两种热处理工艺对2024铝合金磨损行为的影响

罗佳佳，白亚平，李建平，郭永春

(西安工业大学 材料与化工学院，西安710021)

2024铝合金属于Al-Cu-Mg系合金中的一种，为可热处理强化的加工铝合金，具有高强度，低比重，良好的耐热性及较高的疲劳强度等优点，广泛应用在航空、航天等领域，2024铝合金在工业和飞机制造业领域有着举足轻重的地位[1-4].因此，研究热处理对2024铝合金组织和性能的影响有非常重要的意义，尤其是热处理对2024铝合金的压缩性能和摩擦磨损性能的影响[5]止，国内外关于2024铝合金研究已经有较多报告，文献[6-7]利用正交法研究热处理对2024铝合金薄板力学性能的影响，以及热处理时温度梯度对2024铝合金元素扩散的影响，发现固溶温度的提升有利于提高α固溶体均匀性和过饱和度，为随后的时效过程奠定良好的基础 .文献[8]采用正交法设计了2024铝合金的热处理工艺方案，发现合金经500 ℃固溶10～30 min，转移时间小于15 s，25～75 ℃水温淬火，自然时效96 h后，析出大量的与基体共格的GP区和S″相，合金的强韧性优良，无晶间腐蚀现象.

基于国内外目前对热处理后2024铝合金磨损行为研究较少，本文采用热压烧结制备2024铝合金，研究其固溶时效热处理和均匀化热处理后的显微组织、力学性能和摩擦磨损性能.

1 实验材料与方法

实验材料采用由长沙天久金属材料有限公司提供的粒径为400目的2024粉体，2024粉体的元素成分见表1. 对2024粉体球磨后的粉末经热压烧结制备块体材料，具体烧结工艺参数为：热压成型温度520 ℃，加热时间65 min，保温时间120 min，压力20 MPa.随后对其进行固溶时效和均匀化处理，并对比热处理前后材料的组织和磨损性能的变化.根据文献[9-10]，最终选定两种热处理工艺参数见表2.

表1 2024铝合金中各元素的质量分数含量

表2 2024铝合金热处理工艺参数

处理后的试样利用金相显微镜(型号为Nikon EPIPHOT300)和扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope， SEM)在一定的倍数下进行放大观察宏观以及微观组织形貌.利用岛津XRD-6000X射线衍射仪对试样进行X-射线衍射(X-Ray Diffraction，XRD)分析后，再通过Jade分析软件对衍射结果进行分析，得到X射线衍射图谱，确定试样中的物相组成.并利用利用能谱仪(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)完成对元素的定性定量分析.采用型号为402MVD自动转塔数显显微维氏硬度计对热压烧结后的2024铝合金块体和经过热处理后的2024铝合金进行硬度测试.最后采用MMG-500型销高温真空三体磨损试验机在室温下进行干滑动摩擦磨损试验.根据文献[11]将试验参数设置见表3.

表3 销盘式干滑动磨损试验参数

2 结果与分析

2.1 组织分析

2.1.1 热处理前后2024铝合金金相组织

图1为2024不同热处理显微组织照片.由图1(a)～1(c)可以看出，经过固溶时效和均匀化处理后的2024铝合金组织分布更加均匀，晶粒细化.这是由于均匀化处理后的2024铝合金组织中部分Cu、Mg等元素固溶进基体相中形成固溶体，较原始2024铝合金组织分布均匀，但合金中仍含有未溶解的第二相和化合物，且颗粒较为粗大，呈无规则的弥散分布在基体中.

图1 2024铝合金不同热处理下的显微组织

2.1.2 热处理前后2024铝合金的XRD分析

图2为2024铝合金的未处理、固溶时效处理和均匀化处理后的XRD谱，由图2可知，2024铝合金中有Al相、θ相(Al2Cu)和杂质相Al7Cu2Fe，经过均匀化处理的2024铝合金θ相(Al2Cu)固溶进基体相中形成过饱和固溶体，固溶时效处理后的2024铝合金时效析出强化相S相(Al2CuMg)和θ相(Al2Cu)，以及一些难溶的杂质相Al7Cu2Fe.

图2 2024铝合金XRD图谱

2.2 性能测试

2.2.1 硬度测试

表4为三种不同材料平均显微硬度值.从表4可以看出，原合金硬度最低，经过热处理后硬度都不同程度提高.经过均匀化处理的2024铝合金显微硬度略微提高，固溶时效后的2024铝合金硬度值最大，达到167 HV，较未处理合金提高了50 HV.这说明固溶时效处理过程时效析出相对材料起到明显强化作用.

表4 2024铝合金平均显微硬度值

2.2.2 磨损性能分析

1) 摩擦因数和磨损率

图3为不同材料两种磨损方式的磨擦因数.摩擦因数由磨损试验机自带的摩擦因数测量模块直接给出.

摩擦材料的耐磨性能可以用磨损因数的大小来衡量，磨损因数可以理解为在单位负荷作用下滑动单位距离所引起的体积磨损.对销试样磨损前后进行质量测量并计算出磨损率，图4为2024铝合金的磨损率.从图4可以看出，无论是干摩擦还是边界润滑摩擦，固溶时效处理对2024铝合金的磨损率影响最大，磨损率在三者中最小.2024铝合金经过固溶处理后，合金元素被固溶到基体当中，通过快冷到室温，随后在适当的温度下保持一定时间，合金中就会形成一些纳米级的沉淀析出相.这些析出相往往和基体具有一定的取相关系，因此沉淀相和基体之间就会存在一定的应变场，这些应变场成为位错运动的阻碍引起合金强化，即沉淀强化现象，使得固溶时效处理后2024铝合金硬度和耐磨性提高.无论是在干磨擦的试验条件下，还是边界润滑条件下，固溶时效处理的2024铝合金的磨损因数较其他两种材料都小.综上所述，2024固溶时效铝合金具有较好的耐磨性.

图3 2024铝合金磨擦因数

图4 2024铝合金的磨损率

2) 磨损面SEM分析

① 热处理前后2024铝合金干摩擦条件下磨损机理分析

三种材料在室温下进行干磨擦实验，SEM形貌组织如图5所示.当放大倍数都为1 000倍时，可以看到材料经过磨损后表面粗糙度大，有剥落与粘着的现象，且存在深坑，磨损面有一些小磨痕.图5(a)为未经处理的2024铝合金不仅出现黏附颗粒，还有许多裂纹产生，摩擦性能较处理过的试样差.

室温下热处理前后的2024铝合金干摩擦的3D形貌如图6所示.从图6可以看出，图6(a)～6(c)的表面出现了凸起部分，粘附在磨损表面的颗粒越多，发生粘着磨损越剧烈.

图7为热处理前后2024铝合金进行干磨擦试验的磨屑扫描照片.由图7(b)可以看出，经过固溶时效后磨屑较小.结合表5中2024铝合金能谱元素分布可知，由于三种材料有相同的磨损机制，以2024铝合金为例，磨屑中出现O元素，说明在磨损过程中试样的磨损表面发生了轻微氧化.3个能谱区域中均含有Si元素，磨盘的材料为铝硅合金材料，说明在磨损材料对磨过程中，在实验过程中发生了粘着磨损，导致销试样的磨损表面上有大量Si元素的存在.此外，两种磨屑中都出现了Au元素，这是因为材料在试验预备扫描阶段，需要对材料喷金处理，而引入的杂质元素.

图5 2024铝合金磨损扫描照片

图6 2024铝合金干摩擦3D形貌图Fig.6 3D profile of the 2024 aluminum alloy in dry friction

图7 2024铝合金干磨损试验磨屑扫描

表5 2024铝合金干磨损试验的磨屑能谱数据Tab.5 Data of wear debris spectrum for dry wear test of 2024 aluminum alloy

从固溶时效处理和均匀化处理的2024铝合金的能谱图的各个谱点元素百分含量来看，两种材料均含有Si、Ni两种元素，这两种元素来源于对磨盘材料，两种材料在对磨过程中，硬度较高的材料会将对磨材料磨下来，经过反复碾压，粘结，发生了粘着磨损形成了磨屑.

② 热处理前后2024铝合金边界润滑摩擦条件下磨损机理分析

图8为热处理前后2024铝合金进行边界润滑摩擦后的扫描照片，从图8可以看到，经磨损后试样表面均有有犁沟的出现，这是磨粒磨损的主要特征.所以边界润滑条件下，三种材料主要为磨粒磨损，磨粒磨损的机理是微观切削.由图8(b)可见，磨损面是舌状体剥落裂纹，这是微观断裂导致的剥落，使得材料表面产生犁皱和切削，最终产生槽状磨痕.

图9为热处理前后的2024铝合金边界润滑3D形貌图，与干磨损磨损面对比，边界润滑磨损面较平滑，边界润滑磨损面粗糙度较小.从图9也可清晰地看到磨损面上的犁沟，2024铝合金犁沟深度最大，均匀化处理的2024铝合金位于其次，固溶时效处理的2024铝合金犁沟深度较小.说明均匀化与固溶时效处理有效改善了材料的耐磨性.

图8 2024铝合金边界磨损扫描照片

图9 2024铝合金边界润滑3D形貌图Fig.9 3D micrographs of 2024 aluminum in boundary wear

3 结 论

本文对热压烧结制备的2024铝合金进行了均匀化处理和固溶时效处理，观察了不同热处理后的显微组织，并对力学性能和磨损性能进行了测试，得到结论为

1) 固溶时效后的2024铝合金晶粒分布均匀且细小，显微维氏硬度值达到167HV，较原始2024铝合金硬度提高了50HV.

2) 2024铝合金在干磨损条件下的磨损机制均以粘着磨损为主；在边界润滑条件下，以磨粒磨损为主要的磨损机制.固溶时效后的2024铝合金磨损率和摩擦因数显著降低，磨损率为原始合金的1/3.