超声冲击对AZ91D镁合金耐磨性的影响

徐林林　刘堂胜

摘 要：对AZ91D镁合金进行超声冲击处理，然后使用扫描电镜等观察冲击前后组织的变化，接着对不同冲击参数的镁合金试样进行磨损试验。实验结果表明，超声沖击处理能提高AZ91D镁合金的耐磨损性能。经分析计算，当冲击电流为1.2 A，冲击时间为3 min、6 min、9 min时，AZ91D镁合金的耐磨性分别提高了23.91%、40.00%、49.13%；当冲击电流为1.5 A，冲击时间为3 min、6 min、9 min时，AZ91D镁合金的耐磨性分别提高了53.48%、55.23%、57.40%。

关键词：超声冲击 AZ91D镁合金 扫描电镜 耐磨性

中图分类号：TG14 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）01（c）-0082-04

镁合金具有高的比强度和比刚度、良好的导热导电性以及良好的机加工性能，而且对周围环境没有任何有害的影响[1]。所以，镁合金是一种十分理想的现代工业结构材料，成为近几年国内外研究和发展的热点与重点，应用前景极为广泛。然而镁合金的实际强度较低以及耐磨耐蚀性较差也是被公认的，镁合金较低的实际强度以及较差的耐磨耐蚀性能成为限制镁合金实现更为广泛应用的主要障碍。因此要大力发展镁合金的应用，关键之一在于提高镁合金的实际强度以及解决镁合金的耐磨损问题。

超声冲击是一种新型的表面强化技术，在该试验中，通过对AZ91D镁合金表面进行超声冲击处理，使其达到表面强化的目的；然后通过实验观察超声冲击后镁合金磨损性能的变化，从而研究超声冲击对AZ91D镁合金耐磨性的影响。

超声冲击是利用大功率的能量推动冲击头高频率地冲击金属表面，从而使金属表面实现纳米化加工处理的新方法[2]。近年来，使用超声冲击纳米化技术已经在很多金属材料表面获得了纳米晶体结构，生产出的纳米材料在相应领域的应用研究已经取得重大进展。

1 实验材料、设备和方法

1.1 试验材料的准备

该试验用材料为AZ91D镁合金，首先将坯料通过线切割设备切成7 mm厚的片状材料；冲击试验试件主体尺寸为120 mm×84 mm×7 mm，然后在材料上进行不同工艺参数的超声冲击试验，试样表面冲击好后，再用线切割机切成所需要的试样尺寸30 mm×7 mm×7 mm。冲击前要对待冲击面进行预磨处理，使表面光洁度提高并去除氧化物。

1.2 确定超声冲击参数

为了初步了解超声冲击对AZ91D镁合金的冲击效果，先在一块AZ91D镁合金试样上分别用冲击电流为1.2 A、1.5 A、2.0 A的冲击参数进行试冲击，冲击时间为10 min。冲击后的试样见图1。

在超声冲击电流为1.2 A时，经过10 min（划线区域）的冲击后，材料表面十分光滑，部分区域存在黑色物质。

在超声冲击电流为1.5 A时，经过10 min（划线区域）的冲击后，材料表面没有黑色物质，可见冲击效果要优于冲击电流为1.2 A时的冲击效果。

在冲击电流为2.0 A时，冲击5 min后，板材出现裂纹及整块材料出现弯曲现象，说明冲击电流为2 A时冲击能量过大，不适宜对此种类型的板材进行冲击。

在进行超声冲击的试冲击试验后，初步确定该试验中所用的电流参数为1.2 A和1.5 A；冲击时间经过换算后确定为每种电流参数下分为3种情况，具体参数如表1所示。

1.3 试验内容及所用设备

（1）超声冲击试验。

常见的超声冲击系统主要由两部分组成，即超声波发生系统和超声振动系统。超声波发生系统的主要目的是将交变电流转换为超声频的电振荡信号。超声振动系统是把高频的交流电能转换为高频机械振动能，并将振动幅值放大，推动冲击针撞击处理工件来进行工作。超声振动系统主要由超声换能器[3-4]、变幅杆[5]和冲击工作头组成。该次试验的第一个步骤是在AZ91D镁合金上进行超声冲击，所采用的超声冲击设备为HJ-Ⅲ型超声冲击机。

（2）磨损试验。

摩擦磨损试验所需AZ91D镁合金试样的尺寸为7 mm×7 mm×30 mm，在磨损试验前，先用无水酒精把试样清洗干净，并用吹风机吹干；试验前，先用电子天平测量试样质量M1（先后测3次，取平均值）；然后，预磨损3 min后再次用无水酒精清洗干净，再次用吹风机吹干后用电子天平测量质量M2（先后测3次，取平均值）；最后磨损15 min后，重复上述过程测得M3。

磨损试验在M2000型试验机上进行。磨损机的下滚轮材料为GCr15钢，硬度为HRC61，转速为200 r/min，压力为300 N；对磨试样是不同工艺参数超声冲击后的AZ91D镁合金，两者接触面是超声冲击后的试样。耐磨性采用称重法评定，用感量为万分之一克的ESJ205-4型分析天平称量。

磨损试验后，为了更好地观察各试样磨损面的形貌，对各试样的磨损表面进行扫描电镜试验。在进行扫描电镜试验前，要仔细清洗试样，以免试样表面的杂质对扫描电镜设备造成损害。

2 试验结果讨论及分析

磨损时零件表面的损坏是材料表面单个微观体积损坏的总和。对材料磨损进行评定的方法常见的有磨损量、耐磨性和磨损比。该试验采用了磨损量来评定超声冲击前后AZ91D镁合金的磨损性能。

该试验中，超声冲击后的AZ91D镁合金经线切割加工成尺寸为30 mm×7 mm×7 mm的条形试样。试验条件为干摩擦，环境温度为20 ℃左右，预磨损时间为3 min，载荷300 N；预磨损3 min后，再次磨损时间为15 min。

每组试验参数选取6个试样进行磨损试验，另外处理数据时，每组参数的磨损试验数据去掉一个最大值和一个最小值的试样（这样做的目的是为了避免有的试样冲击不均匀所造成的试验误差），摩擦磨损试验结果如表2所示。

从表2中可以看出，与未超声冲击的试样相比，超声冲击能有效提高AZ91D镁合金的耐磨损性能，随着冲击时间的增加，材料的耐磨损性能都有逐步的提升；在相同冲击电流参数下，随着冲击时间的增加其耐磨损性能都有一定的提升。冲击电流1.5 A时，随着冲击时间的增加，其耐磨损性能的提升不大；在冲击电流为1.5 A，冲击时间9 min时，耐磨性提升幅度最大，与未进行冲击的试样相比，耐磨性提高了57.4%。

为了更好地观察各冲击参数下AZ91D镁合金的磨痕表面的微观形貌，通过扫描电镜观察了AZ91D镁合金经不同冲击参数下的磨痕表面，结果见图2。

从图2中也可以观察出，随着超声冲击时间的增加，试样表面磨痕程度逐渐下降，说明AZ91D镁合金的耐磨损性能在逐渐提升。但是冲击参数为1.5 A、6 min和1.5 A、9 min的试样上，都存在部分区域磨损情况十分剧烈，这种现象产生原因可能是试样表面不平整从而导致在摩擦的过程中受力不均匀，进而产生了局部的剧烈磨损现象。但总体来说，超声冲击对AZ91D镁合金的耐磨损性能有着极大改善，随着冲击时间的增加，其耐磨损性能越好。

3 结语

该文分析了AZ91D镁合金超声冲击前后耐磨性变化，得出分析结果，总结如下。

（1）超声冲击后AZ91D镁合金的晶粒得到了細化。

（2）超声冲击后AZ91D镁合金的耐磨性能明显提高了。

经分析计算，当冲击电流为1.2 A，冲击时间为3 min、6 min、9 min时，AZ91D镁合金的耐磨性分别提高了23.91%、40.00%、49.13%；当冲击电流为1.5 A，冲击时间为3 min、6 min、9 min时，AZ91D镁合金的耐磨性分别提高了53.48%、55.23%、57.40%。

综上所述，超声冲击处理能提高AZ91D镁合金的耐磨损性能，对AZ91D镁合金来说超声冲击处理是一种比较好的表面强化方法，该强化方法在其他材料的使用上也将大有用途。AZ91D镁合金耐磨性能得到了改善，在工业中就能发挥它性能上的优势，成为比较实用的环保材料。

参考文献

[1] 丁文江.镁合金科学与技术[M].北京：科学技术出版社，2007：365-367.

[2] 何柏林，余皇皇.超声冲击表面纳米化研究的发展[J].热加工工艺，2010，39（18）：112-115.

[3] 鲍善惠.B3用电流角分析超声换能器的匹配问题[J].声学技术，1996（4）：175-177.

[4] 林书玉.超声换能器的原理及设计[M].北京：科学出版社，2004.

[5] 林仲茂.超声变幅杆的原理和设计[M].北京：科学出版社，1987.