（材料学专业论文）am60b镁合金磨损行为的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 气m 6 0 b 镁合金是工程应用最为广泛的镁合金之一，但对其磨损性能方面的 研究甚少，研究a m 6 0 b 镁合金的磨损行为及性能对镁合金的工程应用和磨损理 论方面的研究具有重要的理论意义和实用价值。本文采用销盘式磨损机对 a m 6 0 b 镁合金进行干滑动磨损实验。研究不同实验条件下和硬化处理后镁合金 的磨损行为，采用扫描电镜( s e m ) 、能谱分析仪( e d s ) 和x 射线衍射物仪( x 】m ) 对磨损表面、磨损剖面及磨屑的形貌、成分及物相进行分析，探讨了a m 6 0 b 镁 合金的磨损机制。 研究结果表明：a m 6 0 b 镁合金的磨损量随着载荷的提高而增大，发生轻微 磨损向严重磨损的转变，不同环境温度下，轻微磨损向严重磨损的转变载荷不同， 随环境温度的提高，转变临界载荷显著降低，在常温、1 0 0 和2 0 0 下临界载 荷分别为2 7 5n 、1 5 0n 和5 0n 。低载时，2 0 0 磨损量低于室温和1 0 0 。t 5 硬化处理后与常温铸态下的磨损行为基本一致，磨损量略低。 a m 6 0 b 镁合金磨损后表面会形成由m g 基体和氧化物组成的机械混合层 ( m m l ) ，其对磨损行为和磨损机制有明显影响，厚的、致密的m m l 降低磨损。 不同环境温度下，不同载荷形成的氧化物不同。随着载荷的增加，磨损表面形成 的氧化物依次为m g - a i - o ，m g o 和m g a l 2 0 4 。a m 6 0 b 镁合金的磨损可分为轻微 磨损和严重磨损。轻微磨损的主要机制为磨粒磨损、氧化磨损、剥层磨损和粘着 磨损；严重磨损时的主要磨损机制为热软化磨损。不同的坏境温度和载荷下往往 为多种磨损机制的混合机制。 关键词：a m 6 0 b 镁合金，干滑动磨损，磨损行为，磨损机制 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a m 6 0 bm a g n e s i u ma l l o yi so n eo ft h em o s tw i d e l yu s e dm a g n e s i u m a l l o y s h o w e v e r , t h ei n v e s t i g a t i o n so ni t sw e a rb e h a v i o ra r ev e r ys c a r c e s t u d i e so nw e a r b e h a v i o ra n dp e r f o r m a n c eo fa m 6 0 bm a g n e s i u ma l l o y sh a v ea ni m p o r t a n tt h e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c ea n da ne n g i n e e r i n gv a l u e d r ys l i d i n gw e a l ；t e s t sw e r ep e r f o r m e do n a m 6 0 bm a g n e s i u ma l l o ya sw e l la st h eo n ea f t e rt 5h e a tt r e a t m e n tu s i n ga p i n o n - d i s cw e a rm a c h i n ei nd i f f e r e n te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s s c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p y ( s e m ) ，e n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r u m ( e d s ) a n dx - r a yd i f f r a c t o m e t e r 岱r d ) w e r eu s e dt oc h a r a c t e r i z et h em o r p h o l o g y ，m i c r o s t r u c t u r ea n dp h a s eo fw o r n s u r f a c e ，w o r ns e c t i o na n dw e a rd e b r i s t h ew e a rm e c h a n i s mo fa m 6 0 bm a g n e s i u m a l l o yw a s a l s od i s c u s s e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ew e a rl o s si n c r e a s e dw i t ha ni n c r e a s ei nt h e l o a d am i l d t o - s e v e r ew e a l t r a n s i t i o no c c u r r e dd u r i n gw e a r t h ec r i t i c a ll o a df r o m m i l d t o - s e v e r er e d u c e dw i t ht h ea m b i e n tt e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g t h ec r i t i c a ll o a dw a s 2 7 5na tr o o mt e m p e r a t u r e ，1 5 0na t1 0 0 ，a n d5 0na t2 0 0 ，r e s p e c t i v e l y t h e w e a rl o s so fa m 6 0 bm a g n e s i u ma l l o ya f t e rt 5h e a tt r e a t m e n tw a ss l i 曲t l yl o w e rt h a n t h a to fa s - c a s tm a g n e s i u m a l l o y , m e a n w h i l et h e i rw e a rb e h a v i o r sw e r es i m i l a r t h e r ew a sam e c h a n i c a lm i x i n gl a y e r ( m m l ) c o n t a i n i n gt h em i x t u r eo fm ga n d o x i d e s ，w h i c hp r e s e n t e das i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nw e a rb e h a v i o ra n dw e a l - m e c h a n i s m t h et h i c km m lw o u l de f f e c t i v e l yr e d u c ew e a rl o s s t h ed i f f e r e n to x i d e s w e r ef o r m e du n d e rd i f f e r e n tl o a d sa n da m b i e n tt e m p e r a t u r e s ；m g - a 1 一o ，m g oa n d m g a l 2 0 4a p p e a r e di ns e q u e n c ew i t ha ni n c r e a s ei nt h el o a d s am i l dw e a rr e g i m ea n d as e v e rw e a rr e g i m ep r e v a i l e d ，r e s p e c t i v e l y t h em i l dw e a rr e g i m ew a sc l a s s i f i e da s f o u rd i f f e r e n tm e c h i a n i s m s ：a b r a s i o n ，o x i d a t i o n ，d e l a m i n a t i o na n da d h e s i o nw e a r t h e r m a ls o f t e n i n gw a sap r e d o m i n a t e dw e a rm e c h i a n i s mi nt h es e v e r ew e a rr e g i m e t h em i x e dm e c h i a n i s mp r e v a i l e du n d e rd i f f e r e n tl o a d sa n da m b i e n tt e m p e r a t u r e s k e yw o r d s ：a m 6 0 bm a g n e s i u ma l l o y ，d r ys l i d i n gw e a r ，w e a rb e h a v i o r ，w e a r m e c h a n i s m 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：鞠利次 日期：2 口d 7 年肠月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密函。 学位论文作者签名：朝新火 指导教师签名：弼 1 。口7 年1 2 月2f 日 砷年，明叫日 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究目的及意义 第一章绪论 镁合金是所有结构用金属合金材料中密度最小的，镁合金的密度为 1 7 4 9 c m 3 ，约为铝的6 4 、锌的2 5 和钢的2 0 。镁合金作为最轻的工程结构 金属材料，具有许多优异的独特性能，如较高的比强度、比模量、好的阻尼减震 性和电磁屏蔽性等，且易于加工成形和再生回用，在汽车、通讯设备、电子电器、 航天航空、国防军事工业等领域中得到了广泛的应用【。镁合金是继钢铁和铝 合金之后发展起来的第三类金属结构材料，因此镁合金被认为是2 1 世纪最有开 发前途和应用潜力的“绿色工程材料”阳】。 进入2 1 世纪，伴随着资源和环境问题越来越成为人们关心的重点和焦点。 以汽车为例，现代汽车工业正朝着燃料效率型汽车方向发展，据测算，汽车所用 燃料的6 0 是消耗于汽车自重，如果汽车自重能减轻1 0 ，其燃油效率将提高 5 以上，如果每辆汽车能使用7 0 蚝镁，则c 0 2 的年排放量将能较少3 0 上 6 - r l 。 因此，2 0 世纪7 0 年代以来，各国尤其是发达国家对汽车的节能和尾气的排放提 出了越来越严格的限制，从而迫使汽车制造商竞相开发镁合金汽车零件以减轻车 重。目前正在使用或正处在研制中的镁合金汽车零部件至少超过6 0 种，其代表 性部件有：汽车仪表盘、汽车座椅骨架、方向操纵系统部件、引擎盖、变速箱、 进气管等零件【8 - 1 0 l 。 现在的镁合金中，得到最广泛应用的是a z 9 1 系列和a m 6 0 系列镁合金，约 占汽车应用中的9 0 ，包括汽车制动装置、发动机部件( 活塞和汽缸内腔) 等， 这些构件要经受滑动运动，磨损是重要的性能指标。因此对镁合金磨损行为的研 究有极其重要的实用价值。关于a z 9 1 镁合金的磨损已有少量报道，但对a m 6 0 系列镁合金的磨损研究尚少。本文的目的就是研究在不同工况下a m 6 0 b 镁合金 磨损行为，探讨镁合金在常温及高温下的磨损机理，并研究经过热处理后镁合金 磨损行为的变化。本研究为a m 6 0 b 镁合金实际应用和热加工工艺选择等提供相 应的基础数据，并有助于丰富镁合金的磨损机理方面的理论，具有重要的理论意 义和实际意义。 江苏大学硕士学位论丈 1 2 镁合金的发展及应用 1 2 1 镁及镁合金 镁的原子序数为1 2 ，相对原子质量为2 4 3 2 ，原子体积为1 3 9 7c m 3 m o l ，原 子直径为o 3 2n m ，电子轨道分布为1 s 22 s 2p 63 s 2 ，位于元素周期表第3 周期第 2 主族。镁为银白色金属，在标准大气压下，纯镁为密排六方结构( h c p ) ，配 位数为1 2 ，镁单胞内沿主要晶面和晶轴方向的原子排布，在2 5 时的晶格常数 为：a = 0 3 2 0 3n l i l ，c = 0 5 1 9 9n m ；晶胞的轴比为：c a - - 1 6 2 3 7 t a l - l a 。镁是继钢铁、 铝之后的第三大金属工程材料，也是地球上储量最丰富的元素之一，约占地壳质 量的2 3 5 ，位于常用金属元素第8 位。 在镁中加入合金元素，通过固溶强化、细晶强化及第二相强化作用，可以使 所得的镁合金具有一系列优良的性能： 物理性能：镁合金的比重小，具有良好的电磁屏蔽性、导电性和导热性， 其熔点、动力学粘度、比热容与相变潜热低于铝合金。此外镁合金具有好的吸湿 性、流动性和无磁性。 化学性能：镁合金的热稳定性高，熔化与压铸时不与铁反应。在碱性环境 下稳定，有抗盐雾腐蚀性能。 力学性能：镁合金的比强度和比刚度高，阻尼性能好，弹性模量较低 ( 4 5 g p a ) ，能吸收较大的冲击功，滞振性好，强度与疲劳强度均高于铝合金。 工艺性能：镁合金的锻造与热处理中易发生氧化燃烧，冶炼与回收能耗低 于铝合金，易于加工，废料易回收，具有良好的薄擘锻造性和极好的切削加工性 能，抛光性能好，因其热疲劳显著小于铝，镁合金压铸件的使用期限长于铝合金， 尺寸稳定性好。 然而镁合金也具有一些缺点：如化学稳定性差，抗蚀能力差，塑韧性差，在 酸性和氯气中易腐蚀，易发生电化学腐蚀，铸造性较差、熔炼工艺复杂，因而其 应用上受到一定限制。 1 2 2 镁合金的分类 常用的镁合金主要分为m g a 1 系、m g z n 系、m g r e 系和m g l i 系四大系 2 江苏大学硕士学位论文 列1 1 4 】o ( 1 ) m g a l 系合金是目前应用最广泛的压铸镁合金，分为4 个亚系列：a z ( m g - a 1 z n ) 系列，如a z 9 1 具有良好的铸造性能和最高的屈服强度；a m ( m g - a 1 一m n ) 系列，如a m 6 0 和a m 5 0 具有较高的延伸率和韧性；a s ( m g - a 1 一s i ) 系列和a e ( m g a 1 r e ) t 系y u ，a s 系列的a s 4 1 、a s 2 1 和a e 系列的a f _ a 2 镁合金 等是2 0 世纪7 0 年代开发的耐热压铸镁合金。 ( 2 ) m g - z n 系合会：如新开发的m g z n - c u 合会。c u 可以提高m g z n 合金 的强度、韧性和铸造性能，较典型的是z c 6 3 ( m g 一6 z n - 3 c u 0 5 m n ) 合金，而且 c u 对该合金的抗蚀性危害很小。 ( 3 ) m g r e 系合金：稀土元素符合提高镁合金高温性能的要求，m g r e 系 合金是超过2 0 0 温度应用的镁合金。常用的稀土元素为y ，n d ，c e ，l a ，d y ， g d 等。 ( 4 ) m g l i 系合金：用密度只有0 5 3e d c m 3 的l j 作合金元素，可得到比纯 m g 还轻的m g l i 合金，该合金具有超轻合金之称，且具有较好的塑性。 此外还有其他类型的镁合金如快速凝固镁合金，其具有高的强度、塑性和良 好的耐蚀性能，其显微组织均匀、晶粒充分细化，具有熔铸法生产的合金中固态 不能熔合在一起的多种沉淀相，它们之间可产生相互硬化作用。 1 2 3 镁合金的应用 从1 8 0 8 年在实验室制得纯镁后，经历了半个多世纪的时间，直到1 8 8 6 年镁 合金才在德国开始工业化生产。从那时起到1 9 3 0 年间德国a l d e r 工厂在一辆汽 车上曾用了7 3 8k g 镁合金。1 9 3 5 年苏联的飞机设计师制造了一架飞机，它的金 属材料中含有质量分数为8 0 的镁合金【1 5 】。随着汽车的日益普及，汽车尾气排 放对地球环境的污染问题越来越严重，已占大气污染总量的6 5 ，故各国对其限 制也越来越严格，所以汽车减重也势在必行。许多早先的汽车减重计划都把重点 放在汽车尺寸的减少上嗍，但对于现在的目标不只是生产小型汽车，而是寻求应 用某些材料使得汽车变得更轻，从而达到节省燃料的目的。 镁制零部件在本世纪2 0 年代就开始在赛车上使用。1 9 3 6 年，德国大众汽车 公司开始用压铸镁合金生产“甲壳虫 汽车的发动机传动系统零部件，1 9 4 6 年 3 江苏大学硕士学位论丈 “甲壳虫”单车镁合金用量达1 8 埏，至1 9 8 0 年累计生产1 9 0 0 万辆，总用量达 到3 8 万吨【1 7 1 。目前镁合金应用发展势头最大的国家和地区是北美、欧洲、日本、 韩国和中国的台湾地区，这些地区和国家的镁合金用量近年来急剧增加。1 9 9 1 年镁合金的用量仅有2 4 力吨，到了1 9 9 7 年则增至6 4 万吨，并且其中8 0 的镁 合金是用于生产汽车零部件。北美虽然在8 0 年代中期才开始在汽车上使用镁合 金材料，但使用量却以每年1 6 6 的速度增长，在1 9 9 9 年，北美的镁用量达到 了6 4 0 0 0 吨，比1 9 9 8 年增长了7 ，到2 0 0 8 年则有望再增长1 5 4 【1 8 1 。 镁合金主要用来制造离合器壳体、制动器踏板支架、阀盖、阀板、转向柱架、 仪表板支架、变速箱体、马达壳体、油滤接头、发动机前盖、进气歧管、镜子外 罩、辅件托架及照明灯夹持器等汽车零部件。表1 1 列出了1 9 9 7 年世界上镁合 金用量最大的十个汽车生产企业、用量镁合金及其应用的车型【3 1 。作为镁合金消 费量最大的福特汽车公司对镁的一个最大的应用就是仪表板，与镁合金所取代的 钢材结构相比将能减轻1 4 1 5 磅的重量【1 9 】。此外，在汽车上应用的镁合金铸件绝 大部分是压铸件。 表1 - 11 9 9 7 年世界上镁合金用量最大的十个汽车公司、用量及车型 t a b l e1 - 1a u t o m o b i l ec o m p a n i e sa n dt h e i rt l i el a r g 伪ta m o u n to fm g a l l o y s i nt h e w o r l di i l1 9 9 7 由于镁的杨氏模量值很低( 4 4 g p a ) ，在3 5 m p a 的应力水平下，铸态镁合金 a z 9 1 d 的衰减系数为2 5 ，a m 6 0 的衰减系数为5 2 ，铝合金a 3 8 0 ( e = 7 1 g p a ) 4 江苏大学硕士学位论文 只有1 ；在1 0 0m p a 的应力水平下，a z 9 1 d 的衰减系数上升到5 3 ，a m 6 0 的 衰减系数为7 2 ，而铝合金a 3 8 0 只达到4 ，显然作为汽车结构件，非常有利 于减少汽车在运动过程中的噪声和震动。现在越来越多的汽车，特别是安装安全 气囊的汽车都开始改用镁合金方向盘【刎。这既减轻了质量，又减少了控制系统 的震动，同时在发生撞击时，镁合金方向盘可以吸收更多的能量【2 1 1 。a z 系列具 有均衡的力学性能、铸造性能和耐蚀性能，其屈服强度最高，一般用于制造形状 复杂的薄壁压铸件，通常用于阀套、离合器支架、转向盘柱、凸轮盘、支架、离 合器壳体、手动变速箱壳体等零件。a m 系列镁合金具有优良的韧性和塑性，用 于经受冲击载荷、安全性较高的场合，常用于座位架和设备仪表板。a z 9 1 d 和 a m 6 0 b 是两种常用的镁合金，但它们通常只在1 5 0 以下使用，若是在超过该 温度的情况下使用，则必须使用a s 系列镁合金( 1 9 9 3 年新加入商业镁合金系 列) 。a s 系列有较好的蠕变性能，常用于工作温度较高的发动机零件。虽然镁合 金的单位质量价格比铝合金贵，但是由于镁合金密度小，相同体积的汽车零部件， 镁合金用量只是铝合金的三分之二，因此用单位体积价格而不是单位质量价格来 计算镁合金汽车零部件的材料成本较为适合。并且实际上，镁合金汽车零部件的 成本中还应包括材料的加工成本，由于镁铸件的模具使用寿命是铝合金的2 - 4 倍， 因此其工艺成本要比铝合金明显低。另外，应用镁合金汽车零部件的经济性还与 镁合金的生产、加工、使用和回收的各个环节有关。其中镁合金的回收比其生产 要容易的多，更比铝合金回收所消耗的能量少，所以综合来看，镁合金在生产和 应用中还是占有一定的优势。 我国镁合金工业的发展与我国将汽车行业作为国民经济支柱产业的战略极 不相称。因此，2 0 0 0 年3 月科技部启动了“镁合金开发应用及产业化”的前期 战略研究，并于2 0 0 1 年8 月正式通过项目论证，将该项目列为“十五 国家科 技攻关重大项目，国家投入经费4 0 0 0 余万，全国共2 1 个省市区的4 个研究院所、 7 所高校、2 0 多家企业直接参与了项目实施，最终目标是充分发挥我国的镁资源 优势，通过技术集成创新和机制与体制创新，加强镁合金应用开发，建立具有国 际竞争力的镁合金高新技术产业群，将镁资源优势转化为经济优势。在国家 “8 6 3 ”计划中，开展了耐热镁合金、变形镁合金、高强高韧镁合金及其应用技 术等研究【2 2 。3 3 1 。 5 江苏大学硕士学位论文 1 3 镁合金磨损的国内外研究现状 目前镁合金较多用于磨损工况，但关于镁合金磨损方面的国内外研究却相对 较少。为了提高镁合金的耐磨性，除了改善镁合金的组织、成分外，往往通过复 合材料的形式。因此，有关镁合金和镁基复合材料磨损的国内外研究现状一并概 述。 h c h e n 掣刎研究了a z 9 1 镁合金的干滑动磨损行为，采用环块式磨损形式， 载荷为1 - 3 5 0n ，滑动速度为0 1 2 0m s ，经过研究得出了磨损图，如图1 - 1 和 图1 2 ，文中指出镁合金的磨损主要有两个机制：轻微磨损和严重磨损。轻微磨 损又可细分为氧化磨损机制和剥落磨损机制，由氧化磨损向剥落磨损转变时，磨 损率并没有发生显著变化；严重磨损又可分为严重塑性变形导致的磨损和熔化磨 损机制。研究发现，从轻微磨损到严重磨损转变的主要原因是镁合金磨损面接触 温度而不是载荷或滑动速度，当表面温度达到3 4 7k 时，磨损形式由轻微磨损转 变为严重磨损。 善 盎 重 o 1 l 麒g 融，e 功 图1 - 1a z 9 1 镁合金干滑动磨损的磨损率图 f i g 1 1w e a rr a t em a pf o ra z 9 1i nd r ys l i d i n gw e a r 6 江苏大学硕士学位论文 z 、， 盘 s 饥l 1 s l m l n gs p e e d ( m s ) 图1 - 2a z 9 1 镁合金干滑动磨损的磨损机制转变图 f i g 1 2w e a rt r a n s i t i o nm a pf o ra z 9 1a l l o yi nd r ys l i d i n gw e a l n a i n gn a i n g a u n g 等【2 5 】研究了低滑动速度下a z 9 1 d 镁合金的磨损行为。文 中采用销盘式磨损形式，滑动速度为0 0 1 1 0m s ，滑动距离为1k m 和1 0k m 。 他指出滑动速度是导致磨损机制转变的主要因素。当滑动速度为0 0 1m s 时，主 要的磨损机制为磨粒磨损，当滑动速度为0 1m s 时，氧化磨损是主要的磨损机 制，而滑动速度达到较大值，如1m s 时，磨损机制转变为剥落磨损。磨粒磨损 时磨损率最高，而氧化磨损时磨损率最低。磨粒磨损得到的主要是氧化颗粒，为 m g - a 1 o 和m 9 0 2 ；而氧化磨损下的磨屑组成主要为m g o 和m g a l 2 0 4 ；剥落磨 损得到的磨屑成分主要是u g 。 j a n 等f 2 6 1 研究了m 9 9 7 z n l v 2 和a z 9 1 镁合金的干滑动磨损行为。他们采用 销盘式磨损形式，载荷为2 0 3 8 0n 和2 0 2 4 0n ，滑动速度为0 7 8 5m s 。文中提 出了五种磨损机制：磨粒磨损、氧化磨损、剥落磨损、热软化磨损和熔化磨损。 与a z 9 1 相比，m 9 9 7 z n l v 2 镁合金显示出更好的耐磨性。当载荷在2 0 2 0 0n 时， m 9 9 7 z n l y 2 镁合金的主要磨损机制是磨粒磨损和剥落磨损，热软化磨损机制出现 在载荷2 4 0 2 8 0n 时，载荷超过2 8 0n 时，熔化磨损机制是主要的磨损机制。 m 9 9 7 z n l y 2 镁合金在高载荷下显示出良好的耐磨性主要是因为该镁合金中的高 7 江苏大学硕士学位论文 热稳定性的中间合金相和其良好的高温力学性能。 p e t e rj b l a u 等【2 7 】研究了两种不同方式得到的a z 9 1 d 镁合金的滑动摩擦磨 损行为。文中采用了压力铸造法( d c ) 和半固态成型法( t h m ) 得到的a z 9 1 d 镁合金，采用4 4 0 c 不锈钢作为摩擦副。实验采取单向和往复滑动两种形式，单 向滑动用于低载荷的磨损实验，往复滑动用于高载荷的磨损实验。实验结果表明， 在单向滑动实验条件下，d c 法和t h m 法得到的镁合金的磨损率相差不大。两 种不同方式得到的镁合金的摩擦系数在o 2 9 0 3 5 之间。而在往复滑动磨损条件 下，用半固态成型法得到的镁合金的磨损量比压力铸造法得到的镁合金的磨损量 低2 5 左右。滑动实验中的磨损机制包括了沿着磨损凹槽边缘形成的细小狭长的 不规则边，它的脱落形成了游离磨粒。 p u 等【2 8 1 研究了强流脉冲粒子束轰击后的a z 3 1 镁合金的磨损和抗腐蚀性 能。实验采用球盘式磨损形式，对磨钢球为直径3m m 的a i s l 5 2 1 0 0 ，载荷为0 1 n ，滑动速度为0 0 8m s ，滑动时间为5m i n 。实验表明经过强流脉冲粒子束轰击 后的a z 3 1 镁合金的磨损量很小，只有没处理镁合金磨损量的四分之一。 re l l e u c h 等【2 9 】研究了铝合金和镁合金的摩擦磨损行为。实验采用a 3 5 7 铝合 金和a z 9 1 、w e 4 3 镁合金。磨损形式采用销环式磨损，对磨盘采用轴承钢，实 验滑动速度为1 7m s ，实验载荷为2 0 8 0n 。实验测得了滑动磨损过程中接触面 的温度，并指出接触面温度是铝合金和镁合金磨损转变的控制因素。a 3 5 7 铝合 金磨损过程中，磨损转变发生在1 6 0 ；对于a z 9 1 镁合金，在高载荷条件下， 磨损率迅速增长，磨损转变主要取决于应力硬化和热软化的竞争。通过分析磨损 表面和磨屑，得出轻微磨损和严重磨损依赖于载荷。在轻微磨损情况下，磨损率 曲线近成直线，出现典型的磨损表面和磨屑，与钢的情况类似。在严重磨损阶段， 磨损率急剧增大，这导致了磨销周围热量的快速积累，加速了试样的热软化，导 致试样失效。 w e u i uh u a n g 等【3 0 1 研究了不同载荷、转速和行程条件下a z 9 1 d 和a m 6 0 b 镁合金的干滑动腐蚀磨损行为。研究指出，a z 9 1 d 合金比a m 6 0 b 合金有更小的 摩擦系数和更低的磨损量；这两种镁合金显示出近似的摩擦磨损性能，磨损量随 着载荷的增大而增大，但随着转速的提高而减小；摩擦系数随着载荷的增大而减 小；a z 9 1 d 合金比a m 6 0 b 合金有更好的抗裂纹形成和扩展的能力。疲劳磨损和 8 江苏大学硕士学位论文 磨粒磨损是a m 6 0 b 合金的主要磨损机制，而a z 9 1 d 合会的主要磨损机制是剥 落磨损、粘着磨损和磨粒磨损。 y i n g b oz h a n g 等【3 1 】研究了铸造m g z n y 准品材料的干滑动摩擦磨损行为。 实验采用轮块式磨损形式，摩擦轮为g c r l 5 钢轮，滑动速度为0 4 2r n s ，载荷为 1 0 、2 0 、3 0 、5 0 和7 0n ，滑动时间为1 0 、2 0 、3 0 和4 0m i n 。研究表明铸造m g z n y 准晶材料的摩擦系数随着载荷的增大而降低，高载衙下在磨损表面产生大量的塑 性变形。铸造m g z n y 准晶材料随着y 含量的增大，在磨损过程中，摩擦系数 和磨损量首先降低，然后升高。当y 的含量为2a t 时，铸造m g z n - y 准晶材 料显示出最小摩擦系数和最好的耐磨性能。 c y h l i m 等【3 2 】研究了s i c p 颗粒增强镁基复合材料的干滑动磨损行为。实 验采用销盘式磨损形式，实验载荷为1 0 3 0n ，滑动速度为0 2 0 5m s 。在较小 载荷下该复合材料显示出良好的耐磨性能；但是在较高的载荷下s i c p 颗粒增强 没有显示出较好的耐磨性能。s i c p 颗粒增强镁基复合材料的磨损机制可以分为六 类：磨粒磨损、氧化磨损、剥落磨损、粘着磨损、热软化和熔化磨损。当载荷低 于1 0n 时，主要的磨损机制是氧化磨损；当载荷增大至3 0n 时，磨损机制转变 为剥落磨损和磨粒磨损；剥落磨损和磨粒磨损向粘着磨损的转变发生在较高载荷 转速升高时；在更高的转速下磨损产生的热量导致材料表面发生热软化和熔化磨 损。在3 0n ，5m s 的条件下，产生大量的塑性变形。 c y h l i m 等【3 3 】研究了纳米级铝颗粒增强镁基复合材料的干滑动磨损行 为。实验采用销盘式磨损形式，实验载荷1 0n 、滑动速度1 1 0m s 。研究表明， 随着增强相颗粒含量的增加，复合材料的耐磨性能不断提高，尤其是在较高的滑 动速度下，增强相颗粒的作用更加明显。纳米级铝颗粒增强镁基复合材料的的磨 损机制可以分为以下几类：磨粒磨损、粘着磨损和热软化磨损。而作为最常见的 磨损机制之一的剥落磨损并没有发现。 k h i r a t s u k a 等p 4 】研究了纯镁在销一盘式磨损试验机上与铝对磨时的干滑动 磨损行为。实验条件为载荷9 8n 、滑动速度1 6m s 、总滑动距离2 5 0 0m ，在空 气中镁表现为氧化磨损，在铝的表面覆盖了一种黑色的转移层，即镁的氧化物。 当以同样的载荷和速度在真空中实验时，镁显示出了金属的磨损，即在铝上形成 镁转移层且具有金属光泽，同时镁的磨损率明显增加。 9 江苏大学硕士学位论文 祁庆琚【3 5 】对富铈混合稀土对a z 9 1 和a m 6 0 镁合金以及触2 0 3 f 混杂增强 a z 9 1 镁合金基复合材料的摩擦磨损行为进行了研究。结果表明，在干摩擦条件 下，稀土元素的加入改善镁合金的摩擦磨损性能，推迟了镁合金从轻微磨损向严 重磨损的转变。氧化铝短纤维对1 0 2 0n 低载荷摩擦过程中有良好的承载能力， 提高了材料的耐磨性；石墨含量为1 5 和2 0 时，磨损质量损失曲线分别在 8 0 1 6 0n 和6 0 1 6 0n 载荷范围内增长十分缓慢，摩擦系数达到最低值。 候滨和黄伟九等 3 6 - 3 8 1 对a m 6 0 b 及a z 9 1 d 镁合金在滑移区的微动磨损行为 进行了研究，考察了摩擦系数和磨损体积随循环次数、实验载荷以及频率变化对 磨损性能的影响，探讨了其微动磨损机理。 陈体军掣3 9 1 研究了a z 9 1 d 镁合金的触变成形镁合金及其磨损性能。研究指 出，a z 9 1 d 镁合金经过触变成形后得到颗粒圆整、粒度较小的致密组织，与金属 型铸造相比，耐磨性得到明显的提高。薛峰等【加1 研究了a z 9 1 d 镁合金在水介质 下的冲击磨损特性。研究指出镁合金表面冲击斑深度及面积随冲击次数的增加而 增加；冲击磨损初期，损伤的主要形式为塑性变形及粘着磨损，随着表面塑性耗 竭，微观疲劳裂纹产生；磨损后期，水介质的腐蚀作用明显加速了材料表面的损 失。 蔡立军等【4 1 】研究了z m 5 镁合金冲击磨损行为。研究发现磨损体积损失随着 冲击次数的增加呈非线性增大；在低循环次数下，冲击磨损损伤形式主要为塑性 变形及塑性堆积；当循环次数较高时，冲击坑中心由于塑性耗竭而出现表面压碎 及剥层磨损，而由激光显微镜测得的剥层厚度在0 7 岬左右；材料剥层后，随着 循环次数的增加，出现二次剥落损伤。张辉等【4 2 】研究了z m 5 镁合金微动磨损特 性。研究指出该镁合金的微动磨损行为与微动区域特性密切相关。它的微动损伤 形貌主要是磨损，在初期阶段的磨损机制主要是粘着和氧化，中后期主要是粘着、 氧化和磨粒磨损共同作用的结果。 赵旭等【4 3 】研究了镁合纰1 的磨损性能。研究发现合金的磨损质量损失在 不同的载荷下均随着磨损时间的增加而呈线性增加，载荷增加使磨损失重增加更 加显著，随着载荷的增加磨损形式经历了由氧化磨损、磨粒磨损到剥落磨损的变 化过程。 综上所述，在目前国内外的研究中对a m 6 0 b 镁合金磨损行为的研究基本没 l o 江苏大学硕士学位论文 有报告，特别对镁合金在高温下的磨损行为。因此，对舢6 0 b 镁合金从室温到 高温状态下磨损的研究具有重要的理论意义和实际意义。 1 4 本论文的主要研究内容 本文研究了a m 6 0 b 镁合金在不同工况下的磨损行为和硬化处理对耐磨性的 影响，具体研究内容如下： 1 1 研究不同环境温度、载荷、转速和行程下，a m 6 0 b 镁合金的磨损行为。 2 1 通过对a m 6 0 b 镁合金进行硬化处理，研究硬化处理对a m 6 0 b 镁合金耐 磨性的影响。 3 1 通过分析不同工况下a m 6 0 b 镁合金磨面、剖面和磨屑的形貌、成分和 物相，探讨镁合金的磨损机制。 1 1 江苏大学硕士学位论文 2 1 实验材料及制备 2 1 1 实验材料 第二章实验方法 弟一早头题力 太 本实验采用a m 6 0 b 镁合金作为实验材料，a m 6 0 b 镁合金棒材购自南京云 海镁业有限公司，其成分见表2 1 。 表2 1a m 6 0 b 镁合金的成分 t a b l e2 1c o m p o s i t i o n so fa m 6 0 bm a g n e s i u ma l l o y 2 1 2 磨损试样的制备 采用线切割将a m 6 0 b 镁合金制成西6 x 1 2 m m 磨损实验用磨销。对磨盘( 西 7 0 x 8 m m ) 采用1 0 撑钢，硬度8 8h r b ，销与盘外观尺寸如图2 - 1 所示。a m 6 0 b 镁合金的硬化处理采用t 5 处理工艺。t 5 ：在1 7 7 下保温1 7h ，然后空冷。 图2 - 1 销试样( a ) 与盘试样( b ) 尺寸 f i g 2 - 1s i z eo fp i n ( a ) a n dd i s k ( b ) 1 2 江苏大学硕士学位论文 2 2 实验流程 实验流程示于图2 2 ：将a m 6 0 b 镁合金线切割成西6 x 1 2m m 磨损实验用磨 销，用电子天平称其质量，在m g 2 0 0 高温磨损试验机上磨损，磨损后再称试样 质量，得出磨损量，用x r d 、s e m 、e d s 分析磨损表面、剖面及磨屑的物相、 形貌和成分，并用显微硬度计测量剖面硬度。磨销分两类，一类未经处理，另一 类经硬化处理。 畸匣 2 3 磨损实验 图2 2 磨损实验流程 f i g 2 2p r o c e s so fw e a rt e s t 磨损实验是在m g 2 0 0 型高温磨损试验机上进行的，高温磨损试验机和磨损 实验的原理示意图分别见图2 3 和图2 4 。 干滑动磨损条件：实验温度为室温、1 0 0 和2 0 0 ；载荷分别选择1 2 5 、 2 5 、5 0 、1 0 0 、1 5 0 、2 0 0 、2 5 0 、2 7 5 和3 0 0n ；滑动速度为8 0r r a i n ( 0 2 5m s ) 、 1 6 0r m i n ( 0 5m s ) 、2 4 0r m i n ( 0 7 5m s ) 和3 2 0r m i n ( 1m s ) , 滑动距离分别选 择7 5 、1 5 0 、3 0 0 、6 0 0 和9 0 0m 。 江苏大学硕士学位论文 图2 - 3m g 2 0 0 高温磨损试验机 f i g 2 - 3 m g - 2 0 0 t y p e h i g h t e m p e r a t u r e w e 2 4 - m a c h i n e 图2 4 高温磨损实验琢理示意脚 f i g 2 - 4s c h 口n a t l c d i a g r a m o f h i g h t c m p c r a t m c w g a r m a c h i n e 磨损实验的磨损革用称量法柬确定，实验用电子分析天平e 1 8 0 ( 精度为0 0 l m g ) 称量试样在磨损前后的重量，以其差值柬衡量磨损性能。试样和磨盘在磨 损前将接触面用6 0 0 目s i c 砂纸研磨光滑并用酒精清洗干净，并吹干。试样的表 江苏大学硕士荦位论文 面粗糙度如图2 - 5 。磨损结束后，从对磨盘上收集磨屑，密封后用扫描电镜进行 磨屑形貌和成分分析。将磨损后的试样直接进行扫描电镜观察磨面形貌，然后沿 滑动方向剖开试样进行镶嵌，用金相砂纸磨成镜咖，抛光腐蚀后，对镶嵌面喷金 处理，然后用扫描电镜观察磨损剖面形貌，并进 j ：显微硬度测试。 垤c c ( i ) 3 - d i m e n s i o n a l i n t e r a c t i v ed i p l a 3 篙誉 、，c e c o 。“”“”“。“山， j 虬嶙淄虬瑚峭岫r “， 1 ，i l e 、o t e ： 蚓2 - 5 培捕试样的嵌向粗糙度 f i g2 5s u r f a c er o u g h n e s so fs a m p l e a m 6 0 b 镁合盒的硬化处理在g s l l 3 0 0 x 型真空管式烧结炉中进行，为防止 江苏大学硕士学位论文 处理过程中试样氧化，盛放试样的烧舟用碳粉覆盖，处理过程中采用氩气保护 真空管式烧结炉的图片见图2 - 6 。 舟 审1 2 4 微观分析 图2 缶g s l l 3 0 0 x 真空管式烧结炉 f i 9 2 6 g s l l 3 0 0 x t y p e v 删岫m k f u l l l a c 。 x - 射线衍射试验( x r a y d i f f r a c t i o n ，x r d ) 在n 奉理学r i g a k u d m a x 2 5 0 0 p c 型x - r a y 衍射仪上进行。衍射条件：c u 靶的k n 射线，实验电压4 0k v 、电流 2 0 0 m a 、衍射速度5o ，i n 、衍射角范围2 0 8 0 。扫描电镜分析( s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e ，s e m ) 和能谱分析( e n e r g y d i s p e r s i v e s p e c t r u m ，e d s ) 分析分别在 j x a - 8 4 0 a 型扫描电镜和能谱仪上进行，重点观察磨损表面，磨损剖面及磨屑的 形貌，并且进行成分分析。采用h v - 1 0 0 0 型显微硬度仪( 载荷为0 0 9 8n ，加载 时间为2 0s ) 对磨损剖面进行硬度测试。 江苏大学硕士学位论文 第三章a m 6 0 b 镁合金不同工况下的磨损行为 3 1 磨损量及摩擦系数 3 1 1 不同环境温度和载荷下的磨损量和摩擦系数 不同温度和载荷下a m 6 0 b 镁合金的磨损量如图3 - 1 。其他磨损实验的条件 分别为滑动速度1 6 0r m i n 、滑动距离6 0 0m 。当载荷低于5 0n 时，常温和1 0 0 时的磨损量相差不大，都很小；当载荷超过5 0n ，常温和1 0 0 时的磨损量进入 一个平稳期，然后快速增加。常温时从5 0 2 7 5n 磨损量的变化相对平稳，当载 荷大于2 7 5n 时，磨损量迅速增大。而在1 0 0 时，磨损量的平稳期为5 0 1 5 0n ， 载荷超过1 5 0n 时磨损量迅速增大。当载荷低于2 5n 时，2 0 0 的磨损量低于 常温和1 0 0 的磨损量，但当载荷升至5 0n 以上时，2 0 0 的磨损量迅速增大， 远远高于常温和1 0 0 下的磨损量。 图3 - 1 常温、1 0 0 和2 0 0 下a m 6 0 b 镁合金随载荷增加的磨损量变化曲线 f i g 3 1w e a rl o s sc u r v ea saf u n c t i o no fl o a df o ra m 6 0 ba l l o ya tr o o mt e m p e r a t u r e ，1 0 0 a n d2 0 0 ，r e s p e c t i v e l y 图3 2 为不同温度和载荷下a m 6 0 b 镁合金的平均摩擦系数。在各个环境温 度下，平均摩擦系数随着载荷的增大而减小。1 0 0 下的平均摩擦系数低于常温 和2 0 0 下的平均摩擦系数。