高Cu鑄造鋁合金的摩擦磨損性能

王海波，趙君文，陶星宇，戴光澤

(西南交通大學 材料科學與工程學院，成都 610031)

鋁合金具有高比強度、耐腐蝕等優(yōu)點，因此廣泛應用于汽車和航空航天領域[1-2]。而Al-Cu合金相比于其他鋁合金擁有較高的強度、硬度和耐磨性，被認為是最常用的鋁合金之一[3]。Al-Cu合金優(yōu)良的綜合性能與其組織中的Al2Cu相(亦稱θ相)密切相關，Al2Cu相的形貌、數(shù)量和分布也成為影響Al-Cu系合金性能的主要因素，因此，國內(nèi)外學者進行了大量的研究。Liu等[4]研究了固溶處理對Al-Cu-Mg-Ag合金力學性能的影響，結(jié)果表明最佳固溶條件為515 ℃/1.5 h，此時Al2Cu相充分溶解到Al基體中，且再結(jié)晶晶粒尺寸較??；王德升等[5]通過研究發(fā)現(xiàn)，固溶溫度為510 ℃時，SiCp/Al-Cu-Mg復合材料的Al2Cu相可以充分溶解，固溶時間達到2 h后，隨著固溶時間的延長，材料的強度提高不明顯。強塑性變形可以改變Al2Cu相的形貌和分布，用于Al-Cu系合金的強化，相關研究人員利用強塑性變形改善Al-1.7%(質(zhì)量分數(shù)，下同)Cu和Al-4.4%Cu合金的微觀組織和硬度[6-7]，提高Al-0.63%Cu,Al-3.9%Cu和Al-4%Cu合金的拉伸性能[8-9]。此外，Cu含量對合金的綜合性能影響較大，Bahl等[10-11]研究了Cu含量為6%～9%的Al-Cu系合金，結(jié)果表明，Cu元素可以顯著提高合金的強度，但塑性變差，而合金的低周疲勞與Cu含量沒有明顯的相關性。

Al2Cu相對Al-Cu合金的耐磨性影響顯著，許虹宇等[12]研究了不同Cu含量(1%～7%)對Al2O3·SiO2sf/Al-Cu復合材料的耐磨損性能，發(fā)現(xiàn)隨著Cu的增加，材料的摩擦因數(shù)減小，耐磨性先增加后降低，這是因為過量的Al2Cu相析出，增加材料的脆性，導致磨損面產(chǎn)生大量的剝離。而Kumar等[13]和Raju等[14]研究發(fā)現(xiàn)，隨著Cu含量的增加，合金的耐磨性持續(xù)提高，較多的Al2Cu相可以提高Al-Cu合金的硬度和強度，降低Al-Cu合金的磨損率。

由以上結(jié)果可知，目前研究者們對Al-Cu系合金的研究方向主要聚焦在Cu含量較低的合金上，Cu的質(zhì)量分數(shù)大約在5%左右[15]，一般不超過10%，這是因為過量的Cu在鋁合金中產(chǎn)生大量的Al2Cu相，影響合金的塑性，而對于Cu含量大于10%的合金則鮮有報道。但是，Al2Cu相作為增強相，可以顯著提高合金的硬度和耐磨性。本工作采用壓鑄工藝制備了Cu質(zhì)量分數(shù)為5%～20%的試樣，系統(tǒng)地研究了高Cu鑄造鋁合金的微觀組織，重點分析了合金的磨損性能，以期為Al-Cu合金耐磨件成分設計提供參考依據(jù)。

1 實驗材料與方法

采用純度為99.7%的工業(yè)純鋁及純銅配制Al-Cu二元合金，調(diào)至合金中Cu含量為5%,10%,15%和20%。在電阻爐中將純鋁加熱到780 ℃，再將烘干的純銅棒(φ5 mm×20 mm)加入熔融的鋁液中，保溫2 h，以確保銅在鋁液中充分溶解和擴散均化，之后將合金熔體進行除氣精煉后冷卻至各合金液相線溫度以上20 ℃，以保證相同的過熱度，各合金的液相線溫度及澆注溫度如表1所示，其中，合金的液相線溫度通過Al-Cu合金二元相圖得出。將達到預定溫度的熔體通過湯勺傾倒入預熱過的壓鑄機壓室內(nèi)，在106 MPa壓力下壓鑄制成尺寸為φ60 mm×30 mm樣塊。

表1 Al-Cu合金的液相線溫度及澆注溫度

取樣塊的中心部位進行線切割加工，制得30 mm×20 mm×5 mm試樣，其尺寸如圖1(a)所示。試樣通過HBE-3000A型布氏硬度計測試其硬度，采用2452 N的載荷和5 mm的硬質(zhì)合金球進行測定。每種合金的硬度至少通過5次測量來確定。利用排水法對試樣進行密度測試，如式(1)所示。

圖1 試樣的尺寸(a)及表面形貌(b)(A部位為金相取樣位置)

(1)

式中：m1為試樣在空氣中的質(zhì)量；m2為試樣在水中的質(zhì)量。

磨損實驗前每個試樣磨損表面均采用金相砂紙研磨到1400#，并利用粒度為1.5 μm的SiC懸浮液拋光處理,保證每個試樣具有相同的粗糙度，利用激光共聚焦顯微鏡測得表面粗糙度Ra約為0.8 μm，如圖1(b)所示。采用球盤往復式摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損實驗，摩擦試樣為上述經(jīng)線切割加工的試樣，對磨材料為φ10 mm的GCr15鋼球，硬度為62HRC，表面粗糙度Ra為0.2 μm。實驗條件如下：法向載荷分別取1～5 N，振幅為5 mm，頻率為3 Hz(線速度0.03 m/s),周期數(shù)為10000次。試樣的摩擦因數(shù)由磨損試驗機實時記錄。磨損實驗前后，將試樣浸入酒精進行超聲波清洗。利用VHX-1000型超景深顯微鏡觀察試樣磨損后的磨痕，每個磨痕至少觀察3處輪廓，導出磨損形貌數(shù)據(jù)，并用Origin軟件計算磨痕輪廓面積并得出平均值。采用掃描電鏡(SEM)觀察磨損表面的形貌，并利用掃描電鏡附帶的能譜儀(EDS)分析磨損表面的化學成分。通過式(2)計算比磨損率I，即單位滑動距離和單位負載產(chǎn)生的體積磨損量，并用I來評定材料的耐磨性。

(2)

式中：I為比磨損率，mm3·N-1·m-1；A為磨損輪廓的面積，mm2；C為磨痕長度，mm；S為滑動距離，m；FN為法向載荷，N。

磨損實驗完成后，在磨損試樣上切出1塊(非磨損區(qū)域，即圖1(b)中A部位)。經(jīng)鑲樣、研磨、拋光，使用Keller試劑腐蝕后，采用掃描電子顯微鏡對各試樣進行金相觀察和拍攝。

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀組織

圖2顯示了4種Al-Cu合金試樣的SEM顯微組織照片，可以看出，Al-Cu合金的組織主要由初生α-Al相和(α+θ)共晶組成。由圖2(e),(f)可知，SEM圖像中黑色區(qū)域的Al含量占絕大多數(shù)，而白色區(qū)域內(nèi)的Al原子與Cu原子之比接近于2∶1。由此可知，圖2中黑色的組織為初生α-Al相，白色的為共晶組織。由于4種合金的Cu含量均高于室溫下在Al基體中的最大固溶度，過量的Cu主要沿著晶界以Al2Cu的形式析出。隨著Cu含量的增加，初生α-Al相不斷減少，共晶組織不斷增加。此外，從圖2(d)可以看出，α-Al的尺寸隨著Cu含量增加至20%明顯減小。

圖3為Al-Cu合金試樣θ相的形貌。由圖3可見，隨著Cu含量的增加，θ相傾向于形成團簇分布在晶界間，且θ相的尺寸不斷增加，與Bahl等[10]的研究結(jié)果一致。

圖3 Al-Cu合金試樣θ相的形貌

根據(jù)Al-Cu合金相圖，常溫下Al-Cu合金主要由α相和θ相組成，對各組分的試樣進行XRD測試，獲得的XRD譜圖如圖4所示。

圖4 Al-Cu合金試樣的XRD譜圖

利用MDI Jade軟件對相的體積分數(shù)進行半定量計算，如表2所示。由表2可知，隨著Cu質(zhì)量分數(shù)的增加，θ相的體積分數(shù)不斷增大，由2.00%增加到25.80%。

表2 不同組分Al-Cu合金α-Al相和θ相的體積分數(shù)(%)

2.2 試樣的硬度和密度

圖5顯示了4種合金試樣的密度和硬度結(jié)果，隨著Cu含量的增加，Al-Cu試樣的密度由2.81 g/cm3增加到3.14 g/cm3，密度增加了12%，這是由于Cu是一種高密度金屬(8.9 g/cm3)。Al-Cu合金的硬度由59HB增加到170HB,增大了180%；其原因是Al-5Cu試樣主要由α-Al固溶體組成，θ相占比較少，而Al-10Cu,Al-15Cu和Al-20Cu中存在較多的θ相，θ相在位錯移動時作為一種障礙，影響位錯的遷移率，而隨著合金中θ相的增多導致合金的位錯遷移率下降[16]，因此在宏觀上表現(xiàn)為硬度升高。

圖5 Al-Cu合金試樣的密度和硬度

2.3 Al-Cu合金的磨損行為

2.3.1 摩擦因數(shù)分析

圖6為4種Al-Cu合金試樣與GCr15球?qū)δピ诓煌d荷條件下的平均摩擦因數(shù)。由圖6可見，在1 N和3 N載荷下，低Cu含量的兩種合金試樣摩擦因數(shù)相較于高Cu組分的兩種合金試樣要低。隨著載荷的增加，4種試樣的摩擦因數(shù)總體呈下降趨勢，根據(jù)摩擦二項式定律可得[17]：

圖6 Al-Cu合金試樣的平均摩擦因數(shù)

(3)

式中：f為摩擦因數(shù)；α和β分別為摩擦表面的物理與力學性能決定的系數(shù)；A和W分別為實際接觸面積與法向載荷。實驗指出，對于塑性材料組成的摩擦副，表面處于塑性接觸狀態(tài)，實際接觸面積A與法向載荷W呈線性關系，因而式(3)中摩擦因數(shù)f與載荷無關。但對于表面接觸處于彈性變形狀態(tài)的摩擦副，實際接觸面積與法向載荷的2/3成正比[18]。由此可得，式(3)的摩擦因數(shù)隨載荷的增大而減小，本實驗符合這一規(guī)律。但是Al-15Cu合金試樣在5 N載荷下摩擦因數(shù)相較于低載荷有所上升，這在后面的章節(jié)會進行解釋。

圖7為3 N載荷下各合金試樣的摩擦因數(shù)曲線?？梢钥闯觯珹l-5Cu與Al-10Cu合金試樣的摩擦因數(shù)在經(jīng)過摩擦初始階段短暫的波動后，達到穩(wěn)定狀態(tài)，摩擦因數(shù)穩(wěn)定在0.4左右；而Al-15Cu和Al-20Cu合金試樣的摩擦因數(shù)在磨損過程中一直處在波動狀態(tài)。Al-5Cu和Al-10Cu合金由于硬度較低，在較高載荷下的磨損過程中，材料凸起的硬質(zhì)相被壓實在基體表面，磨損表面相對光滑，實際接觸面積增大，所以宏觀上表現(xiàn)為摩擦因數(shù)減小且比較穩(wěn)定[19]；而Al-15Cu和Al-20Cu合金試樣中由于存在著大量的硬質(zhì)θ相，θ相的體積分數(shù)超過15%，且尺寸較大，在摩擦過程中需要較大的切向力，克服硬質(zhì)相的阻礙，所以摩擦因數(shù)較高。另外，由于存在大尺寸的硬質(zhì)θ相，θ相的顯微硬度可以達到297HV[20]，而α-Al相的顯微硬度僅為40HV，兩相的硬度值相差7倍，導致材料的局部硬度差異較大[21]，而犁溝作用的變化引起材料的摩擦因數(shù)曲線有明顯的波動。因此，大尺寸、數(shù)量較多的θ相會導致較大的摩擦因數(shù)，且摩擦因數(shù)波動較大。

圖7 3 N載荷下Al-Cu合金試樣的摩擦因數(shù)曲線

2.3.2 磨痕形貌特征與磨損率

圖8(a)～(d)分別顯示了4種組分Al-Cu合金試樣在不同載荷下磨痕二維輪廓線，由圖8可見，在5 N載荷下， Al-5Cu合金試樣分別為1950 μm與108 μm，Al-20Cu合金試樣的磨痕寬度和深度分別為1325 μm與55 μm，磨痕的寬度和深度下降明顯。Al-15Cu合金試樣磨痕寬度和深度分別為1398 μm與53 μm，相比于Al-20Cu合金試樣，磨痕的深度和寬度相差不大。另外，隨著載荷的增加，Al-Cu合金試樣的表現(xiàn)也不相同：對于Al-5Cu與Al-10Cu合金試樣，載荷由1 N增加到3 N，磨痕的深度和寬度有大幅度的增加，載荷繼續(xù)增加到5 N時，磨痕的深度無明顯變化，寬度略有增加，這表明對摩擦副之間的真實接觸面積增大，導致因增加名義載荷以達到期待的高的接觸應力被增大的接觸面積抵消[22]，所以壓入深度并無明顯變化；而對于Al-15Cu和Al-20Cu合金試樣，磨痕深度隨載荷增加呈線性增加，寬度增幅下降。

圖8 Al-Cu合金試樣不同載荷下表面磨痕區(qū)域橫截面沿縱深方向的二維輪廓線

圖9為4種合金試樣的體積磨損量與載荷的關系。由圖9可見，對于Al-15Cu和Al-20Cu兩種合金試樣，體積磨損量隨載荷的增加呈線性增加，而對于Al-5Cu和Al-10Cu合金試樣，體積磨損量的增幅降低。

圖9 Al-Cu合金試樣不同載荷下的體積磨損量

圖10顯示了4種Al-Cu合金試樣在不同載荷下的比磨損率結(jié)果。如圖10所示，Al-5Cu與Al-10Cu合金試樣在5 N載荷下的比磨損率比3 N載荷下的比磨損率低很多，主要原因是上述分析中接觸應力并沒有因載荷的增加而顯著增大，磨損體積增加不明顯，導致比磨損率隨載荷的增大而下降，而Al-15Cu與Al-20Cu合金試樣在3種載荷下，比磨損率相差不大，且比磨損率較小，可以認為這兩種合金具有較好的耐磨性能。

圖10 Al-Cu合金試樣的比磨損率

從圖10還可以看出，隨著Cu含量由5%增加到15%，試樣比磨損率呈線性減小，但當Cu含量由15%增加到20%時，試樣的比磨損率變化較?。划擟u含量為15%，載荷為1 N時，比磨損率最低為4.1×10-4mm3·N-1·m-1。由上述結(jié)果及分析可知，Cu含量的增加導致θ相含量增加，從而使Al-Cu合金的硬度顯著提高，而強度和硬度是影響合金耐磨性的主要因素[23]；硬質(zhì)相也有利于提高合金的耐磨性[24]，在磨損過程中主要是硬質(zhì)相承受摩擦。因此，隨著θ相的增加，試樣的比磨損率降低；這一規(guī)律在Cu含量為5%～15%時是基本成立的，但是當Cu含量由15%增加到20%時，合金試樣的硬度由112HB增加到170HB，試樣的比磨損率卻沒有降低。宋芊汀等[22]也發(fā)現(xiàn)硬度與耐磨性并不是簡單的正相關，Lu等[25]研究表明，硬質(zhì)相的形貌和尺寸也會對合金的耐磨性有顯著影響，在磨損過程中，由于磨損表面受到循環(huán)剪切應力，易于在基體與硬質(zhì)相的邊界形成微裂紋，且微裂紋更容易在粗大的硬質(zhì)相中形成和擴展，使得磨損表面的氧化膜剝離導致下面的基體暴露，增大磨損率，此時盡管合金試樣有較高的硬度，但是其比磨損率并不會下降。

2.3.3 磨損表面形貌

圖11為1 N載荷下，各組分合金摩擦表面的SEM圖以及部分區(qū)域的EDS。由圖11(a)可以看出，Al-5Cu合金試樣的磨損表面存在淺犁溝、大尺寸剝落坑、分層和黑色附著層。這是由于Al-5Cu合金試樣硬度較低，在磨損過程中，由于溫度的升高，磨損表面部分區(qū)域因為軟化變形而形成具有犁削作用的凸起黏著點，隨著摩擦的進行，黏著點不斷增大，在剪切力的作用下與基體撕裂形成剝落坑[26]；Al-5Cu合金的磨損機制主要為黏著磨損。圖11(b)中存在著犁溝、剝落坑和黑色附著層，但是剝落坑的尺寸相比Al-5Cu試樣明顯減小。Al-10Cu合金的磨損機制為磨粒磨損和黏著磨損的共同作用。

圖11 在1 N載荷下Al-Cu合金試樣的磨損表面SEM圖及EDS分析

如圖11(c),(d)所示，磨損表面主要為犁溝和黑色附著層，犁溝的產(chǎn)生主要是由于摩擦初始階段，摩擦副鋼球上的粗糙峰在法向載荷的作用下，壓入摩擦表面，滑動時的摩擦力通過粗糙峰在摩擦表面微觀切削作用下產(chǎn)生；此外，在磨損過程中產(chǎn)生的磨損碎片可以作為磨粒，磨損過程中在合金表面產(chǎn)生淺犁削。因此，Al-15Cu和Al-20Cu合金的主要磨損機制為磨粒磨損。

對圖11(c)中3,4兩個點進行能譜測試，如圖11(e),(f)所示，圖11(e)為非附著層區(qū)域EDS譜圖，圖11(f)為附著層部位的EDS譜圖，可以看出附著層部分的氧含量為10.2%，明顯高于非附著層區(qū)域的2.5%，由文獻報道[25]結(jié)合形貌和能譜可以推斷出這種組織為氧化層。

圖12為Al-15Cu與Al-20Cu合金試樣的高倍磨損形貌，由圖12(a)可以看出，Al-15Cu合金試樣的磨損表面主要是氧化物，在氧化層周圍有裂紋存在，但是氧化層很少有剝離的現(xiàn)象。而Al-20Cu合金試樣的磨損表面也存在氧化物，但還存在氧化層剝落現(xiàn)象，鋁合金基體直接與摩擦副接觸，從而導致相對大的磨損率。因此，盡管兩種高組分試樣硬度有一定差別，但是磨損率相差不大。

圖12 在1 N載荷下Al-15Cu(a)與Al-20Cu(b)合金試樣磨損表面的高倍SEM圖

圖13為5 N載荷下合金的磨損形貌SEM圖。如圖13(a)所示，磨損表面出現(xiàn)嚴重的黏著剝落坑，犁溝深度和寬度與1 N載荷相比明顯增大。這是由于載荷的增加，磨粒對磨損表面的犁削作用加強，形成尺寸較大的犁溝，與此同時，磨損表面產(chǎn)生了更多的摩擦熱，加速材料軟化形成黏著點，造成面積更大的剝落坑，Al-5Cu合金的黏著磨損程度增加；圖13(b)顯示了Al-10Cu合金的磨損形貌，與低載荷相比，磨損表面的塑性變形程度、犁溝尺寸和剝落坑的尺寸都有所增大，磨粒磨損與黏著磨損程度增加。從圖13(c)可以看出，磨損表面存在氧化物和大量的犁溝；圖13(d)為Al-20Cu合金的磨損形貌，可以看出磨損表面相對光滑，主要為犁溝和塑性變形區(qū)；由此可見，Al-15Cu和Al-20Cu合金的磨粒磨損程度增加。

圖13 在5 N載荷下Al-Cu合金試樣磨損表面的SEM圖 (a)Al-5Cu;(b)Al-10Cu;(c)Al-15Cu;(d)Al-20Cu

對比Al-15Cu和Al-20Cu合金試樣的磨損表面可以發(fā)現(xiàn)，Al-20Cu試樣的黑色氧化層數(shù)量減少或者消失。此時，合金的基體直接與摩擦副相接觸，導致相對較大的磨損率。在磨損過程中，氧化膜一般在α-Al相上形成，磨損速率小于氧化層生成速率，氧化層才會保留[17]。Al-20Cu合金試樣中共晶組織占比較多，α-Al相占比和尺寸較小，導致在相對高的載荷下，磨損率較高，Al-20Cu合金試樣的磨損表面形成的氧化層較少而難以保留。而Al-15Cu試樣相比Al-20Cu存在相對多的α-Al相，生成的氧化層得以保留，此時，合金試樣的磨損率相對較低。但是由于氧化層的存在，合金的摩擦因數(shù)會比較高[27]，這也是5 N載荷下Al-15Cu合金摩擦因數(shù)較高的原因(見圖6)。

3 結(jié)論

(1)隨著Cu含量從5%增加至20%，Al-Cu合金中θ相的體積分數(shù)由2.00%增加到25.80%，且θ相的尺寸逐漸增大，硬度從59HB增加到170HB。摩擦因數(shù)隨Cu含量變化在0.4～0.85范圍內(nèi)浮動，高Cu含量的試樣摩擦因數(shù)較高且波動較大，較多的θ相會造成較高的摩擦因數(shù)和較大摩擦因數(shù)的波動。另外，隨著載荷的增加，試樣的摩擦因數(shù)呈減小的趨勢。

(2)隨著Cu含量的增加，試樣的磨痕深度和寬度下降明顯，Cu含量達到15%以后變化不大，試樣的體積磨損量表現(xiàn)出同樣的規(guī)律。隨著載荷的增加，低Cu含量試樣體積磨損量逐漸增加，但是增幅下降；而對于高Cu含量試樣體積磨損量則呈線性增加。

(3)隨著Cu含量從5%增加至20%，Al-Cu試樣的比磨損率隨Cu含量增加先急劇降低后趨于平緩，Cu含量達到15%以上比磨損率變化不大，最低比磨損率在4.1×10-4mm3·N-1·m-1左右。較低Cu含量試樣的比磨損率隨載荷變化顯著，隨著Cu含量增加各載荷下比磨損率差別降低，當Cu含量為15%～20%時各載荷下試樣比磨損率接近。

(4)Al-Cu合金的主要磨損機制為黏著磨損和磨粒磨損。低Cu含量試樣以黏著磨損為主，磨損表面存在大面積的黏著剝落坑，而高Cu含量試樣以磨粒磨損為主，磨損表面主要為犁溝。隨著載荷的增加，低Cu含量試樣黏著磨損程度增加，高Cu含量試樣磨粒磨損程度增加。