面鑄態(tài)組織進(jìn)行檢測(cè)。采用JSM-6490LV掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)下試樣磨痕區(qū)顯微形貌進(jìn)行觀測(cè)，利用其自帶的INCA能譜儀(EDS)對(duì)磨痕化學(xué)成分進(jìn)行檢測(cè)。

摩擦磨損試驗(yàn)在自制的HDM-20端面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，上試樣的端面為環(huán)形，摩擦接觸尺寸為Φ25 mm×Φ15 mm，厚度為8 mm，表面粗糙度Ra為0.2 μm，通過(guò)定位銷將上試樣固定在旋轉(zhuǎn)主軸上；下試樣尺寸為Φ50 mm×6 mm，固定在底座上，表面粗糙度Rm為0.2 μm，如圖1所示。試驗(yàn)載荷為800 N(2.5 MPa)，線速度為0.865 m/s，32號(hào)機(jī)械油浸油潤(rùn)滑，溫度為室溫，設(shè)定運(yùn)行時(shí)間為60 min。試驗(yàn)開(kāi)始前，對(duì)上、下試樣接觸表面進(jìn)行打磨拋光處理，用表面粗糙度儀對(duì)試驗(yàn)表面粗糙度進(jìn)行檢測(cè)，以保證所有上、下試樣表面的粗糙度一致。用丙酮清洗拋光后的試樣表面，在精度為0.001 g的GP-300型天平上對(duì)上、下試樣的質(zhì)量進(jìn)行稱量，取三次測(cè)量的平均值作為試樣的最終質(zhì)量。上、下試樣通過(guò)專用夾具固定在HDM-20端面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上，試驗(yàn)機(jī)上裝載的相關(guān)傳感器每秒會(huì)自動(dòng)采集記錄潤(rùn)滑油溫度、加載力、摩擦扭矩、主軸轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)。當(dāng)上、下試樣表面一旦咬合會(huì)導(dǎo)致摩擦扭矩超過(guò)極限設(shè)定值，扭矩傳感器自動(dòng)報(bào)警并停止試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，用丙酮清洗上、下試樣表面油污，并在恒溫干燥箱內(nèi)干燥后，在精度為0.001 g的分析天平上測(cè)量其質(zhì)量，用以對(duì)比試驗(yàn)前后上、下試樣質(zhì)量的變化。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 顯微組織與硬度

如圖2為不同鉍含量的4032鋁合金的金相組織。圖2中白色相為α-Al，灰黑色針狀相為共晶硅相，還有黑色的球狀相。w(Bi)=3%的4032鋁合金的高倍金相照片如圖3a所示，虛線框中球狀相是由灰黑色部分和灰色部分拼接而成，由圖3b、3c的XRD與SEM檢測(cè)結(jié)果顯示，Bi在合金中主要以Bi單質(zhì)和金屬間化合物Mg3Bi2的形式共存。黑色球狀相在SEM照片中為亮白和灰白拼接狀組織，經(jīng)EDS檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，其中亮白色為富Bi相，灰色為富Mg、富Bi組織，結(jié)合XRD檢測(cè)，它是Mg3Bi2相。合金中Mg、Al、Cu、Bi和Si的電負(fù)性分別為1.31、1.61、1.90、2.02和1.90，Mg與Bi的電負(fù)性相差最大使得兩者最容易形成金屬間化合物，因此合金中有Mg3Bi2形成。

圖1 上、下試樣對(duì)摩方式和磨痕示意圖Fig.1 Schematic diagram of friction pattern and mark of the upper and lower samples

圖2 加入不同鉍含量的4032鋁合金的金相組織Fig.2 Metallographic structure of 4032 aluminum alloy with different Bi contents added

同時(shí)由圖2可以看出，隨著鉍含量增加，黑色富鉍相開(kāi)始增多，但當(dāng)w(Bi)=5%時(shí)富Bi相尺寸達(dá)到50 μm，出現(xiàn)嚴(yán)重的偏聚現(xiàn)象。這是由于當(dāng)w(Bi)>3.4%時(shí)，在鋁合金凝固時(shí)存在液相分離，Bi相在鋁合金凝固之前開(kāi)始形核、長(zhǎng)大而形成大尺寸Bi相，因此出現(xiàn)了如圖2d所示的現(xiàn)象。同時(shí)，加入鉍后共晶硅形態(tài)發(fā)生明顯變化，其尺寸隨鉍含量升高而不斷減小。研究發(fā)現(xiàn)，鉍可以降低鋁熔體的表面張力導(dǎo)致Al與Si之間接觸角變小，使得Si生長(zhǎng)前端更容易被Al抑制，進(jìn)而減小了共晶硅的尺寸[9]。

圖3 加入w(Bi)=3%的4032鋁合金的高倍金相圖、XRD、SEM及EDS檢測(cè)結(jié)果Fig.3 High-magnitude metallographic diagram,XRD,SEM and EDS results of 4032 aluminum alloy with 3% Bi added

圖4所示為不同鉍含量的4032鋁合金的拉伸應(yīng)力隨伸長(zhǎng)率的變化規(guī)律圖，曲線上的數(shù)字代表不同鉍含量試樣的抗拉強(qiáng)度。由抗拉伸曲線可以看出，隨著鉍含量增加，試樣抗拉強(qiáng)度先增大后減小，伸長(zhǎng)率也表現(xiàn)出相同的規(guī)律。這是因?yàn)椋禾砑舆m量的鉍對(duì)共晶硅具有明顯的細(xì)化作用，細(xì)小的Si相有提高4032力學(xué)性能的作用[3]；富Bi相屬于軟質(zhì)相，與Al不互溶，過(guò)量的Bi相對(duì)基體的割裂作用比較明顯，故使其力學(xué)性能降低。

2.2 鉍含量對(duì)4032鋁合金減摩耐磨性能的影響

圖5所示為不同鉍含量的4032鋁合金的摩擦磨損特性。如5a圖可知，當(dāng)未添加鉍時(shí)合金在前10 min磨合期內(nèi)摩擦因數(shù)先增大后減小，10 min～17 min摩擦因數(shù)穩(wěn)定在0.07左右，整體摩擦因數(shù)較大且波動(dòng)明顯，17 min后摩擦副摩擦因數(shù)直線變大，伴隨有摩擦溫度的快速升高，表明摩擦副間油膜破裂產(chǎn)生粘著、咬合而失效；添加w(Bi)=1%的合金磨合期約為17 min，隨后在17 min～28 min的時(shí)間內(nèi)摩擦因數(shù)穩(wěn)定在0.05左右，28 min后摩擦因數(shù)有所上升，但直至60 min摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)束，摩擦副的摩擦因數(shù)仍維持在0.06～0.08之間波動(dòng)，摩擦副整體運(yùn)行平穩(wěn)，說(shuō)明合金的抗粘著、咬合能力得到改善；當(dāng)w(Bi)=3%時(shí)，摩擦磨損試驗(yàn)的磨合期約為5 min，隨后在5 min～60 min時(shí)間內(nèi)摩擦副的摩擦因數(shù)基本穩(wěn)定在0.028左右，而且期間的摩擦溫升也較小，摩擦副運(yùn)行非常平穩(wěn)，在試驗(yàn)期間內(nèi)摩擦副未發(fā)生咬合現(xiàn)象，表明含w(Bi)=3%的4032鋁合金表現(xiàn)出良好的減摩、抗粘著性能；隨著w(Bi)進(jìn)一步升高至5%，摩擦因數(shù)在經(jīng)歷12 min的磨合期后逐步下降穩(wěn)定在0.04左右，在37 min摩擦因數(shù)開(kāi)始上升并在0.05～0.06之間波動(dòng)，摩擦副整體運(yùn)行依然較為平穩(wěn)，合金也表現(xiàn)出較好的減摩、抗咬合能力，但與含w(Bi)=3%的4032鋁合金相比，其摩擦學(xué)性能已有所變差。從圖5b可以看出，含w(Bi)=3%的4032鋁合金磨損量最小，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗磨性能，未添加Bi的4032鋁合金磨損量最大。

圖5 不同鉍含量4032鋁合金摩擦磨損特性Fig.5 Friction and wear characteristics of 4032 aluminum alloy with different Bi contents

同時(shí)，為了進(jìn)一步研究鉍含量對(duì)4032鋁合金摩擦磨損穩(wěn)定性的影響，計(jì)算了整個(gè)摩擦磨損過(guò)程中摩擦因數(shù)的方差，方差可以在一定程度上反映整個(gè)摩擦過(guò)程的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)程度，如圖6所示。從圖6可以看出，隨著鉍含量的提高，摩擦副的摩擦因數(shù)的方差呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。一般在一個(gè)摩擦過(guò)程中，對(duì)方差影響較大的主要是磨合期和油膜破壞后的運(yùn)行階段。在磨合期內(nèi)，兩表面的微凸體會(huì)產(chǎn)生接觸，摩擦副摩擦因數(shù)總體較大，由圖5所示，含Bi的試樣摩擦副磨合期內(nèi)摩擦因數(shù)小，磨合期也短。不添加鉍的同種4032鋁合金相容性好，兩摩擦表面間油膜破壞后直接接觸容易導(dǎo)致粘著、甚至咬合，使得摩擦副的摩擦因數(shù)較大且波動(dòng)明顯，因而摩擦因數(shù)方差最大。含w(Bi)=1%材料摩擦副表面潤(rùn)滑隔離膜的存在，摩擦副摩擦因數(shù)減小而且平穩(wěn)，所以方差降低，但因?yàn)殂G含量少，Bi相隔離膜的連續(xù)性差，因而方差降低有限；當(dāng)添加w(Bi)=3%時(shí)，方差進(jìn)一步降低，這是因?yàn)槿鐖D2所示的富Bi相增多且分布均勻，摩擦磨損過(guò)程中潤(rùn)滑油膜破壞后易于形成連續(xù)、完整的富Bi相隔離膜，摩擦副運(yùn)行更加平穩(wěn)；當(dāng)添加w(Bi)=5%時(shí)，方差有所變大，這是因?yàn)閣(Bi)=5%時(shí)，Bi相易聚集變得粗大，分布不均勻，導(dǎo)致摩擦磨損過(guò)程中無(wú)法形成連續(xù)、完整的富Bi相隔離膜，局部區(qū)域富Bi相隔離膜較厚易剝落，反而削弱了合金摩擦磨損性能；同時(shí)含w(Bi)=5%的4032鋁合金的強(qiáng)度降低，對(duì)潤(rùn)滑膜的支撐作用減弱，也對(duì)潤(rùn)滑減摩性能不利，導(dǎo)致摩擦副摩擦因數(shù)增大以及平穩(wěn)性變差，所以相對(duì)于w(Bi)=3%的材料而言，摩擦因數(shù)方差有所變大。

圖6 鉍含量對(duì)摩擦因數(shù)方差的影響Fig.6 Effect of Bi content on friction factor variance

圖7所示為不同鉍含量4032鋁合金試樣磨痕表面形貌。從圖7a、b可以看出，磨損表面存在嚴(yán)重的粘著、撕裂、剝落及材料堆砌現(xiàn)象，說(shuō)明磨損界面間產(chǎn)生了嚴(yán)重的粘著磨損。這是由于摩擦對(duì)偶件材料也是4032鋁合金，摩擦磨損過(guò)程中潤(rùn)滑油膜一旦破裂，相同或相近的材料之間摩擦更容易產(chǎn)生粘著，進(jìn)而形成表面材料撕裂。隨著磨損進(jìn)行，摩擦表面溫度逐漸升高，摩擦表面硬度減小，粘著現(xiàn)象更加嚴(yán)重。當(dāng)w(Bi)=3%時(shí)(圖7c)，磨損表面出現(xiàn)了大面積的光滑磨損區(qū)域，粘著現(xiàn)象減輕。這是由于Bi在磨損界面間形成了固體潤(rùn)滑膜，在磨損中起補(bǔ)充、完善潤(rùn)滑油膜的作用，摩擦磨損過(guò)程中潤(rùn)滑油膜破裂時(shí)，富Bi相隔離膜阻礙摩擦副之間的直接接觸，使其不易產(chǎn)生粘著現(xiàn)象，因此磨痕表面較光滑，粘著輕微。而當(dāng)w(Bi)=5%時(shí)(圖7d)，磨損界面間出現(xiàn)了較多的脫落坑，說(shuō)明磨損開(kāi)始加劇，材料的減摩、抗粘著性能降低。

圖7 下試樣表面磨損形貌Fig.7 Surface wear morphologies of the sample

3 結(jié) 論

1)在4032鋁合金中添加鉍后形成了單質(zhì)Bi與化合物Mg3Bi2組成的富Bi相，Bi相的強(qiáng)度弱化與細(xì)晶強(qiáng)化的綜合作用，使得含w(Bi)=1%的4032鋁合金抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率都最高。

2)添加w(Bi)=3%的4032鋁合金的摩擦因數(shù)和磨損量最小，摩擦副運(yùn)行最為平穩(wěn)，磨痕表面較光滑，粘著輕微；適量的且分布均勻的富Bi相有利于形成連續(xù)、完整的富Bi潤(rùn)滑膜，改善潤(rùn)滑條件，提高4032鋁合金的摩擦磨損性能。