硬质颗粒TiC对Al-Sn-Cu合金性能影响研究

曹刚，尹延国，李聪敏，许明，李蓉蓉

(合肥工业大学 机械工程学院，合肥 230009)

我国是铝材生产应用大国，铝合金材料在工程机械等领域有重要的应用，特别是在一些精密零部件上，经过特别加工制造的铝合金材料具有无可替代性[1]。随着社会的发展进步，铝基材料作为新型滑动轴承材料逐渐被更多研究人员重视[2-4]。良好的抗黏咬性、耐磨减摩性、耐腐蚀性、顺应性和嵌韧性等综合性能是新型铝基材料的特点，同时又具有密度小，导热性好，承载能力强，疲劳强度高等优越性能[5]，正逐渐取代传统的锡青铜合金和巴氏合金，成为主要的滑动轴承材料[6-7]。具良好性能的铝锡合金可以提高发动机的性能，节省大量的能源与材料，从而实现节能环保[8-9]。

TiC颗粒能够使材料具有高强度、高韧性和高耐磨性，例如研究人员采用熔体超声处理(UTS)将TiC颗粒加入AA2219合金使其强度与硬度得到了明显提升。研究表明：TiC颗粒均匀分布于基体材料中，对材料具有强化作用，与其他强化材料相比，基体材料中加入TiC颗粒后具有更佳的力学性能和摩擦学性能[10-12]。

在Al-Sn-Cu合金材料中，合金组织的组成物为α(Al)，β(Sn)及Al2Cu化合物。经过(480 ℃, 19 h)均匀化热处理工艺，连续的网状β(Sn)相消失，出现球状和块状β(Sn)相，其依附或者围绕在Al2Cu周围。随着材料中Sn含量的添加，铝铜合金的强度增加，塑性有所降低，合金材料的减摩耐磨性不足[13-15]。虽然TiC颗粒对基体材料性能增强作用显著，但关于向Al-Sn-Cu合金材料中添加TiC颗粒的研究鲜见报道。

为提升Al-Sn-Cu合金材料的综合性能，扩大其应用范围，尝试在Al-Sn-Cu合金材料中添加TiC颗粒，深入研究TiC颗粒对Al-Sn-Cu合金微观组织、硬度及摩擦磨损性能的影响，为铝基滑动轴承材料的研究提供理论指导。

1 试验方案

1.1 试样制备

原材料为纯铝锭(纯度≥99.7%)、锡块、纯铜锭(纯度≥99.9%)和Al-Ti-C中间合金，Al-Ti-C中间合金中的TiC占3%。Al-Sn-Cu-TiC合金试样制备流程如图1所示：首先，将铝锭置于坩埚中，加热至750 ℃，待铝锭熔化后保温0.5 h；然后，依次放入3%Cu和3%Sn，保温10 min后放入适量Al-Ti-C中间合金，保温30 min后采用石墨搅拌棒搅拌10 min，同时通入氩气去除氢离子，其中搅拌器搅拌速度为250 r/min；最后，将坩埚中的熔体倒入水冷模具中浇铸成型。试样制备完成后，在495 ℃下固溶6 h后淬火，并在200 ℃下时效6 h。Al-Sn-Cu合金试样的制备流程大体相同，只是不需要加入TiC颗粒。制备完成的Al-Sn-Cu合金和Al-Sn-Cu-TiC合金的成分见表1。

图1 试样制备过程

表1 试验材料的成分

1.2 试验方法

1.2.1 微观组织试验

在距离试样底部10 mm处线切割截取10 mm×5 mm×5 mm的样块，分别采用50目、200目和800目砂纸打磨后在抛光机上抛光30 min。采用腐蚀液(质量分数为10%的盐酸5 mL、质量分数为20%的硝酸5 mL、纯净水90 mL)腐蚀后在LHW50-1型金相显微镜下观察合金的微观组织；采用SUS8000型扫描电子显微镜(SEM)观察合金中TiC的形貌及分布；采用X能谱分析仪(EDS)检测TiC的元素成分。

1.2.2 力学性能试验

采用HB-3000型布氏硬度计对合金试样进行显微硬度测试，在测量前对试样进行抛光和烘干，同时确保试样表面干燥。测量时所选用的负荷为250 kg，保压时间设定为30 s；采用WDW-100M型万能试验机检测合金的抗拉强度及延伸率，拉伸板材试样如图2所示，拉伸速率为2.0 mm/min，一组合金材料取3个拉伸试验数据计算平均值。

图2 抗拉试样Fig.2 Tensile sample

1.2.3 摩擦磨损性能试验

采用SMM-W2000型端面试验机检测合金试样的摩擦磨损性能，试样为5 mm×7 mm×30 mm的方形试样，上试样为外径40 mm，内径16 mm的45#钢圆环，工作方式如图3所示；采用VK-X100型3D激光扫描显微镜检测磨痕形貌。

图3 摩擦磨损示意图Fig.3 Diagram of friction and wear

2 试验结果与分析

2.1 Al-Ti-C，Al-Sn-Cu和Al-Sn-Cu-TiC合金的微观组织

Al-Ti-C合金的微观组织及成分分析如图4

图4 Al-Ti-C合金的微观组织及成分分析

所示：由XRD(图4a)可知Al-Ti-C中间合金中只存在Al和TiC颗粒；通过SEM(图4b)观察到Al基体中存在较多尺寸约200～500 nm的不规则块状颗粒，未出现团聚现象；由EDS(图4c)分析可知颗粒物质只有Al，Ti和C这3种元素，因此判定不规则块状颗粒为TiC。

Al-Sn-Cu合金和Al-Sn-Cu-TiC合金的微观组织如图5所示：由于铝合金中形核的主要驱动力是炉壁的热过冷，故Al-Sn-Cu合金中的晶粒主要以胞状晶存在[16]，平均晶粒尺寸约87 μm；Al-Sn-Cu-TiC合金的组织明显得到了细化，平均晶粒尺寸约37 μm，相对于Al-Sn-Cu合金的降幅达到57.4%。

图5 Al-Sn-Cu和Al-Sn-Cu-TiC合金试样500倍金相显微组织

当Al-Ti-C中间合金加入熔液后，向熔体内释放了大量的TiC粒子，这些粒子作为α-Al的形核质点提高了合金的形核率。Al-Sn-Cu-TiC合金晶粒表面形成了不规则的小“凸起”，细化后的晶粒为细小的等轴晶粒，但其轮廓形状不规则，说明TiC发挥了形核的作用。另外，在材料凝固过程中，水冷速度较快，金属液降温迅速，同样提高了合金的形核率。由于形核率的提高，合金熔液凝固过程中枝晶的生长空间变小，枝晶生长受到的阻碍逐渐变大，因此枝晶尺寸减小。

2.2 Al-Sn-Cu和Al-Sn-Cu-TiC合金的布氏硬度及常温抗拉性能

为保证测量硬度数据的准确性，在每个试样上至少测量6个点并剔除奇异点。不同合金试样的硬度变化如图6所示：Al-Sn-Cu合金的硬度平均值为81.78 HB，Al-Sn-Cu-TiC合金的硬度平均值为90.49 HB，提升了10.658%，具有更好的力学性能。这是由于通过TiC颗粒对Al-Sn-Cu合金的晶粒细化作用，合金材料的晶粒形状和组织均匀性得到改善，晶界的体积分数增大，对位错的阻碍作用也会增大；同时，均匀分布在基体中的TiC颗粒具有一定的承载能力，使合金材料的性能得到明显的提升，宏观上表现为合金材料布氏硬度的提高[17]。

图6 Al-Sn-Cu和Al-Sn-Cu-TiC合金试样的布氏硬度

不同合金材料在常温条件下的抗拉强度见表2：相对于Al-Sn-Cu合金，Al-Sn-Cu-TiC合金材料的抗拉强度提升了5.88%。这是由于合金材料在受到应力作用产生变形时，TiC颗粒能够有效阻碍位错运动。

表2 不同合金材料的抗拉强度

2.3 Al-Sn-Cu和Al-Sn-Cu-TiC合金的摩擦行为

在4种不同工况(表3)下，Al-Sn-Cu合金和Al-Sn-Cu-TiC合金的摩擦因数随时间的变化如图7所示，达到稳定状态时：

表3 摩擦磨损试验工况

1)工况1下(图7a)，Al-Sn-Cu合金材料的摩擦因数为0.384，Al-Sn-Cu-TiC合金材料的摩擦因数为0.345，比Al-Sn-Cu合金降低了10.16%。

2)工况2下(图7b)，Al-Sn-Cu合金材料的摩擦因数为0.126，Al-Sn-Cu-TiC合金材料的摩擦因数为0.027，比Al-Sn-Cu合金降低了78.57%。

3)工况3下(图7c)，Al-Sn-Cu合金材料的摩擦因数为0.474，Al-Sn-Cu-TiC合金材料的摩擦因数为0.414，比Al-Sn-Cu合金降低了12.66%。

4)工况4下(图7d)，Al-Sn-Cu合金材料的摩擦因数为0.335，Al-Sn-Cu-TiC合金材料的摩擦因数为0.286，比Al-Sn-Cu合金降低了14.63%。

综上可知：Al-Sn-Cu-TiC合金的摩擦因数显著降低，这是由于Al基体的摩擦因数高于TiC颗粒的摩擦因数，TiC颗粒的加入使磨损面间增加了TiC颗粒与对磨件的磨损行为，减小了接触面间合金材料基体的磨损面积，有利于合金材料摩擦因数的降低；随着磨损过程的进行，当TiC颗粒被磨粒从磨损面间犁出，细小的TiC颗粒托覆在磨损面间，减轻了对磨件的磨损，从而降低了摩擦因数。

通过VK-X1000型3D激光扫描显微镜获取试样磨痕形貌，分别截取不同工况下试样磨损处的多处横截面，结果如图8所示。图中呈红色部分为试样表面未磨损位置，蓝色部分为试样磨损最深处，黄色部分为试样已磨损位置的横截面。由图8可知：在工况1下，Al-Sn-Cu和Al-Sn-Cu-TiC合金试样磨损面的平均宽度分别为 5 553.854，3 179.913 μm；在工况2下，Al-Sn-Cu和Al-Sn-Cu-TiC合金试样磨损面的平均宽度分别为4 354.995，2 984.956 μm；Al-Sn-Cu-TiC合金材料的磨损量明显减少，这是由于TiC颗粒能够钝化磨损面间的磨粒，减弱磨粒对基体的磨损程度；另外，TiC颗粒能够防止磨损表面磨粒的刺入，减小磨粒对于合金材料的磨损作用。

TiC颗粒的增强作用使Al-Sn-Cu-TiC合金材料硬度提高的同时，耐磨性也有所提升[18-19]。当铝基体中未添加TiC颗粒时，基体材料比对磨材料的硬度低，易产生黏着磨损，当基体材料中含有TiC颗粒时，TiC颗粒随着磨损的进行聚集在磨损表面，起到一定的支撑作用，黏着磨损转换为磨粒磨损[20]。

3 结论

通过多元合金化制备铝基合金，利用金相显微镜分析了合金组织结构的变化以及硬质颗粒TiC对Al-Sn-Cu合金硬度的影响，通过摩擦磨损试验探索了不同成分铝基合金的摩擦学性能，根据试验结果及分析可以得到以下结论：

1)通过添加TiC颗粒制备所得铝基合金的晶粒更加细小，微观组织细化效果显著。

2)添加TiC颗粒后的Al-Sn-Cu-TiC合金比Al-Sn-Cu合金的硬度更高，布氏硬度平均提升10.658%，抗拉强度提升5.88%。

3)由于TiC颗粒的添加，载荷200 N，主轴转速200 r/min，干摩擦条件下，Al-Sn-Cu-TiC合金的摩擦因数为0.345，比未添加TiC颗粒时(0.384)降低了11.3%；在载荷200 N，主轴转速200 r/min，油润滑条件下，Al-Sn-Cu-TiC合金的摩擦因数为0.027，比未添加TiC时(0.126)降低了78.57%。加入TiC颗粒后减摩效果显著，能够提升合金材料的抗磨损性能。