稀土元素La变质Al-5Si合金耐磨性能研究

张 波,徐冬,张书维,宋宝成

(江苏安全技术职业学院 机械工程学院,江苏 徐州 221000)

铸造Al-Si合金由于良好的耐腐蚀性能、较高的比强度、质量轻等优点而被广泛应用于汽车零部件制造等领域,比如汽车发动机缸盖、缸体等重要部件[1-3]。汽车零部件因机械磨损经常遭到直接或间接损坏,由此须要更换零部件或影响零部件的使用年限,这极大阻碍了铸造Al-Si合金在汽车工业化中的发展。鉴于此,提高铸造Al-Si合金的摩擦磨损性能具有极大的现实意义。

有研究[4]表明,Al-Si合金组织中α(Al)晶粒、共晶Si相以及金属间化合物的形态、大小与分布,对合金的力学性能及耐磨性能具有极大影响。粗大的α(Al)晶粒会极大降低合金的各项性能;未变质组织中易存在粗大的长针状或板块状共晶Si相,易在尖端或棱角部位引起应力集中,严重割裂基体,进而导致合金的强度与硬度降低[5-9],所以必须对合金进行变质处理。目前,合金组织中α(Al)晶粒及共晶Si相的细化主要通过添加细化剂和变质剂来实现。国内外研究普遍认为,稀土元素是非常有效的细化变质剂。稀土元素中La、Ce、Pr、Yb等不仅可以细化α(Al)晶粒,还可以起到变质共晶Si的作用。此外,稀土元素还具有很强的除杂、净化作用,能够消除铝合金中的Fe、S、H2[10-13]等有害元素。刘春海[14]等人添加稀土Ce改善了A356铝合金的微观组织及力学性能,稀土Ce不仅使α-Al晶粒得到细化,而且使共晶Si相也变得更加细小、圆整。与未变质处理的A356合金相比,添加0.04%稀土Ce的A356铝合金的屈服强度、抗拉强度及延伸率均得到了显著提升。史攀[15]等人研究了稀土La对Al-12.35Si合金组织及性能的影响,La的添加显著细化了共晶Si的尺寸,减小了α-Al二次枝晶臂的距离。0.2%La的添加量对合金的变质效果最好且力学性能最佳,但是随着过量La的加入,合金的组织粗化且性能降低。本课题采用添加Al-10La中间合金的方式对Al-Si合金进行变质处理,研究稀土La含量对Al-Si合金摩擦磨损性能的影响。

1 试验材料与方法

本次试验选用Al-10La中间合金变质处理Al-5Si-Cu-Mg铝合金,Al-5Si-Cu-Mg铝合金的化学成分为:Si5.0, Mg0.5, Cu1.5, Mn0.1, Zn0.2, Fe0.81, 其余的都是Al(质量分数,%)。具体试验流程如下:将一定量的Al-5Si-Cu-Mg铝合金置于石墨坩埚内,坩埚随电阻炉升温至750℃,保温20 min以确保合金完全熔化,再把切碎的Al-10La中间合金缓慢加入到熔体内,配比成不同稀土含量的变质铝合金(质量分数0%La、0.25%La、0.5%La及0.75%La)。随后将电阻炉升温至780℃保温10 min,之后对熔体进行机械搅拌5 min,再浇注于已经预热的钢制模具内。

摩擦磨损试验机型号为BRUKERUMT-2,摩擦方式为干滑动摩擦磨损,磨盘为55 HRC硬度的GCr15轴承钢盘,试样在磨损前后均放入装有无水乙醇的超声波清洗仪中超声处理10 min,试样的质量通过电子天平称量,精度为0.000 1 g。摩擦过程的外加载荷为40 N,滑动转速为0.25 m/s,每磨损600 s后称量一次试样重量。对试样进行打磨、抛光,再用0.5%HF进行刻蚀。利用光学显微镜(OM, DM4000M型)观测试样的金相组织,利用扫描电子显微镜(FEI Quanta 200F型)观察试样的微观组织及磨擦磨损表面形貌,同时利用配套的能谱仪(EDS)对试样进行元素组成分析。维氏硬度计(HV-50A型)测试样品的维氏硬度,加载5 kg,时间15 s。

2 试验结果与分析

2.1 微观组织

图1为不同含量稀土的变质Al-5Si合金的铸态组织形貌。图1a中未变质的Al-5Si合金主要由粗大的α-Al晶粒、长针状或板条状的共晶Si相以及鱼骨状的富Fe相构成,其中α-Al枝晶粗大,排列杂乱无章。随着不同含量稀土La的添加,合金组织逐渐细化。当添加了0.5%La之后,第二相的形貌与分布变化最为明显,如图1c所示。α-Al晶粒由粗大向细小转变,枝晶排列也变得有规律,大部分α-Al晶粒边界变得圆整。在组织中已经观察不到长针状或板条状的共晶Si相,这也说明稀土元素La对Si相的细化效果显著,有效减少了粗糙共晶Si相对基体组织的割裂作用。同时,稀土La的加入使得鱼骨状的富铁相发生分解,极大减少了富铁相的聚集,避免了应力集中,从而有效改善了合金的力学性能。但是添加了0.75%La之后,合金组织有明显粗化的趋势,已经偏移了最佳状态,如图1d所示。

图1 不同含量稀土的Al-5Si合金微观组织

图2为0.5%La的Al-5Si合金的EDS分析及元素面扫描分布。从EDS图片中可见,白色的相分布于基体中。根据元素面扫描可知Al、Si、Cu及稀土元素La的分布,亮白色的相应该为富La稀土相,稀土相可能是由Al、Si、Cu、La组成的多元稀土金属间化合物。

图2 0.5%La的Al-5Si合金的EDS分析及元素面扫描分布

2.2 维氏硬度

图3为添加了不同含量稀土的Al-5Si合金的维氏硬度。从图中可知,合金维氏硬度随着稀土La添加量的增加而呈现出先增大后降低的趋势。Al-5Si合金基体的维氏硬度较低,数值为68.71 HV,这主要与组织中粗大的枝晶与共晶Si相有关。当添加了0.25%La时,变质合金的维氏硬度有所提高,达到了78.19 HV。当添加了0.5%La时,变质合金的维氏硬度为91.23 HV,与未变质的合金相比提升了32.78%,此时合金的硬度达到最高,这主要是由于稀土元素作为一种高表面活性元素,有效降低了Al熔体的界面张力和临界成核半径,有助于克服α-Al晶粒的形核障碍,可以极大地细化α-Al晶粒的尺寸。然而,当添加了0.75%La时,硬度有明显降低,这可能是由于过量的La元素与Al元素形成了La-Al稀土相,产生了大量的结晶热,极大降低了液态金属的过冷度,从而导致合金晶粒的粗化,合金的硬度由此呈现降低的趋势[16]。

图3 添加了不同含量稀土的Al-5Si合金的维氏硬度

2.3 摩擦磨损性能

图4为不同稀土La加入量对Al-5Si合金摩擦磨损表面形貌的影响。未变质处理的Al-5Si合金磨损表面如图4a所示,合金表面磨损严重,台阶式分层现象明显,并且磨损痕迹较深,因此可知其在与对磨副进行摩擦的过程中,从材料表面剥落的基体合金较多,表现出较差的耐磨性能,磨损机制主要以剥层磨损为主。当加入0.25%La元素之后,磨损表面有所好转,如图4b所示。摩擦试验过后,在试样的磨损表面上只留下较小面积的凹坑,并且凹坑深度较浅。在磨损表面出现了许多深浅及宽度不一,且平行排布的划痕,即犁沟。犁沟的形成是由于对偶件上的微凸体在磨面上产生微观切削和刮擦而形成犁沟状痕迹[17],此时变质合金的磨损机制主要是粘着磨损和磨粒磨损。当加入0.5%La元素后,合金的磨损形貌如图4c所示。稀土0.5%La-Al-5Si合金的耐磨性能达到最佳,磨损表面最为平整,没有出现特别明显的深浅及宽窄不一的沟壕,只有非常细微的小划痕与零星散落的小凹槽,表现为非常轻微的磨粒磨损和粘着磨损。稀土元素的添加有效改善了合金的抗磨损性能,因为稀土本身就具有良好的润滑功能,可促进表面氧化膜的形成,有效提高合金的耐磨性能。根据王天国[18]等人的研究可知,稀土La大多存在于晶界,晶界得到了极大的强化作用,使得裂纹不易在晶界处形成,增大了裂纹的扩展阻力。但是当添加了0.75%La时,变质合金的磨损表面有所恶化,如图4d所示。表面变得粗糙,小区域的凹坑重新出现在磨损表面,但是总体观察磨损表面较未变质的Al-5Si合金有明显改善。

图4 添加了不同含量稀土的Al-5Si合金的摩擦磨损表面SEM形貌

图5为添加了不同含量稀土的Al-5Si合金的摩擦系数和磨损量变化图。图5a中随着稀土含量的逐渐增多,Al-5Si合金的摩擦系数逐渐降低至最低点后再升高。未变质的Al-5Si合金的摩擦系数最高,为0.611,而添加了0.5%La之后变质处理的Al-5Si合金的摩擦系数为0.522,由此可见稀土的添加使合金的摩擦系数有所降低。图5b中Al-5Si合金的磨损量最多,为0.1644 g,随着稀土La含量的增多,磨损量逐渐降低,当加入0.5%La元素时,合金具有最小的磨损量0.1191 g。La的加入与合金形成金属间化合物,这些金属间化合物粒子以弥散分布形式存在于基体中,对合金的位错具有阻碍作用,并可有效的产生第二相强化作用,使得合金的强度和硬度均得到提升[19]。根据大量研究显示[20-21],一般情况下材料的磨损率越小,其硬度值越大,结合图3可知,当0.5%La加入合金后,变质合金拥有最高的硬度,这也与其磨损量最低相一致,由此可知稀土La的加入在一定程度上提高了Al-5Si合金的摩擦磨损性能。然而,当0.75%La加入合金后,合金的磨损量出现升高的趋势,这可能是因为过量的稀土在合金基体中生成了针状La-Al-Cu稀土相,对合金基体产生割裂的作用[22]。

图5 添加了不同含量稀土的Al-5Si合金的摩擦系数和磨损量

3 结 论

(1) 在Al-5Si合金中添加了不同含量的稀土La,铸态合金的组织得到了明显细化。当加入0.5%La元素时,组织中α-Al晶粒与共晶Si相均得到了明显细化,枝晶排列也变得有规律,大部分α-Al晶粒边界变得圆整,而共晶Si相则呈现弥散分布的细小短棒状。0.5%La-Al-5Si合金的维氏硬度达到峰值,为91.23 HV,与未变质的合金相比提升了32.78%,稀土变质有助于合金微观组织和力学性能的改善。

(2) 稀土La变质处理Al-5Si合金能够有效改善合金的耐磨性能。随着稀土La添加量的增加,Al-5Si合金的磨损量和摩擦系数均呈现出先逐渐降低后增大的变化趋势。其中,未变质处理的Al-5Si合金的磨损量和摩擦系数最高,分别为0.1644 g和0.611。当添加了0.5%La时,变质合金的磨损量和摩擦系数达到最低,分别为0.1191 g和0.552。磨损量和摩擦系数的降低,均说明稀土La的添加对Al-5Si合金的摩擦磨损性能有提升作用。不同稀土添加量的合金磨损机制也各不相同,未变质处理的Al-5Si合金以剥层磨损为主,而当添加0.5%La之后,合金的磨损机制转变为以轻微的磨粒磨损和粘着磨损为主。