新型铝合金的组织与耐磨性能研究

2020-01-17吴广新

上海金属 2020年1期

张波陈伟吴广新

（1.贵阳产业技术研究院，贵州贵阳550081；2.贵阳产业技术研究院有限公司，贵州贵阳 550081；3.贵阳职业技术学院，贵州贵阳 550082；4.省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室，上海 200444；5.上海市钢铁冶金新技术开发应用重点实验室，上海 200444；6.上海大学材料科学与工程学院，上海 200444）

铝合金具有高比强度和高比刚度等优良性能，广泛应用于各种工业及汽车制造业。ZL109铸造铝合金的热膨胀系数小，耐热性和耐磨性好，常用来制造内燃机活塞。但其较差的耐磨性能，尤其是低的粘着抗力使其应用受到一定的限制。

研究表明，在铝合金中添加合金元素可以改善其性能。Si可以改善铝合金的耐磨性，并且随着Si含量的增加，铝合金的耐磨性提高。但含量过高的Si会在铝基体中形成粗大、多角的初晶Si相，从而割裂基体，降低铝合金的力学性能。所以通常情况下铝合金中Si含量一般不超过共晶成分（质量分数为 12%）［1-2］。

Sr在Al-Si合金中一般起变质作用。通过在Al-6Si-3Cu-0.3Mg铝合金中添加Al-5Sr变质剂，发现共晶Si的形貌随着Sr含量的增加逐渐由粗大条块状转变为细小弥散的纤维状。除了对形貌的影响，Sr还显著影响共晶Si的尺寸。随着Sr含量的增加，共晶Si不断细化。当Sr的质量分数达到0.06%时，共晶Si尺寸已无明显变化，此时含Sr化合物明显增加，发生过变质，从而对材料性能产生不利影响［3］。少量Sr能使共晶硅相由粗片状转变为细纤维状，这是因为Sr具有杂质诱导孪晶和限制共晶Si相生长的作用［4］。经过Sr变质处理后，Al-Si-Cu-Mg合金中共晶Si转变为纤维状，减弱了其对基体的割裂作用，合金的硬度、抗拉强度和断后伸长率都得到了提升［5］。

适量的Cu可以强化铝合金。这是因为随着Cu含量的增加，共晶Si由片状逐渐转变成细小弥散分布的球状，并且Al2Cu强化相所形成的铝基固溶体也具有一定的强化作用［6］。贾祥磊等［7］研究了Cu对 Al-Si-Cu-Ni合金组织和力学性能的影响，发现合金中的Al-Ni-Cu相和弥散析出的CuAl2过渡相随着Cu含量的增加而增加，从而使Cu的质量分数在2.4% ～3.8%时，Al-Si-Cu-Ni合金的室温及高温强度和硬度都会随Cu含量的增加而提高。在Al-12.5Si-1.0Mg合金中加入不同量的 Cu，析出了共晶 Al2Cu相和Al5Cu2Mg8Si6相，经过热处理后仍保留在基体中，使铝合金的硬度和耐磨性提高［8］。

Mg在Al-Si合金中也具有一定的强化作用。在Al-20Si合金中添加0.9%Mg（质量分数，下同）后，合金中的初生硅和共晶硅均得到显著细化，共晶硅由长针状转变为短针状，分布更加均匀，合金的抗拉强度明显提高［2］。此外，合金中Mg2Si出现强化相的析出，使Al-Si合金的力学性能明显提高［9］。但陈忠伟等［10］发现，过高的 Mg含量会粗化未变质的共晶Si相，并降低Sr的变质效果。

在铝合金中添加Fe，可以弥补硅含量的降低引起的力学性能的下降，提高合金的耐磨性［11］。当Fe的质量分数由0.15%增加到0.70%时，Al-Si合金的硬度提高约10%，耐磨性提高约10%。当铁的质量分数达到2.5%后，Al-Si合金的硬度进一步提高，而耐磨性降低70%以上［12］。Fe在铝硅合金中一般被认为是有害元素。在Al-Si合金中添加Fe会析出Al5FeSi针状金属间化合物，以弥散粒子的形式分布在合金基体中。但它与基体的结合强度较低，与基体间的界面易产生微裂纹，导致力学性能降低［13］。这种富铁针状相的裂纹敏感性较高，增加了材料表面产生微裂纹和分层的倾向。

添加Mn的主要作用是减小Fe的有害影响。在Fe的质量分数小于1%的铝合金中加入Mn可以减少或完全抑制Al5FeSi相的形成［14］。当 Fe的质量分数大于1%时，加入Mn后形成了“田”字状的AlSiFeMn四元相，大大提高了合金的抗拉强度，有效降低了针状Al5SiFe相的有害作用［15］。在ZL109合金中添加Mn，随着Mn含量的增加，Mn不断地固溶于Al9FeNi耐热相中，使Al9FeNi相的晶格结构更加复杂，提高了耐热相的热稳定性，从而显著增强了该相的高温强化效果。但Mn含量过高的ZL109合金的抗拉强度由于含Mn相形态的改变及其高温稳定性的不同而下降［16］。

基于上述合金元素的综合作用，本文通过在ZL109合金中添加不同量的合金元素，熔炼了一种新型铝合金，并与ZL109合金的组织和力学性能作了对比。

1 试验材料与方法

试验选用的熔炼原料由华中铝业公司提供，所设计铝合金的名义成分和实测成分如表1所示。

表1 新型铝合金的名义成分和实测结果（质量分数）Table 1 Nominal and measured chemical compositions of the tested alloy（mass fraction） %

在井式电阻炉内进行熔炼。与合金接触的工具必须预热并刷上涂料（氧化锌15%，水玻璃3%，水82%），加热烘干。一方面是为了防止带入杂质，另一方面是为了使铝合金与工具不粘附，易于操作。待刚玉坩埚预热至暗红后，加入预热至200℃的60 g ZL109合金和108.12 g Al-20Si中间合金、9.46 g Al-Cu合金（Cu的质量分数为48.46%）、2.88 g Al-Mn合金（Mn的质量分数为26.75%），2.7 g Al-Fe合金（Fe的质量分数为10.56%）。添加覆盖剂（50% NaCl，50% KCl），加入量约为铝液总质量的0.1% ～0.2%。为了保护合金液不被氧化或引入气体，进而影响合金质量，将合金加热到780℃全部熔化后，用刚玉棒搅拌均匀，然后用石墨钟罩压入0.85 g Al-Sr合金（Sr的质量分数为6.82%），进行变质处理。待合金全部熔化后，在760℃保温20 min。保温期间，用刚玉棒不断搅拌。保温后，加入质量分数为0.8%的六氯乙烷进行精炼，目的是去除合金中溶解的气体及一部分夹杂。最后后用撇渣勺进行撇渣，保温一段时间后用预热至300℃的石墨坩埚进行浇注。

对已熔制的合金锭块钻取粉末样，使用电感耦合等离子体发射光谱仪（Plasmal1000）测定合金元素含量。使用维氏硬度计测量ZL109与新型铝合金的硬度，测量5个点取平均值，试验力为500 g，加载时间为15 s。

采用MM-W1万能摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验，盘材料分别为ZL109和新型铝合金，尺寸为φ35 mm×5 mm；对磨销为40Cr钢，尺寸为φ8 mm×8.5 mm。试验力为100 N，无润滑油，转速为 200 r／min，对磨时间 30 min。

利用扫描电子显微镜（SEM）观察合金的组织与磨损形貌，并用能谱仪进行EDS分析。

2 试验结果与分析

2.1 新型铝合金与ZL109合金的显微组织对比

图1为ZL109和新型铝合金的显微组织。结合表2和表3中的元素成分EDS分析结果可知，ZL109合金由初晶硅、共晶硅、AlMnFeSi相和AlFeSi相组成。与ZL109合金相比，新型铝合金中的针状AlFeSi相消失，AlMnFeSi相的数量明显增加。这是因为，Mn的加入对Fe有中和作用，能吸附合金中的杂质Fe，抑制AlFeSi相的形成，促进形成无害的AlMnFeSi相，从而减小Fe对合金组织的不利影响。

图1 ZL109和新型铝合金的微观组织Fig.1 Microstructures of the ZL109 and new type aluminium alloys

表2 图1中ZL109合金的能谱分析结果（原子分数）Table 2 EDS analysis results of the ZL109 alloy in Fig.1（atom fraction） %

表3 图1中新型铝合金的能谱分析结果（原子分数）Table 3 EDS analysis results of the new type aluminium alloy in Fig.1（atom fraction） %

此外，可以发现两种合金的初晶硅都呈块状，但新型铝合金中的初晶硅数量较少，且共晶硅相也由针片状转变为细小的纤维状，均匀地分布在基体中。这是由于新型铝合金在ZL109合金的基础上加入了Sr，Sr对共晶Al-Si合金起变质作用所致。因此，初晶硅数量的减少与共晶硅的细化使其对基体的割裂作用减小，从而使合金的硬度增加，耐磨性提高。

2.2 新型铝合金和ZL109合金的力学性能对比

ZL109和新型铝合金的力学性能检测结果见表4。可见与ZL109合金相比，新型铝合金的密度变化不大，但显微硬度明显提高，磨损率明显降低。一方面是由于新型铝合金中含Mn结晶相AlMnFeSi的出现。室温下Mn在铝基固溶体中的溶解度仅为0.05%，多余的不能固溶的Mn将以第二相的形式析出，含Mn第二相的硬度较高，能明显强化合金。在冷变形过程中，含Mn第二相不仅阻碍位错的运动，而且会造成位错的增殖，使位错的密度升高，促进金属的加工硬化。但过多的含Mn第二相将对合金的韧性产生不利的影响。另一方面是由于变质处理，使共晶硅由针片状转变为细小纤维状，初晶硅数量也减少，从而减小了对基体的割裂作用，导致合金的硬度增加，耐磨性提高。

图2和图3为ZL109和新型铝合金的磨损表面形貌。对比可见，ZL109合金磨损更严重。在摩擦磨损过程中，ZL109合金受到强烈的挤压和摩擦，晶粒间的某些粘结相被挤出，形成犁沟状磨痕，犁沟状磨痕与磨损方向一致，磨损面发生塑性变形。新型铝合金的摩擦磨损较小，表面有不同程度的划痕，犁沟较浅，塑性变形较小。