Y对挤压态Mg-8Li-3Zn的摩擦磨损性能的影响

发布时间：2016-07-26 17:22

1   绪   论  

1.1  前言 
为节省材料与能源，轻型合金材料的研制与开发已成为一个重要的研究领域和发展方向。镁锂合金是目前实际应用中最轻的金属结构材料，具有密度小，比强度和比刚度高，良好的阻尼性、切削加工性、电磁屏蔽性、铸造性能、生物相容性，废料易回收、资源丰富等优点，并且切削加工性优良、零件尺寸稳定，被誉为“21 世纪绿色工程材料”，是核工业、电子、汽车、医疗器械和军事等领域理想的轻质结构材料[1-3]。 镁合金的研究领域正不断扩展，但镁合金的耐磨性差限制其更广泛的应用[4]。而摩擦磨损在工程领域损害工程部件的力学性能、降低公差精度、导致过早地更换零部件，造成了大量的材料浪费，是不可忽略的问题。虽然镁合金目前还未应用在轴承或齿轮等承受眼中磨损的场合，但是在汽车制动装置、发动机部件、材料加工、装配等经受滑动运动的场合，摩擦磨损也为影响其应用的重要考虑因素。 但是，当前对镁合金，尤其是镁锂合金的摩擦磨损方面的研究非常少，因此，深入研究镁合金的摩擦磨损机理研究非常有必要。 
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1.2  镁锂合金概述
1910 年德国学者 Masing 在研究锂、钠、钾与镁互相作用时，意外的发现了镁和锂之间可以发生有趣的结构转变，并认为该结构是超结构。该项工作为后来镁锂合金的研究提供了可靠的依据。1954 年，Freeth 等人提出了完整精确的 Mg-Li平衡相图，50 多年的研究结果给后续研究奠定了基础。二十世纪 80 年代末日本的一些大学及产业充分利用其他国家的研究成果，对 Mg-Li合金，Mg-Li-RE(稀土元素)合金进行详细的研究。开发出了延伸率 840%的 Mg-8Li-1Zn合金，还有“梦幻合金”之称的 Mg-36Li-SZn，Mg-36Li-SAI 合金。具有超塑性的镁锂合金被其他国家的学者相继研制出了，并对其相关机制做了详细的研究。 目前，美国、日本、德国、俄罗斯等国家都有商业 Mg-Li 系合金，而中国对Mg-Li 合金研究较晚，自 20 世纪 90 年代起，才开始对镁锂合金进行研究，没有相应的合金系。主要的研究院校有上海交通大学、东北大学、中科院、中南大学及山东大学，他们对 Mg-Li 合金的研究集中在对 Mg-Li-Al、Mg-Li-Zn 及 Mg-Li-RE的时效性能及力学性能上。上海交通大学的研究人员[7]在对 Mg-8Li-1A1 及Mg-11Li-3Al 合金时效特性的研究过程中发现，MgLi2A1 是时效强化相，但过时效并非是因为 AlLi相的生成，而是因为 MgLi2A1 相的晶格常数变化，造成与基体共格关系的破坏。同时，当他们发现过时效时，A1Li 相并未出现[8]，其中，上海交通大学对镁锂复合材料的研究是比较多，取得了一定的成果[9-10]。2009 年西安的四方航空机电有限公司和西安交通大学材料学院科研合作研制了两个新型号镁锂合金，完全可以替代应用于航空航天领域的 LF6 和 LF12 铝材及其他铝合金材料，技术达到了国际先进水平。在 2010 年 10 月 14 日国内首条工业化批量生产的镁锂合金生产线在西安阎良国家航空高技术产业基地投产[11]。 
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2   实验设计  

透过所搜集的文献与相关资料及研究流程，规划实验过程所需的设备、仪器与步骤，，制备 Mg-Li-Zn-  x  Y(x  =0;0.5%;1.0%;1.5%)合金，利用扫描电子显微镜（SEM）和 X 射线衍射仪（XRD）分析微观组织和相组成，分析稀土 Y 的添加对材料显微组织影响。设置载荷、滑动速度、温度等参数在 pin-on-disk 摩擦试验机上进行摩擦磨损性能测试，并分析其对合金磨损率、摩擦系数、磨损表面特征及磨屑影响。通过实验结果及分析讨论 Mg-Li-Zn-Y 合金的摩擦磨损机理。试验流程图如图 2.1。 


2.1  实验设备 
本实验所使用磨耗试验机为美国 Falex 公司制造的 Friction  &  Wear  Test Machine 磨耗试验机（台湾中央大学购置）。该机台主要由两部分组成：①磨耗实验机台，②控制面板。控制面板可控制实验的如下参数：时间、主轴运转周期、主轴运转速度及温度变化。本实验采用 Falex 磨耗试验机中的 Pin-on-Disk 模组进行实验，即以此模组作为传动机构。将 Mg-Li-Zn-Y 所加工成的销和盘产生相对摩擦运动，再利用力规获得销盘之间的相对运动的扭力，经运算后求得摩擦系数值。该设备的力规安装于 Falex磨耗实验机台底下位置，为了防止实验中扭矩过大，造成力规超过其机台的负荷极限，特别将上下夹具设计成符合此实验的夹具。 Falex 磨耗试验机所施加负载为利用杠杆原理，于杠杆的前端悬挂砝码，由于重力作用使得防止圆盘的后端向上顶起，施压于对磨的销接触面，而 Falex磨耗机台提供两种杠杆比，分别为：1:2 与 1:10，由于实验所需负载不大，因此实验选择1:2 的杠杆比。 
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2.2  实验方案
首先设计实验用的上下夹具，分别为销的上夹具与实验试片的下夹具（如图2.9）。将试样加工切片成实验所需要的圆盘大小，试片参数如图 2.10。本实验的圆盘与销均采用 Mg-Li-Zn-Y 材料，在制造过程中，都必须检查其表面是否有杂质，经清洗表面才可以进行下一步骤。 对于圆盘试样，首先以丙酮清洗试片，再以甲醇来冲洗表面上的丙酮，接着利用压缩空气将表面水渍清洗干净，方可清洗较大的微粒子，但较小微粒子则难以去除，可以利用超音波震荡机来清楚表面微小粒子。 
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3 Mg-8Li-3Zn-xY 合金微观组织 .... 18 
3.1  合金制备 ........ 18 
3.2  合金组织分析及力学性能分析 .... 20 
4  不同工况下 Mg-8Li-3Zn-xY 摩擦磨损行为 .... 24
4.1  不同工况对摩擦磨损的影响 ........ 25 
4.2  磨损表面形貌及磨屑分析.... 28 
4.3 Mg-8Li-3Zn-xY 合金的磨损机制分析 .... 30 
4.3.1  磨粒磨损和氧化磨损 .... 32 
4.3.2  黏着磨损 ............ 33 
4.3.3  剥层磨损 ............ 35 
5  结   论 ........ 37 

4   不同工况下 Mg-8Li-3Zn- x Y 摩擦磨损行为

4.1  不同工况对摩擦磨损的影响

对于滑动摩擦的理论，目前有机械啮合理论（凸凹说）、分子理论（分子说）、机械理论和黏着摩擦理论。机械啮合理论早在 1699 年即被提出，其认为摩擦表面的凸凹不平造成了当表面相互接触时，凸凹两部分相互啮合，当需要相对滑动时，这种凸凹所产生的相互阻碍的力的总和就是摩擦力。可是该理论在精细的存在相互之间产生分子粘连的加工表面并不适用。而分子理论则主张接触面的光滑度越高，其分子之间的作用力便越大，从而阻碍两接触面相互滑动的阻力越大，即摩擦力越大。1929 年 G.A.汤姆林逊（Tomlinson）提出了摩擦的分子理论，他利用晶体晶格内原子间作用力，推导出摩擦系数与实际接触面积成正比，与法相载荷的立方根成反比的关系。机械理论是由苏联的学者盖尔斯基提出，他认为，材料的相互之间的滑动摩擦应该由分子之间的作用力和由犁沟引起的接触面的形貌变形两个因素共同决定。而分子之间的相互作用和机械的相互作用发生在材料厚度不同的表面层。黏着摩擦理论是有 1942 年 Tabor 和 Bowden 提出的，其认为两相互摩擦的材料会由于表面粗糙度和分子引力等原因发生表面黏着，并且最终在剪切力的作用下对材料的摩擦磨损产生影响。修正后的黏着摩擦理论认为，黏结点会在滑动时的应力的作用下增大，从而使接触面积增大，使摩擦系数增大；由于摩擦材料多为裸露在空气或者其他环境中，所以一般材料表面都会有一层淡淡的膜，当该膜由于不断的滑动破损时，裸露的新的材料将与摩擦表面相接触，所以，该理论认为摩擦系数当由金属与金属及金属与表面膜的实际接触面积决定；犁沟效应是摩擦力的组成部分，因为黏着点的剪切力非仅有的摩擦力，该理论认为当硬的金属表面与软的金属表面发生相对滑动时，软的金属表面会被划出犁沟。 

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结   论 

①随着 Y 含量的增加，Mg-8Li-3Zn合金的晶界组织成分发生变化。合金的晶界处开始出现 I 相和 W 相。并且可以发现，此两相弥散分布在合金的晶界处，推测其具有钉扎晶界、强化晶界组织的作用。 
②Mg-8Li-3Zn- x Y（x =0,0.5,1.0,1.5）合金摩擦系数随摩擦载荷的增大而减小，并Y 含量的增加而减小。合金的磨损量随摩擦载荷的增大而增大，并随 Y 含量的增加而减小。摩擦载荷增加至 100N 前后，合金磨损机理发展转变，从轻微摩擦转变为严重摩擦。 
③Mg-8Li-3Zn- x Y（x =0,0.5,1.0,1.5）合金随着滑动速度的增大，摩擦系数均减小，但是相同的滑动速度下，Y=1.5 的合金的摩擦系数最小。在磨损方面，随着滑动速度的增大，磨损量增大。一般理论认为摩擦速度与摩擦系数没有关系，但是在一定的工况和环境下，摩擦速度影响两个摩擦表面的应力大小，从而影响摩擦系数和磨损量。 
④Mg-8Li-3Zn- x Y（x =0,0.5,1.0,1.5）合金随着稀土元素 Y 的增加，晶粒细化、晶界增多，并在晶界处产生强化弥散相起到了钉扎作用，提高了合金的表面硬度；并且稀土的添加，可以使其与空气中的氧和硫相结合，起到固定氧和硫的作用，从而使其材料的疏松程度降低；Y 还可与其他杂质相结合，从而达到净化晶界的效果，进而提高材料的硬度和强度。
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参考文献(略) 

本文编号：76000