改性超细SiC粉体对ZA27合金耐磨性能的影响

刘桂林，阎志明，陈美玲

(大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028)

我国是锌储量丰富的大国，开发锌铝合金的应用具有很大的前景.铸造ZA27合金由于具有高的抗拉强度、良好的耐磨性能、价格低廉等优点[1-3]，在制造耐磨零部件如齿轮、轴承轴套、蜗轮等时常用于取代铜、铝合金.因此，提高ZA27合金耐磨性能就成为目前的主要研究方向[4-5].

近年来，许多专家[6-11]通过添加变质剂Ni、Zr、Ti、Cu和稀土等改变ZA27合金的显微组织，使其耐磨性能等提高；闫淑卿等[11]采用电解法把钛添加到锌铝合金中，添加0.04%的Ti后，显微组织明显细化、二次枝晶臂间距减少了13.8%，从而合金耐磨性能得到提高；王艳芹等[12]通过复合添加0.4%Mn和1%Al2Ti2B使ZA27合金的耐磨性能有一定的提高.

SiC材料本身具有高硬度、低膨胀系数和较好的耐磨性等特点，应用比较广泛，所以SiC颗粒成为一种很好的增强体材料，这就使得一些学者们[13-16]通过添加SiC颗粒来增强合金的综合性能，虽然都取得了很好的强化效果，但添加SiC颗粒的量相对较多.如：AURAS等通过添加8%～16% 的SiC提高合金的耐磨性；谢敬佩等通过添加30%的SiC颗粒使ZA27合金的耐磨性能提高了126.5倍.但SiC与金属熔体的润湿性不是很好，这就需要对SiC做一些预处理或者通过不同的加入工艺[17]使其增强效果更好.

作者采用机械化学法制备超细SiC粉体，再经合金元素复合和改性处理后，制成复合粉体.改性后的超细SiC粉体可以直接加入到合金熔体中，粉体与熔体能够很好地润湿，而且加入量很小，约为0.01%～0.2 %，材料金相组织呈现明显变化，同时有效提高了金属的一些综合性能，从而节约制造成本.前期研究已将改性超细SiC粉体应用到灰铸铁、球墨铸铁、碳钢和不锈钢中[18-21]，为了继续研究改性超细SiC粉体在金属中的作用机理，针对将不同量的改性超细SiC粉体添加到ZA27合金中，通过金相显微镜、扫描电镜、耐磨试验研究合金组织及耐磨性能的影响，探讨改性超细SiC粉体提高ZA27合金摩擦磨损性能的基本原理，为改性超细SiC粉体作为金属添加剂的理论与应用研究奠定基础.

1 试验材料及方法

本研究所用材料为ZA27合金，其化学成分为：Al含量27%，Cu含量2.4%；Mg含量0.02%，其余为Zn.利用AGO-Ⅱ型行星球磨机制备改性超细SiC粉体，图1为原始SiC颗粒和改性超细SiC粉体的形貌图，改性后d50粒径范围为0.184～2.748 μm.采用坩埚电阻炉熔炼ZA27 合金，在温度680 ℃时分别加入0%、0.05 %、0.1 %、0.5 %、 1 % 的 改 性 超 细 SiC 粉 体， 保 温 3 min，降温至630 ℃时浇注到基尔试块(已进行预热200 ℃)模具中.

(a) 原始SiC颗粒 (b)改性超细SiC粉体图1 SiC粉体的扫描形貌图

距铸锭底部20 mm处制备金相试样，经研磨、抛光后，利用4%的硝酸酒精溶液腐蚀，在日本基恩士 VHX-1000E三维视频显微镜、ZEISS金相显微镜和德国ZEISS SUPRA 55场发射扫描电镜下进行合金组织观察和分析.制备销样，经研磨、清洗，用分析天平进行试样质量测量，在MM-W1摩擦磨损试验机上进行试验，摩擦副为45#钢的试样环，载荷选用40 N，摩擦磨损的时间为3、4、5 min，在无润滑条件下进行干摩擦磨损实验，实验结束后清洗，并测量试样质量.采用两次质量之差即磨损失重量评定耐磨性；用三维视频显微镜观察试样表面磨损程度.

2 试验结果

2.1 组织观察

2.1.1 金相组织观察

添加不同量改性超细SiC粉体的ZA27合金金相组织如图2所示.由图2 (a)可见，未添加改性超细SiC粉体的ZA27合金组织，由富Al枝晶和枝晶间的共晶组织组成，晶粒粗大，具有明显的方向性[22]；随着加入量增加，枝晶变短，富Al-α相由树枝晶组织向等轴晶组织转变，当改性超细SiC粉体加入量达到0.1%时，合金树枝状组织已基本转变为柱状组织，枝晶组织的细化效果最优(如图2(c)所示)；当加入量为0.5%、1%时，枝晶组织略有增加，但晶粒大小基本未发生变化(如图2(d)、2(e)所示).

图2 改性超细SiC粉体加入量(0～1%)的ZA27合金金相组织图

2.1.2 扫描电镜组织观察

图3所示为添加不同量改性超细SiC粉体的ZA27合金SEM图像.由图3 (a)可见，未添加改性超细SiC粉体的ZA27合金组织中的ε相(白色)呈网状分布，有许多尖角.随合金中加入量的增加，ε相向规整化转化，网状组织被破坏，许多尖角消失，当加入量为0.1%时，网状ε相变成颗粒状，许多尖角钝化(如图3(c)所示).当加入量为0.5%、1%时，ε相重新连接成网状(如图3(d)、3(e)所示).

图3 改性超细SiC粉体加入量(0～1%)的ZA27合金的ε相的分布图

2.2 耐磨性能分析

2.2.1 磨损量分析

图4为在载荷40 N下，磨损时间分别为3、4、5 min，添加(0～1%)改性超细SiC粉体的ZA27合金的耐磨试验结果.由图可知，随着时间增加，磨损量逐渐增大，但磨损率变化不大；加入量增加，磨损量降低，磨损率逐渐减小；加入量超过0.1%，合金磨损量和磨损率均有所提升，当加入量为0.5%～1%时，合金磨损量和磨损率变化不大.总体上添加改性超细SiC粉体的ZA27合金磨损量和磨损率均低于未添加的ZA27合金.当添加量为0.1%时，磨损量和磨损率最小，耐磨性能较未添加改性超细SiC粉体的ZA27合金提高30.4%.

(a) 磨损量

(b) 磨损率图4 改性超细SiC粉体加入量(0～1%)对ZA27合金耐磨性的影响

2.2.2 磨损表面形貌分析

图5为添加(0～1%)改性超细SiC粉体的ZA27合金摩擦磨损后的三维扫描形貌图.总体表现为磨痕与滑动方向平行的犁削沟槽，说明均是磨粒磨损，未添加改性超细SiC粉体的ZA27合金试样表面有较深的沟槽，而且表面有很多剥落的大小不一的斑痕，磨粒磨损严重；随着改性超细SiC粉体的加入，沟槽由深变浅，之后又由浅变深，与磨损量的趋势一致，磨粒磨损的程度由重到轻，又由轻到重.磨损犁削沟槽的深度从50.60 μm降到24.05 μm；当改性超细SiC粉体的加入量为0.1%时，试样表面磨损沟槽比较浅，沟槽最深为20.09 μm，相对较细密，有少量剥落的凹坑，说明磨粒磨损程度轻同时伴有轻微粘着磨损的特点.

(a) 0%

(b) 0.05%

(c) 0.1%

(d) 0.5%

(e) 1%图5 改性超细SiC粉体加入量(0～1%)对ZA27合金磨损形貌的影响

2.3 讨论

添加改性超细SiC粉体一定程度上改变了α相和ε相的形态，组织得到一定程度的细化.究其原因，SiC粉体在高能球磨过程中，被反复破碎和焊合，产生大量的结合界面，形成细化的多层状复合颗粒，由于塑性变形，使内部缺陷(空位、位错等)增加，SiC粉体的性质得到改变，所以改性超细SiC粉体能为锌铝合金提供大量的异质形核质点，为晶核形成提供更多的基底，使其在凝固过程中，能以较低的过冷度形核，细化合金组织.当改性超细SiC粉体的加入量达到一定程度后，形核质点过多，金属熔体不能为其提供晶核生长所需的能量，因此，晶粒组织也不能进一步细化.另外，当改性超细SiC粉体过多时，大量的形核质点相互接触机率增大，使其尺寸增大，从而沉积到坩埚底部，影响细化效果.

ZA27合金组织形态以树枝晶为主，树枝晶对耐磨性没有太大帮助，粉体能起到细化组织的作用，也能作为硬质点，使其耐磨性能得到提高；其中网状ε相由于改性超细SiC粉体的加入变得规整化和钝化了，使ZA27合金在摩擦磨损时最大程度削弱了网状ε相尖角的割裂基体能力，减少了裂纹源的产生；当添加量超过一定程度后，多出来的粉体不能与基体牢固结合，不能作为硬质点，就可能成为裂纹源，从而促进裂纹扩展，剥落机制的磨损使得耐磨性又降低.

摩擦磨损过程中，超细SiC粉体首先作为一个硬质点，这样硬质点数量比相同量的普通SiC粉体多，与基体能更好的结合；再者改性后的粉体细化合金组织，使组织更加致密，两者结合使得加入粉体的比未加入粉体的合金耐磨性高.加入一定量的改性超细SiC粉体作为微凸体抵抗摩擦就能起到提高锌铝合金的耐磨性，超过一定量后多余的SiC并不能全部与基体很好结合反而变成摩擦第三体，粘着在摩擦副上，使得基体的磨损沟槽变深，这就使得摩擦表面有很多犁削沟槽，所以锌铝合金的摩擦形式表现为磨粒磨损为主.

3 结论

综上所述，可得出如下结论：

(1)添加改性超细SiC粉体熔炼ZA27合金，可以有效细化晶粒；但是，改性超细SiC粉体加入量有一定约束，加入量为0.1%时，ZA27合金组织最为致密，ε相呈颗粒状，许多尖角钝化;

(2)添加改性超细SiC粉体熔炼ZA27合金，能够提高合金的耐磨性能，加入量为0.1%时，磨损性能最好，耐磨性能提高30.4%;

(3)添加改性超细SiC粉体熔炼ZA27合金，磨损形式以磨粒磨损为主，当加入量为0.1%时，摩擦表面犁沟最浅，沟槽最深为20.09 μm.