轧制温度对AZ31镁合金组织与耐磨性的影响

李庆芬, 邓 彬,2, 吴远志,2, 屈伟明, 刘先兰, 向思诚, 王 柯, 尹浩屹

(1. 湖南工学院 智能制造与机械工程学院, 湖南 衡阳 421002; 2. 湖南工学院 汽车零部件技术研究院, 湖南 衡阳 421002)

近年来,国家对于节能、减排的要求日益提高,促进了对被誉为“21世纪绿色工程材料”镁及镁合金的持续关注[1-4]。与其他工程材料相比,镁及镁合金具有高的比刚度、比强度与吸震能力,广泛应用于新能源汽车、航空航天与国防军工等领域[5-8]。镁合金配件在工作过程中会与其他配件发生摩擦,造成配件磨损,导致镁合金的服役寿命降低[9-10]。因此,通过改善镁合金的耐磨性能,提升其服役时间,具有非常重要的工程意义。

研究表明[11],使用微弧氧化技术对AZ91镁合金进行表面改性后,呈现出优异的摩擦性能。Zafari等[12]报道了镁合金中稀土元素的添加提升了合金的耐磨性能。晶粒细化,可以提高合金表面的硬度,增强合金的耐磨性能,本研究以轧制AZ31镁合金为对象,研究不同轧制温度对AZ31镁合金组织与耐磨性能的影响,为镁合金做工程结构件时提供应用参考。

1 试验材料与方法

试验材料为购买的商用牌号的AZ31镁合金铸锭,名义成分为Mg-3%A1-1%Zn-0.3%Mn(质量分数)。经400 ℃×24 h固溶处理(T4处理)后,得到平均晶粒尺寸为400 μm的组织,如图1(a)所示。用机加工的方式把固溶后的AZ31镁合金切割成100 mm×100 mm×10 mm(长×宽×高)的板材,AZ31板材轧制前保温15 min后(温度分别为200、300和400 ℃),在双辊轧机(φ400 mm×400 mm)上把厚度为10 mm镁合金板材一次轧制成形到2 mm厚。

图1 不同轧制温度下AZ31合金的显微组织(a)未轧制;(b)200 ℃;(c)300 ℃;(d)400 ℃Fig.1 Microstructure of the AZ31 alloy rolled at different temperatures(a) unrolled; (b) 200 ℃; (c) 300 ℃; (d) 400 ℃

用线切割机在试验样品上沿板材轧向ND中段切取φ25 mm的圆片试样。1号样为400 ℃×24 h固溶处理后试样,2、3、4号样分别为200、300、400 ℃轧制温度对应试样。试样经打磨、抛光与侵蚀后,在光学显微镜下观察显微组织。采用HVS-1000型显微硬度计测量试样的显微硬度,测试载荷为4.9 N,保压时间15 s,试样硬度为10次测量结果的平均值。室温下进行摩擦磨损试验,试验加载载荷为100 N、速度为100 r/min,每个试样摩擦时间为1800 s,摩擦因数由MFT-5000型试验机在线给出,试样摩擦磨损试验前后的质量用分析天平(0.0001 g)称量。采用Wr=m/ρ×L计算合金的磨损率[13](Wr为磨损率,mm3/m;m为磨损量,mg;ρ为合金密度,g/cm3;L为摩擦球摩擦滑动距离,mm)。摩擦磨损试验后利用三维轮廓仪和EVO-18型扫描电镜测试试样的磨损表面形貌及成分组成。

2 试验分析与讨论

2.1 显微组织

图1为AZ31镁合金T4态和不同轧制态的显微组织,图中浅色部分为基体组织,深色部分为第二相。如图1(a)所示,铸态AZ31镁合金经T4处理后,平均晶粒尺寸为400 μm左右,分布于晶界周围的第二相大部分固溶到基体中。AZ31镁合金经轧制后,轧制板材组织均发生了完全再结晶[14],晶粒组织得到明显细化,在轧制作用下合金组织中的第二相分布更加均匀、细小(如图1(b～d)所示),2～4号样的平均晶粒尺寸分别为4.3、5.4和6.7 μm左右,热轧试样的晶粒与第二相平均尺寸随着轧制温度的升高而增大。

2.2 显微硬度

图2为不同状态AZ31镁合金的显微硬度。经热轧后的AZ31镁合金,在细晶强化和第二相弥散强化的双重作用下,相比固溶态硬度得到大幅度提高,200 ℃热轧后的硬度比固溶态提升了47.16%;轧制温度不同,AZ31镁合金硬度变化由大到小为2号样>3号样>4号样,这与图1中合金的组织变化是一致的,轧制温度越高合金晶粒与第二相的平均尺寸越大,细晶强化与第二相弥散强化作用减弱,硬度降低。

图2 不同轧制温度下AZ31镁合金的显微硬度Fig.2 Microhardness of the AZ31 magnesium alloy rolled at different temperatures

2.3 耐磨性

图3为不同状态AZ31镁合金的摩擦因数和磨损率。从图3可以看出,热轧后AZ31镁合金的摩擦因数与磨损率均小于固溶态AZ31镁合金,固溶态合金(1号样)的平均摩擦因数为0.303,热轧后合金(2、3、4号样)的平均摩擦因数分别为0.227、0.243、0.275,2～4号样的平均摩擦因数较1号样分别下降了25.1%、19.8%、9.2%。固溶态合金(1号样)的磨损率为0.068 mm3/m,热轧后合金(2、3、4号样)的磨损率分别为0.046、0.054和0.062 mm3/m,2～4号样的磨损率较1号样分别下降了32.4%、20.6%和8.8%。试验表明,轧制加工能明显提高镁合金的耐磨性能,且随着轧制温度的降低合金的耐磨性能提高,这与前面的合金组织与硬度情况一致。

图3 不同轧制温度下AZ31镁合金的摩擦因数(a)及磨损率(b)Fig.3 Wear coefficient(a) and wear rate(b) of the AZ31 magnesium alloy rolled at different temperatures

图4为AZ31镁合金试样的磨损三维形貌、截面轮廓曲线和磨损表面形貌。由图4(a～c)可知,1号样的磨痕深且宽,磨损程度较大,磨痕区域表面形貌粗糙不平,存在着深浅大小不一的剥落坑,且剥落坑大而深(见图4(b,c)中1区),1号样表面磨损形貌呈明显粘着磨损特征。经热轧后的AZ31合金(2～4号样),其磨痕均有不同程度的变窄变浅,磨损程度均有所减小(见图4(d,g,j))。图4(f)为2号样磨痕表面形貌大部分区域较为平整,表面存在着滑动方向的平行犁沟(见图4(e,f)中2区),呈现明显磨粒磨损特征。图4(i)中3号样磨痕表面大部分区域较为完整,磨损形貌由平行犁沟与散落的一些在犁沟附近的小剥落坑组成(见图4(h、i)中3区),且剥落坑较浅,说明磨损机制开始由磨粒磨损转变为粘着磨损,在此阶段磨粒磨损是主导。图4(l)中4号样表面大部分区域较为粗糙,仅有小部分光滑区域,光滑区域与粗糙区域的交界处呈现不规则锯齿形,这是摩擦副撕裂试样表面造成破坏所致,粗糙区域中存在明显的剥落坑(见图4(k、l)中4区),是典型的粘着磨损占据主导的特征。

图4中合金的磨损表面微区成分如表1所示。摩擦磨损试验过程中,由于Mg性质活泼,会与空气中的氧气发生反应形成MgO,所以在各微区中均含有氧。剥落坑区域的B、E、G微区比相对光滑区域A、F、H微区氧含量高,表面磨损形貌严重处的氧化磨损也较严重;犁沟区域的C微区氧含量最少,表明犁沟区域的组织只发生了轻微的氧化磨损,犁沟两侧区域D微区氧含量较高,这是由于在磨粒磨损过程中犁沟两侧附着残留的颗粒状MgO磨屑所致。

表1 图4中不同磨损区域的化学成分(质量分数,%)Table 1 Chemical composition of different wear areas in Fig.4 (mass fraction, %)

磨损试验结果表明,轧制态AZ31镁合金的耐磨性均明显高于固溶态,且轧制态镁合金的耐磨性随着轧制温度的升高而降低。从1号样的显微组织可以看出,AZ31合金经固溶处理后晶界处的第二相减少;镁合金第二相的减少使得合金的热稳定性变差,在磨损过程中容易发生热挤压塑性变形,造成粘着点,从而加速粘着磨损的形成。由图4(f,i,l)可知,随着轧制温度的升高,轧制态合金的磨损机制由磨粒磨损向粘着磨损转变;轧制温度的升高导致合金的晶粒与第二相的平均尺寸增大,细晶强化与弥散强化作用减弱,硬度降低,从而降低了镁合金的热稳定性,耐磨性能下降。

3 结论

1) 固溶态AZ31镁合金,经热轧后,板材组织晶粒得到明显细化;热轧板材的晶粒与第二相平均尺寸随着轧制温度的升高而增大。

2) 轧制态AZ31镁合金的耐磨性均明显高于固溶态,且随着轧制温度的升高,轧制态AZ31镁合金的耐磨性降低。

3) 固溶态AZ31镁合金存在较为严重的粘着磨损,轧制态AZ31镁合金的耐磨性均明显高于固溶态。随着轧制温度的升高,轧制态AZ31合金的磨损机制由磨粒磨损向粘着磨损转变。200 ℃轧制温度下,合金的耐磨性最佳。