含石墨铝合金的磨损性能探讨

     作者：何艳华

    石墨颗粒增强铝基复合材料中，石墨颗粒的加入能提高材料的耐磨性能，同时改善材料的吸震性和切削加工性能，降低材料的膨胀系数。乙醇是一种可从玉米、甘蔗等生物质中提取的重要低碳经济能源和清洁能源。本课题研制了含石墨的Mg2 Si/Al复合材料，并研究了乙醇润滑条件下Mg2 Si／Al复合材料的滑动磨损性能，为Mg2 Si/Al复合材料在发动机中的应用提供参考。

    1  试验过程及方法

    由于石墨密度小，易于在铝合金熔体中上浮从而分布不均匀，试验中以铜包石墨的形式加入石墨，用机械搅拌的方法制备Al基复合材料。铜包石墨粉颗粒直径为40～60 μm，Cu、C质量比为1:1。以Al-Mg2 Si合金(92%)为基体，在780℃加入Al-5Ce中间合金，保温20 min后加入3%的铜包石墨粉，出炉前进行搅拌，然后迅速浇注成形。

将铸态试样进行固溶(525oC×4 h)+时效(175oC×8 h)处理。试样经过打磨、抛光及腐蚀处理后，利用倒置式蔡司金相显微镜观察金相组织；利用布氏硬度计进行硬度测定；采用X射线衍射仪对物相进行分析；利用环块式磨损试验机进行磨损性能测定。

滑动磨损试验在载荷为50、100 N，乙醇滴入量为10、20 mL／min条件下进行。对不同载荷和乙醇滴入量条件下，对试样磨损表面进行表征；利用光学显微镜

对磨损表面进行形貌观察，分析其磨损机理。

    2  试验结果与讨论

    2.1  金相组织及硬度测定

    铸态和固溶时效处理后的试样金相组织见图l，图2为合金铸态及固溶时效后的XRD图。组织中主要包含α-Al、初晶Si及石墨。其中黑色颗粒为石墨，灰色颗粒为初晶Si，白色为α-Al。以铜包石墨的形式加入石墨，使石墨在Si基体中分布均匀，同时Al- 5Ce的添加

细化了晶粒。石墨由于添加量较少，在XRD谱图上衍射峰强度相对铝基固溶体及Si相较弱，峰值不明显。

    布氏硬度计测定试样固溶后的硬度(HB)为101，明显高于铸态试样的硬度(HB) 75。

    2.2磨损试验

    磨损试验共分为4组，通过改变载荷和乙醇流量来分析含石墨Mg2 Si／Al复合材料的磨损机理，结果见表1。

    2.3磨损表面形貌

    图3～图5为不同载荷、不同乙醇润滑流量条件下Mg2 Si/Al复合材料的磨损表面形貌。不同载荷下，含石墨Mg2 Si／Al复合材料的磨损表面出现沿滑动方向的犁沟（白亮色）及附着于磨损表面的颗粒状或片状磨屑，局部区域形成了小面积的薄层。这说明两种合金的磨损都有磨料磨损的特征。沿滑动方向磨损区域的边缘，堆积了较多的石墨颗粒。从磨损形貌还可以看出，摩擦面上的磨屑基本呈片状，并且具有金属光泽。

    2.4机制分析

    低载荷条件下(50 N)，Mg2Si／Al复合材料的磨痕较宽且深，白亮色犁沟区域较多，石墨在单向碾压的作用下脱出铝基体而积存于磨损表面，见图3。一般情况下，载荷增加，材料的磨损量也会增加。但是在试验中大载荷(100 N)条件下Mg2 Si/Al复合材料的磨损量则

低于小载荷(50 N)条件下的磨损量。由图5可以看到，Mg2 Si/Al复合材料的磨痕较窄且浅，白亮色犁沟区域较少，较多的石墨在单向碾压的作用下积存于磨损表面，大面积地覆盖于摩擦表面，从而形成了一层含石墨的“润滑层”。

    试验条件下，乙醇流速越快，磨损量越小。这是因为乙醇的存留可以在摩擦界面短暂形成润滑膜。当乙醇在磨损中的流量增大时，乙醇挥发量少，存留于摩擦界面的含量增加，使摩擦副材料接触表面边界润滑的作用增强，在接触面形成一层流体润滑膜，再加上基体

材料中微量石墨的作用，降低了其磨损量。乙醇量越多，形成的润滑膜越厚，减磨效果越好。试验研究表明乙醇可以起到一定的润滑作用。

    3  结  论

    (1)添加Ce及铜包石墨的Mg2Si／Al复合材料，石墨在其中分布均匀，固溶时效处理使其硬度升高。

    (2)乙醇滴入量相同时，载荷越大，Mg2Si/Al复合材料磨损量越少；载荷相同时，乙醇流量越大，磨损量越少。

(3)石墨颗粒及乙醇共同起到了润滑作用，提高了Mg2 Si/Al复合材料的耐磨性。

    4摘  要 

    以Al-Mg2Si合金为基体，添加铜包石墨颗粒及Al-Ce中间合金制备了新型含石墨铝合金。研究了含石墨铝合金铸态及固溶时效后的微观组织，并测定了其布氏硬度；重点考察了其在不同载荷、乙醇润滑条件下的磨损性能。结果表明，石墨均匀分布于铸态合金基体中，固溶时效后，组织细化，硬度提高。在载荷为100 N、乙醇滴入量为20 mL／min时，铝合金表面磨损轻微。摩擦界面的石墨颗粒及乙醇的综合润滑作用影响了合金的磨损性能。