增强镁合金耐磨性研究方法的总结

尹鹏跃　张嘉璐　王云乐　李煜

摘 要：镁合金是目前实际生产应用中最轻的金属材料，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，镁合金产品越来越多的用于汽车、通讯和航天工业中。

关键词：镁合金 摩擦 磨损

中图分类号：TG146 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）01（c）-0024-01

Abstract：High specific stiffness，damping，the advantages of machining and foundry properties etc.Therefore， magnesium alloy products are used more and more in the automotive，communications and aerospace industries.

Key Words：Magnesium Alloy；Friction；Wear

但由于镁合金及镁基复合材料零部件在使用过程中因相对运动不可避免地与其他材料接触并产生摩擦磨损，而其耐磨性较差，在汽车发动机零部件上的应用受到一定限制[1]。为了改善镁合金的性能，学者们通过对镁合金进行不同方法的处理，来寻找可以提高镁合金性能的方法。该文总结了目前对提高镁合金摩擦磨损性能研究的一些成果，并提出了一些新型研究技术。

1 镁合金的摩擦磨损

镁合金的摩擦磨损大致可分为4个阶段：较低载荷，产生磨粒磨损，氧化磨损，此时在犁沟中分布有大量坑状剥落；较高载荷，产生剥层磨损，此时出现唇边及裂纹现象；高载荷，产生粘着磨损，此时犁沟更加平滑，磨损表面较为光滑；更高载荷，产生熔融磨损，辅以粘着磨损进行，此时犁沟表面十分光滑，可看到严重塑性变形现象。

常见的镁合金有Mg-Al-Zn系、Mg-A1-Si系和稀土镁合金，它们都表现出了良好的力学性能和耐热性，在摩擦磨损过程中有一定的承载能力，磨损之后的热稳定性也较好。

Mg-Al-Zn系合金主要有Mg-3A1-1Zn（AZ31）和Mg-9Al-1Zn（AZ91）等。AZ91镁合金相比AZ31镁合金的耐高温和耐磨性要好一点。根据刘英[2]等的研究，AZ91镁合金在较高载荷（150～200 N）下，出现了塑性变形和剥落块。而据赵旭[3]等的研究，AZ31镁合金在中等载荷（75～100 N）时，磨损表面就出现了大块状磨屑剥落。

Mg-A1-Si系合金主要有AS41 （4.50%A1、0.31%Mn、1.53%Si、Mg余量）和AS21（2.0%A1、0.70%Si、0.20%Zn、0.36%Mn、Mg余量）。Mg-A1-Si系合金的耐热性要好一点，主要用于汽车发电机支架和空冷发动机曲轴箱上的风扇腔等。据林强[4]等的研究，AS41镁合金主要由基体（α-Mg相）和第二相（Mg17Al12、Mg2Si和MgO）组成，在200 ℃时除伸长率较室温时有所增加外，抗拉强度和屈服强度均比室温时显著下降，摩擦学性能在200 ℃也优于室温。

镁合金在加入稀土后，组织得到了明显细化，变得更加致密、均匀，这一定程度上可以增加镁合金的耐磨性。据祁庆琚[5]的研究，以AZ91和AM60合金作为基体合金，加入富铈混合稀土制的稀土镁合金，随稀土含量的增加拉伸性能与硬度都得到改善，而且稀土镁合金的摩擦因数均低于镁合金基体，稀土的加入使镁合金的力学性能得到明显的增强。

2 不同的表面改性技术对镁合金耐磨性的影响

2.1 微弧氧化镁合金膜层

传统的镁合金阳极氧化技术所得的膜层薄且疏松多孔，不能有效地对基体进行防护。微弧氧化技术是在传统的阳极氧化基础上发展起来的，使用较高的电压，超出普通阳极氧化的法拉第区，在火花放电区进行表面氧化处理，所得氧化物陶瓷层与传统阳极氧化膜层相比，综合性能大大提高[6]。氧化膜的主要磨损形式为表面微区脆性断裂，其磨损率远低于镁合金，比镁合金下降一个数量级。因此微弧氧化处理镁合金表面，可以显著提高镁合金硬度，耐磨和耐腐蚀性。

2.2 激光处理镁合金表面改性

普通阳极氧化，微弧氧化，处理后外层膜太脆，而采用化学转化膜和镀镍，其溶液会污染环境[7]。激光表面改性技术是近年来兴起的一种新型技术，通过在镁基体材料表面熔覆上一层具有优异的机械、物理和化学性能的非晶涂层，以提高涂层耐磨性和耐蚀性。具体技术有激光表面重熔、激光表面合金化、和激光熔覆[8]。激光处理可以使镁合金表面覆盖一层其他合金的膜，大大降低镁合金的摩擦系数。

2.3 搅拌摩擦加工表面改性技术

搅拌摩擦加工表面改性技术利用搅拌头所造成加工区域材料的剧烈塑性变形、混合、破碎，实现材料微观组织细化、均匀化和致密化。利用搅拌摩擦加工技术在镁合金表面制备复合层，可以显著提高材料的表面性能。利用这种技术，将高强度纳米粒子融入镁合金，使镁合金具有高的强度和硬度，提高表面抗摩擦磨损性能[9]。

3 结语

目前提高镁合金摩擦磨损性能的方法主要分为两大类，一是改变镁合金的不同元素配比，二是对镁合金的表面进行改性操作。也有通过高温处理，改善镁合金的整体结构来进行研究。国外有学者将镁合金进行超低温处理，然后再在常温下研究镁合金的性能。不同的工艺方法，对镁合金力学性能的影响也不同，对于增强镁合金摩擦磨损特性的方法，总是在探索中才能找到。随着科学技术的日益更新，相信研究者们可以找到更好的方法来提高镁合金的耐磨性。

参考文献

[1] 温诗铸.材料磨损研究的进展与思考[J].摩擦学学报，2008，28（1）：1-5.

[2] 刘英，杨冠男，张兆东，等.AZ91镁合金的干滑动摩擦磨损性能研究[J].暨南大学学报，2010，31（5）：490-494.

[3] 赵旭，黄维刚，郑天群，等.镁合金AZ31的磨损性能研究[J].材料工程，2008（5）：1-3.

[4] 林强，黄伟九，王国.AS41耐热镁合金的摩擦学行为研究[J].轻合金加工技术，2010，38（5）：46-49.

[5] 祁庆琚.含稀土镁合金的摩擦磨损性能[J].中国有色金属学报，2006，16（7）：1219-1226.

[6] 梁军，胡丽天，郝京诚.镁合金微弧氧化膜层的结构和性能[C]//2006全国摩擦学学术会议论文集（一）.2006.

[7] 张津，章宗和，邹钢，等.镁合金及应用[M].北京化学工业出版社，2004：225-245.

[8] 许晨阳，周大伟，吴智鹏，等.国外镁合金激光表面改性技术的发展现状[J].有色金属加工，2007，36（3）：48-50.

[9] 王快社，王文，孙鹏，等.搅拌摩擦加工镁合金摩擦磨损性能研究[J].润滑与密封，2008，33（11）：14-19.endprint