时效时间对7075铝合金摩擦磨损性能的影响研究

2012-07-21林琛

中国科技信息 2012年24期

林琛

福建工程学院材料科学学院 350001

前言

7075属于目前国内外广泛使用的高强度超硬铝，具有降低飞行器重量、提高飞行性能等优势，是航天航空领域广泛使用的一种轻型结构材料。然而，7075铝合金的缺点在于硬度相对较低、化学活性高、粘性强，其耐磨和抗擦伤性能差，难于润滑。特别是在常用的钢-铝摩擦副中，由于铝和钢之间存在较大的固溶度，因而以发生铝向钢的转移，从而造成铝件的严重磨损[1]。因而研究7075铝合金的摩擦磨损行为对改善铝合金的使用性能、使用环境，增强铝合金的使用寿命尤为重要。

李广宇[18]等人研究发现某些添加剂能提高7075铝合金的润滑性能，减小铝合金的磨损。葛灵丹[19]等人研究发现随着温度的升高，7075铝合金的耐磨性下降。本课题对7075铝合金进行干摩擦往复运动下磨损试验，研究不同时效工艺对磨损性能的影响，和不同载荷、不同转速、不同磨损时间下的磨损性能，并对其磨损机理进行了探讨。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本次试验采用的是轧制态铝合金，其成分如表1所示。

表1 7075铝合金的成份

1.2 试验材料的热处理

首先将试样进行SXL-1008箱式电阻炉进行固溶处理，固溶温度470℃，保温30min后快速水淬。接着，进行试样的时效处理工艺。将水淬后的试样逐个放入电阻炉进行保温，分别将试样在120℃保温8h，16h，24h，36h，48h。

1.3 摩擦磨损试验

(1)试验前用金相砂纸对各试样表面进行研磨，抛光，用无水乙醇清洗试样表面并吹干，保证在进行摩擦磨损试验时试样受力和磨损均匀。

(2)将时效后的试样在HSR-2M型高速往复摩擦磨损试验机上依次进行试验。试验设置载荷为50N，转速为500转/分，磨损时间为20min。每一组参数的试验前都应先用精密电子天平称出试验前试样的质量，并记录数据试验后再对试样称重并记录磨损后的质量数据，并记录摩擦磨损过程数据。

(3)在J12-50体式显微镜下对表面的摩擦磨损形貌进行观察。

2 试验结果及讨论

摩擦磨损数据的比较中，我们可以得出时效时间对磨损量及摩擦系数影响变化的一般规律，其磨损量和摩擦系数都呈现了先降低后上升的趋势。即在时效时间为16h和24h时，具有较低的磨损量与摩擦系数。摩擦系数在24小时峰时效的时候降低到0.4565。

表2 不同时效时间下磨损量与摩擦系数

7075合金在24h之后处于过时效，此时随着时效时间的增长，其磨损量增多，耐磨性能愈差。7075铝合金在120℃单级时效处理时铝合金硬度的峰值是24h。

铝合金在加热、快速冷却时，形成过饱和固液体。其中存在着大量的空位，因而加速了溶质原子的扩散速度。7075铝合金在时效处理8h时，在晶体内部的富集区开始从GPⅠ向GPⅡ转变，过饱和固溶体种的富集溶质原子逐渐从无序像有序转变。因此，材料的硬度逐渐提高，比未进行时效处理的具有更高的硬度，因此材料的耐磨性较好，磨损量显著减小。

在经过16小时时效处理后，其硬度已接近峰值，之后的硬度值缓慢增长，到24h时达到峰值[19]。7075铝合金在时效处理16h后依然处于亚时效阶段，此时随着时效时间的增长，其硬度上升，因此磨损量下降，材料的耐磨性能愈好。随着时效时间的延长，在轧制态铝合金内部，大量的Mg(Zn,Cu)2、Al3(Ti,Zr)以及Mg2Si的第二相，以及时效后形成的η、η/相，使得7075铝合金在24h时效处理处于峰时效阶段，此时材料的硬度最高，因此材料的耐磨性提高，摩擦系数减小。因此我们可以得出，7075铝合金的耐磨性时效峰值与硬度时效峰值趋于一致。

图1 7075铝合金摩擦磨损形貌

图1为7075铝合金经过时效处理后的摩擦磨损形貌。由图中观察发现，时效时间为16h和时效时间为24h的划痕宽度相对较窄，磨损表面相对较暗；当时效时间为48h时，划痕宽度较大，磨损表面更为光亮，磨损破坏程度显著增大。因此我们可知单级时效下，7075铝合金在16h到24h之间达到峰值，在48h时破坏程度最大，处于过时效阶段。

7075铝合金纳米析出相的弥散强化是AlZnMgCu合金的强化机制，合金硬度依赖纳米析出相的形貌、大小、结构及分布状态。随着时效时间由8h到24h转变时，析出相分布均匀弥散，平均尺寸有所增长、增厚；从24h时效至48h时，析出相进一步粗化长大，密度下降。因而在8h到48h的时效处理下，7075铝合金的摩擦磨损性能在16h和24h之间达到最优值，在两端处摩擦磨损性能下降。

根据对摩擦磨损痕迹的深入分析，其磨损机制以氧化磨损为主。随磨损时间的加长，摩擦过程产生的大量的热来不及散出去，使粘着导致材料的脱落形成一层氧化物，试样磨损表面的氧化物层不仅起到润滑作用，而且有效地隔离了两个摩擦表面，减少了金属与偶件之间的直接接触，在摩擦力的作用下，脆而硬的氧化层很容易破碎，从而使基体金属裸露出来，造成基体撕裂，氧化顺着沟槽向内部扩散，磨损过程中就是薄而脆的氧化膜不断剥落生成磨屑，由于无法及时排出而在磨损面来回碾压，有的重新进入摩擦副。而随着磨损时间的增加，磨损试样边缘开始伴有微量的变形。