超细晶建筑装饰铝合金的摩擦磨损性能研究

周 佳

(马鞍山师范高等专科学校 艺术设计系，安徽 马鞍山 243000)

我国城镇化和工业化的快速推进，给建筑铝型材行业带来了巨大发展机遇，我国已经成为世界上最大的铝型材生产基地和消费市场。目前，由建筑铝型材制作的框、扇结构的门窗已经被广泛使用[1]，这主要与其具有密度低(约为钢、铜或黄铜密度的1/3)、比强度高、耐腐蚀好、装饰性好和使用寿命长等优点有关[2-3]。然而，与7000系等铝合金相比，主要用作建筑铝型材的6000系铝合金的强度和耐磨性等还需要进一步提升，目前通过微合金化、固溶时效热处理和大塑性变形等技术改善可时效强化型6000系铝合金强塑性的研究很多[4-7]，但是对作为建筑铝型材重要考核指标的摩擦磨损性能方面的研究还相对较少，因此，在等通道转角挤压(ECAP)等大塑性变形技术可有效提升材料强塑性的基础上，进一步研究此技术对建筑铝型材耐磨性能的影响以及考察磨损机制具有重要意义。

1 材料与方法

试验材料为由西南铝业(集团)有限责任公司提供的热挤压建筑装饰用6063铝合金棒材(Φ22 mm)，具体化学成分如表1所示。

表1 6063铝合金的化学成分 (wt%)

将6063铝合金圆棒试样加工成20 mm×20 mm×100 mm的试样，在Nabertherm LV 15/11/P330型热处理炉中对其进行555 ℃保温1.5 h的固溶处理，并水淬至室温，得到固溶态6063铝合金(记为SST)；固溶处理后继续对试样进行170 ℃保温3 h的时效处理，并水淬至室温，得到T6态6063铝合金(记为T6)；对固溶处理后的试样按Bc路径进行4道次等通道转角挤压变形(ECAP)处理，模具预热温度为110 ℃，第一次挤压前保温时间为8 min，挤压速度为4 mm/s，两通道内交角和外接弧角分别为90°和20.6°，然后进行170 ℃保温3 h的时效处理，并水淬至室温，得到等通道转角挤压+动态时效的6063铝合金(记为ECAPed at 110 ℃，简称ECAP时效态)。

采用帕纳科Empyrean锐影X射线衍射仪对不同状态6063铝合金进行X射线衍射分析，Cu靶Kɑ辐射，扫描速率为5°/min；室温摩擦磨损试验在UMT-2型多功能摩擦磨损试验机上进行，对磨材料为Φ4 mm的440-C钢球，载荷介于5～25 N，滑动速度和时间分别为0.02 m/s和20 min；磨损失重采用GH-202型电子天平进行称量，并以3组试样的平均值计算磨损率；采用SuperView W1型光学3D表面轮廓仪对磨损表面进行尺寸测定；采用JSM-7100F型场发射扫描电镜观察磨损形貌，并采用附带能谱分析仪对微区成分进行测试。

2 试验结果与分析

图1为不同状态6063铝合金的X射线衍射分析结果。固溶态、T6态和ECAP时效态6063铝合金的主要物相都为ɑ-Al相、β-Mg2Si相、β′-Mg1.7Si相和β″-Mg5Si6相，但是T6态和ECAP时效态6063铝合金的(200)(220)和(311)晶面附近都出现了相对比固溶态试样更强的卫星峰[8]，且β-Mg2Si相、β′-Mg1.7Si相和β″-Mg5Si6相的衍射峰更强。固溶态试样的衍射峰已经出现了少量β相、β′相和β″相，这主要是因为热挤压态6063铝合金中的这些析出相在固溶处理后并未完全回溶[9]，而时效或ECAP时效处理后，过饱和6063铝合金中会有大量析出相产生，且ECAP时效态6063铝合金中的β″相衍射峰最强，相对含量更高[10]。

(a)固溶态

图2为不同状态6063铝合金的摩擦系数曲线，载荷分别为5 N，10 N，20 N和25 N。对比分析可知，不同载荷下固溶态和T6态6063铝合金的摩擦系数曲线相似，都表现为初始阶段摩擦系数迅速上升，之后有一定程度波动并在时间达到600 s附近时趋于稳定，这主要是由于刚开始摩擦磨损时的摩擦副需要承受较大切向力，从而导致摩擦系数升高[11]，在随后当6063铝合金试样表面磨平，摩擦系数会有一定程度降低，这个阶段称为跑合阶段；相较而言，ECAP时效态6063铝合金的摩擦系数曲线则表现出明显不同的特征，初始摩擦磨损阶段的摩擦系数虽也会迅速上升，但是上升幅度明显小于其他两种状态，且跑合阶段的波动幅度较小，基本在100 s附近时已经处于较为稳定的状态。可见，固溶态和T6态6063铝合金从跑合阶段到稳定阶段的时间明显大于ECAP时效态，这主要与前两者在摩擦磨损时需要克服的最大静摩擦力更大有关[12]。

(a)5 N

图3为不同状态6063铝合金的平均摩擦系数测试结果。在相同状态下，随着载荷从5 N增加至25 N，6063铝合金的平均摩擦系数呈现先减小而后增大的特征，载荷10 N时的平均摩擦系数相对较小。这主要是因为较低载荷下(5 N)6063铝合金表面的致密氧化膜还没有形成，载荷10 N时6063铝合金表面的摩擦温度升高并形成致密氧化膜，可以起到一定程度的减摩作用[13]，而较大载荷下(>20 N)，摩擦力对摩擦系数的影响大于氧化膜，所以平均摩擦系数又呈现上升趋势。在相同载荷下，平均摩擦系数从大至小的顺序为固溶态>T6态>ECAP时效态；T6态6063铝合金的平均摩擦系数小于固溶态，这主要与时效后合金中析出了起强化作用的第二相有关[14]，而ECAP时效态6063铝合金摩擦系数的减小除与起强化作用的第二相大量析出有关外，还与此时合金具有更小的晶粒尺寸有关[8]。

图3 不同状态6063铝合金的平均摩擦系数

图4为不同状态6063铝合金的磨损率测试结果。对比分析可知，随着载荷从5 N增加至25 N，固溶态、T6态和ECAP时效态6063铝合金的磨损率都呈现为逐渐增大的趋势，且相同载荷下，磨损率从大至小的顺序为固溶态>T6态>ECAP时效态。磨损率的测试结果与平均摩擦系数的测试结果相吻合，即ECAP时效态6063铝合金具有相对较低的摩擦系数和更好的耐磨性。

图4 不同状态6063铝合金的磨损率

图5为不同状态6063铝合金的磨痕横截面形貌，载荷分别为10 N和25 N，表2列出了这两种载荷下的磨痕尺寸测量结果。当载荷为10 N时，磨痕宽度从高至低的顺序为固溶态>T6态>ECAP时效态，而ECAP时效态的磨损深度则相对略大，这可能与摩擦磨损过程中磨屑对6063铝合金表面产生了局部刮擦有关[15]，整体而言，ECAP态6063铝合金的磨损体积最小，其次为T6态6063铝合金。当载荷为25 N时，磨痕宽度和磨痕深度从高至低的顺序为固溶态>T6态>ECAP时效态，ECAP时效态6063铝合金的磨损体积在3种合金中是最小的。可见，载荷为10 N和25 N时，ECAP时效态6063铝合金相较固溶态和时效态6063铝合金有更好的耐磨性能。

(a)10 N

表2 不同状态6063铝合金的磨痕尺寸测试结果

图6为不同状态6063铝合金的表面磨损形貌，载荷为25 N。固溶态6063铝合金表面可见明显撕裂、犁沟以及氧化膜破裂而产生的磨屑颗粒(图6a，图6b)，磨损机制主要为疲劳磨损+黏着磨损+氧化磨损；T6态和ECAP时效态6063铝合金表面都可见磨屑颗粒、局部剥层以及黏着现象，磨损机制主要为黏着磨损+少量剥层磨损+少量磨粒磨损+少量氧化磨损，且相对而言，T6态6063铝合金的黏着磨损相较ECAP时效态更加严重。对固溶态、T6态和ECAP时效态6063铝合金磨损表面进行能谱分析，结果显示，3种状态的6063铝合金其表面氧含量(质量分数)分别为30.75%，28.80%和14.00%，由此可见，ECAP时效态6063铝合金相较固溶态和T6态6063铝合金具有更好的抗氧化性能。

(a)固溶态(50 μm)

图7为不同状态6063铝合金的透射电镜显微(TEM)形貌。经过ECAP处理后，6063铝合金中可见尺寸60～450 nm的纳米晶粒存在，平均晶粒尺寸约为245 nm，这主要是因为ECAP处理过程中合金经过大塑性变形而发生了再结晶的缘故[16]，可见，ECAP处理可以明显细化6063铝合金的晶粒；ECAP时效态6063铝合金中可见大量弥散析出的纳米级杆状β′相和针状β″相，这些纳米级析出相可以起到弥散强化的作用[17]。在细晶强化和弥散强化的共同作用下，6063铝合金的强塑性和硬度会有所增加，相应的耐磨性也会得到提升。

(a)ECAP态

3 结论

(1)固溶态、T6态和ECAP时效态6063铝合金的主要物相都为ɑ-Al相、β-Mg2Si相、β′-Mg1.7Si相和β″-Mg5Si6相，但是ECAP时效态6063铝合金的β-Mg2Si相、β′-Mg1.7Si相和β″-Mg5Si6相的衍射峰更强。

(2)固溶态和T6态6063铝合金从跑合阶段到稳定阶段的时间明显大于ECAP时效态；相同状态下，6063铝合金的平均摩擦系数会随着载荷增加呈现先减小而后增大的特征；在相同载荷下，平均摩擦系数从大至小的顺序为固溶态>T6态>ECAP时效态。

(3)随着载荷从5 N增加至25 N，固溶态、T6态和ECAP时效态6063铝合金的磨损率都呈现为逐渐增大的趋势，且相同载荷下，磨损率从大至小的顺序为固溶态>T6态>ECAP时效态，磨损率的测试结果与平均摩擦系数的测试结果相吻合，即ECAP时效态6063铝合金具有相对较低的摩擦系数和更好的耐磨性。

(4)固溶态6063铝合金的磨损机制主要为疲劳磨损+黏着磨损+氧化磨损；T6态和ECAP时效态6063铝合金的磨损机制主要为黏着磨损+少量剥层磨损+少量磨粒磨损+少量氧化磨损。