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多元Al-10Si-5Cu-0.75Mg合金组织及摩擦磨损性能研究
铝合金具有质量轻、比强度高、综合力学性能好等优点,广泛应用于汽车工业中,满足了人们对安全舒适、节能环保的需求。本文在传统铝合金A356的基础上,通过优化设计,制备得到Al-10Si-5Cu-0.75Mg合金。
提高Al-10Si-5Cu-0.75Mg合金的性能,热处理是最经济有效的手段。本文通过SEM、XRD、EDS、DSC等方法系统研究了热处理对合金显微组织和力学性能的影响,并优化得到最佳的热处理工艺。
在此基础上,研究了载荷、转速对铸态、固溶态、固溶时效态合金摩擦磨损性能的影响,釆用SEM、EDS、CLSM等手段对磨损表面、磨损剖面的形貌、粗糙度和磨屑的形貌、成分和结构进行了全面的研究和测试,探讨了合金的磨损机理。研究成果如下:铸态Al-10Si-5Cu-0.75Mg合金组织由初生α(Al)相、共晶Si相、Al2Cu相和Mg2Si相等组成,其平均抗拉强度为275MPa,布氏硬度为102HB。
合金熔点为606.8℃。Al-10Si-5Cu-0.75Mg合金的最佳热处理工艺为:500℃固溶保温8h,水冷;继续在190℃进行人工时效保温6h,空冷。
固溶处理和时效处理细化了合金晶粒,使合金中的第二相溶入到基体中,并通过沉淀强化形成过饱和固溶体,从而大幅提高了合金的强度和硬度。固溶500℃×8h后,合金抗拉强度达到365MPa,布氏硬度达到142HB,相较铸态分别提高了32.7%和42.8%;固溶500℃×8h后继续进行人工时效190℃×6h,合金抗拉强度进一步增大到385MPa,布氏硬度进一步增大到163HB,相较铸态分别提高了40%和59.8%。
热处理工艺对合金的磨损率、摩擦系数、粗糙度值变化具有十分重要的影响。同等载荷和转速下,铸态合金的磨损率、摩擦系数最高;固溶态合金次之,固溶时效态合金最小。
表明固溶时效态合金的耐磨性最好,固溶态合金的耐磨性次之,铸态合金的耐磨性最差。但三种状态合金的摩擦系数均能够随磨损时间保持稳定,表明Al-10Si-5Cu-0.75Mg合金的摩擦系数对时间不敏感,具有持续稳定的抗磨损能力。
载荷和转速对Al-10Si-5Cu-0.75Mg合金的磨损率、摩擦系数、粗糙度具有不同的影响规律。载荷增大,磨损率和磨损面粗糙度增加,摩擦系数降低。
磨损面上微凸峰的干涉行为随载荷增大而减弱,导致摩擦系数的降低。低载荷时,磨损机制以磨粒磨损为主,粘着磨损和塑性挤出磨损并存。
中载荷时,磨损机制为磨粒磨损、粘着磨损并伴随少量疲劳磨损和氧化磨损。高载荷时的磨损机制主要为剥层磨损、粘着磨损和氧化磨损共同作用。
转速的变化也显著影响合金的摩擦磨损性能。转速增加,磨损率上升,摩擦系数降低。
转速增加使摩擦过程中生成的摩擦热增多,加速了氧化物的形成,增大了氧化膜的覆盖范围,导致摩擦系数降低。低转速时,材料的磨损机制以磨粒磨损和少量的氧化磨损为主;高转速下,磨损机制转变为剥层磨损、疲劳磨损,同时伴有大量的氧化磨损。
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