Fe对过共晶铝硅合金高温磨损性能的影响

梁新理　黄大贺　王金国　刘玲卓　付璟璟

摘 要：研究了Mn对过共晶铝硅合金中富铁相的影响，对比了铸态下Al-16Si和经过Mn变质后的Al-16Si-2Fe在不同温度下的摩擦磨损行为，总结了基体合金和新型过共晶铝硅合金的干摩擦磨损机理。

关键词：过共晶铝硅合金；富铁相；摩擦磨损试验机；干摩擦

中图分类号：TG292 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.21.012

1 概述

基于汽车轻量化的要求，过共晶Al-Si合金缸套的使用已经成为发展趋势，其具有质量轻、热导率大、与新型的铝合金缸体和活塞的热胀系数更匹配等优点。德国等已经用喷射沉积法批量生产了共晶铝硅合金缸套，并成功应用于“全铝发动机”。而国内主要采用铸造法生产过共晶合金缸套。缸套在高温下的磨损失效是其主要失效形式，因此，考虑添加Fe元素以提高其高温磨损性能。但Fe的加入具有两重性，一方面会在铸造过共晶Al-Si合金中形成粗大的富铁相割裂基体，使合金的耐磨性下降；另一方面，合金中形成的富铁相会提高其高温稳定性。所以，本文采用中和元素Mn细化过共晶Al-Si-Fe合金中的粗大富铁相。

研究表明，不同的Mn/Fe质量比合金中地富铁相形貌不同。本文在实验中发现，向过共晶Al-16Si-2Fe合金中加入Mn后，随着Mn含量的增加，组织中粗大的长针状富铁相开始消失，逐渐变为细小的枝晶状和粒状。随着合金中的Mn含量达到2%，即Mn/Fe质量比为1∶1时，过共晶Al-16Si-2Fe合金中的富铁相全部转变为细小的枝晶状和颗粒状，Mn对合金中富铁相的细化效果最佳；进一步增大Mn含量，AlSiFeMn四元相开始长大，当Mn/Fe质量比超过1∶1，继续增加Mn含量至4%时，Mn对富铁相的细化作用几乎完全消失，合金中又会重新出现粗大的长针状四元富铁相组织。因此，本文采用Mn/Fe质量比为1∶1制备出新型过共晶铝硅合金Al-16Si-2Fe-2Mn，在型号为MG2000高速高温摩擦磨损试验机上进行销-盘式干摩擦磨损。

2 试验结果与分析

2.1 温度的影响

为了表述方便，在以下的表述中将过共晶Al-16Si合金简称为A合金，将Al-16Si-2Fe-2Mn合金简称B合金，并采用距离磨损率来表征材料的磨损率。试验时温度是唯一变量，施加

的载荷为10 N，磨损时间为20 min，试验机的转速为150 r/min，滑动速度为0.47 m/s，温度的变化范围为25～350 ℃。不同温度下A合金和B合金的磨损率如图1所示。

从图1可以看出，在达到临界转变温度之前，A合金和B合金的磨损率呈降低趋势，这种结果的出现与铝合金表面生成的氧化膜有很大的关系。在低温时，主要是试样与磨盘之间有直接磨损；当温度升高到一定程度时，合金表面生成的氧化膜增多，对试样产生保护作用。由于Al2O3的硬度很高，在磨损过程中，实际上相当于试样表面的氧化膜与磨盘进行摩擦，阻止了金属-金属这种形式的直接接触，从而降低了合金的磨损率。A合金、B合金的临界转变温度分别约为260 ℃和300 ℃，超过临界温度合金的磨损率均急剧增大。但在相同的试验温度下，B合金的磨损率要比A合金的小得多。由此可见，B合金中加入了Fe和Mn形成了较多弥散分布在基体中的高温稳定相，使得B合金在高温摩擦磨损时更能抵抗高温导致的软化现象，从而提高了合金的抗高温磨损性能。

在图2中，（a）（g）的温度为25 ℃，（b）（h）的温度为100 ℃，（c）（i）的温度为 200 ℃，（d）（j）的温度为260 ℃，（e）（k）的温度为300 ℃，（f）（l）的温度为320 ℃。从图2中可已看出，在常温时，A合金、B合金表面都出现了许多粘着坑。总体上，A合金在常温下的粘着磨损更严重。EDS分析表明，材料中O的质量百分比为27.31%，Fe的质量百分比为13.21%.基体合金A在磨损时表面被氧化，发生了质的转移，即摩擦过程中销试样和对磨盘中的元素相互扩散，对磨钢盘脱落的Fe的氧化物经摩擦黏在了A合金的表面上产生了转移膜。B合金中O含量为29.72%，Fe含量为9.89%.这表明在室温下合金A和合金B都发生了氧化磨损和粘着磨损。同时，A合金和B合金表面都有犁沟存在，说明常温下二者的磨损机理均为氧化磨损，磨粒磨损和轻微的粘着磨损。

图2中的（b）（c）（d）（h）（i）（j）分别是合金A和合金B在100 ℃、200 ℃和260 ℃时的磨损形貌。由磨损形貌可知，随着温度的升高，合金的磨损表面与常温时相比相对光滑，表面的粘着坑与常温时相比数量较少。这表明氧化膜的保护作用使合金避免了与对磨钢盘的直接摩擦。常温和200 ℃下，A合金、B合金的EDS分析结果如3和图4所示。从图3和图4中可知，A合金、B合金在200 ℃下磨损表面的氧含量都要比在常温下的高，由此也可进一步确定合金在较高温度下的磨损性能高于室温时的磨损性能，而表面氧化膜的保护作用是其重要原因。而在磨损试样表面检测到Cr元素是在干摩擦过程中Cr元素从对磨钢盘中通过扩散或对磨盘中的磨屑转移到试样表面的结果。

当温度达到300 ℃时，合金A的磨损表面出现了剥层和大量的孔洞，表面的物质已经大块脱落。由于摩擦的不断进行，试样表面出现裂纹并扩展最后形成了图3所示的孔洞。而B合金的磨损表面与A合金相比仍然较光滑，并有很多颗粒附着在上面，如图4所示。当温度为320 ℃时，合金A表面有很深的沟存在，这是材料表面物质大量脱落的结果。此时，合金B表面也开始出现表层物质脱落的现象。

2.2 基体和新型过共晶铝硅合金摩擦分析

大量的研究表明，合金在磨损时其表面会存在一层与材料的原始组织完全不同的混合层，也就是机械混合层（MML）。机械混合层的存在对合金的摩擦磨损性能有着重要的影响，对揭示材料的摩擦磨损机理起到了一定的作用。图5是A合金和B合金在不同磨损条件下的亚表层组织。在图5的（a）（b）中，绿线右侧为合金的机械混合层，红线和绿线之间为变形层，红线左侧为基体组织。对比（a）（b）可知，A合金的机械混合层厚度较大，且其破坏严重，机械混合层中有很多孔洞；而在相同条件下，B合金的机械混合层厚度较小且比较致密，正是致密的机械混合层在合金磨损时对合金起到了保护的作用，阻止了合金的严重磨损。

3 结论

本文采用传统铸造法制备了新型过共晶铝硅合金，用Mn对富铁相进行细化处理，对比了不同温度条件下基体和新型过共晶铝硅合金的高温摩擦磨损性能，并分析了其摩擦磨损机理，主要得出了以下结论：①过共晶Al-Si-Fe合金中加入适量的变质元素Mn后，粗大的针状富铁相变为细小的枝晶状和粒状四元富铁相，这些具有高温稳定性的硬质相弥散地分布在基体中，提高了合金的高温耐磨性。②新型过共晶铝硅合金与基体合金相比有着更高的临界转变温度和更强的抗磨损能力，在高温下具有更加优异的抗粘着磨损性能。在临界温度以下低温低载时，材料的磨损机理主要为磨粒磨损；高温低载时其主要磨损机理为氧化磨损和轻微粘着磨损；当温度超过临界点后或施加的载荷较大时，材料的磨损机理主要为严重的剥层磨损或者熔化磨损。

参考文献

[1]马鸣图，石力开，熊柏青.喷射沉积成型铝合金在汽车发动机缸套上的应用[J].汽车工艺与材料，2001（02）.

[2]孙廷富，张树勇，杨波.高硅铝合金缸套/缸体制造技术及应用[J].兵器材料科学与工程，2013（06）.

[3]Choi H，Konishi H，Li X.Al 203nanoparticles induced simultaneous refinement and modification of primary and eutectic Si particles in hypereutectic Al-20Si alloy.Materials Science & Engineering A，2012，541（16）.

[4]文申柳，李林鑫，陈显均.Mn、Fe质量比对Al-15Si-3Fe合金组织与性能影响[J].特种铸造及有色合金，2014（12）.

[5]谢壮德，沈军，孙剑飞，等.快速凝固Al-Si合金干摩擦条件下的磨损特性[J].材料工程，2002（10）.

[6]Li X Y，Tandon K N. Microstructural characterization of mechanically mixed layer and wear debris in sliding wear of an Al alloy and an Al based composite.Wear，2000，245（S1）.

〔编辑：张思楠〕