尹鹏跃;曹丽杰;张嘉璐
【摘 要】采用MMS-2A型环块式摩擦磨损试验机对稀土镁合金GW103K进行了摩擦磨损试验.试验结果表明:GW103K体积磨损量随着磨损时间和外载荷的增大而增大,当磨损时间超过30 min,外载荷超过400 N时,体积磨损量增大明显;摩擦因数在0.26～0.28之间变化.对摩擦副环块,转速与体积磨损量成正比,与摩擦因数成反比. 【期刊名称】《上海工程技术大学学报》
【年(卷),期】罗马尼亚电影复仇2014(028)003
【总页数】3页(P241-243)
【关键词】稀土镁合金;摩擦;磨损
【作 者】尹鹏跃;曹丽杰;张嘉璐
【作者单位】上海工程技术大学机械工程学院,上海201620;上海工程技术大学机械工程学院,上海201620;上海工程技术大学机械工程学院,上海201620
【正文语种】中 文
【中图分类】TG146
镁合金具有质量轻、低污染、高阻尼、可再生性等优点，为继钢铁、铝之后的第三大金属结构材料.镁合金的密度为1.78～1.82t／m3[1]，具有良好的机械加工性能、优异的比强度和良好的耐热性能，应用在航天航空、军工和汽车等领域极具吸引力.大众汽车（Volkswagen）在其甲壳虫车型上首次使用镁合金22kg，保时捷汽车（Porsche）首次使用镁合金发动机，计划在每台轿车上镁合金的使用量在2005、2010和2015年分别达3、20和50kg[2].稀土镁合金是近年来开发的新型镁合金，在镁合金中加入稀土金属元素钇（Y），可使镁合金具有良好的铸造性能、高温抗蠕变性能；加入钆（Gd）可提高熔点及抗高温蠕变性能、增强高温拉伸性能[3-4]，可用于发动机活塞及其他汽车零部件.但在使用过程中，镁合金会与其他材料接触，产生摩擦磨损.此外，镁合金材料在加工、成形和装配过程中，例如切削、滚压、挤 压、锻造等，磨损也是重要的考虑因素.因此，研究稀土镁合
金的摩擦磨损性能，寻提高镁合金耐磨性能的方法，对扩大镁合金在工程中的应用具有十分重要的意义.
1 试验材料与方法
1.1 试验材料
试验材料GW103K镁合金的化学成分（质量分数，%）为：Mg-10Gd-3Y-0.4Zr合金.其制备采用纯 镁 （99.95%）与 中 间 合 金 Mg-25%Gd，Mg-25%Y和Mg-30%Zr进行配制，然后熔炼、浇铸、退火，形成铸锭，最后对铸锭进行热挤压和热处理.铸锭在500℃下进行10h的均匀化处理，然后在挤压桶内热挤压成形，挤压比为14.热处理工艺为：固溶490℃+6h，水淬至室温，然后进行225℃+10h时效处理.用光学显微镜观察热处理后的显微组织，腐蚀剂为5%酸酒精溶液.挤压并热处理后的GW103K镁合金的力学性能和硬度[5]如表1所示.
表1 挤压并热处理后GW103K镁合金的力学性能和硬度[5]Table 1 Mechanical propertyies and hardness of GW103K alloy after extrusion and heat treatment[5]合金 σ0.2／MPa σb／MPa δ／% 硬度（HV）GW103K 259 388 1.5 112
1.2 磨损试验
利用线切割加工方法将镁合金切割成尺寸为6mm×7mm×30mm的长方体试样.镁合金试件作为上试件，下试件为圆环状，外径为40mm，材料为GCr15，硬度（HV）为700.磨损前试样表面首先经过水磨，然后干磨，最后在抛光机上用呢子布配合抛光膏进行表面抛光.用无水乙醇清洗表面，再用吹风机吹干，然后装入试件袋中备用.
摩擦磨损试验在MMS-2A型屏显式磨损试验机上进行.取上试件固定，下试件转动，转动速度为100和200r／min.选用40号机油作为润滑油，润滑方式为浸润润滑.磨损时间分别为10、20、30和40min；外载荷分别为100、200、400和600N.磨损好的试件浸在煤油里清洗两遍，然后用无水乙醇清洗表面，再用吹风机吹干防止氧化.试验中的摩擦因数可直接从显示屏上读出.用30倍JXDB读数显微镜测量磨痕尺寸，体积磨损量用磨痕宽度换算成磨损体积来表示，公式如下
式中：ΔV为体积磨损量；R为下试件直径；b为磨痕宽度；L为磨痕长度.
2 试验结果分析
2012人均gdp2.1 GW103K镁合金的显微组织
挤压并热处理后的GW103K镁合金的金相组织如图1所示.可以看到α-Mg基体晶粒及其晶内和晶界弥散分布的细小的第二相颗粒，还可看到沿挤压方向呈流线型分布的积聚的第二相.α-Mg基体晶粒尺寸不均匀，粗晶尺寸约40μm，细晶尺寸约为8～10μm.研究表明，挤压合金由α固溶体和Mg24Y5相组成，经过时效处理后还有Mg5（GdY）析出相[5].
图1 GW103K合金的显微组织Fig.1 Microstructure of GW103K alloy
我和你加在一起2.2 磨损时间对GW103K镁合金磨损性能影响
当转速为200r／min时，GW103K镁合金的体积磨损量和摩擦因数随磨损时间变化如图2所示.由图2（a）可知，随着试验时间的增加，磨损量增大；10～20min和20～30min时间段内直线斜率基本相似，表明在这两段时间内，体积磨损量增加率基本相同；30～40min时间段，体积磨损量明显增大，磨损量增加率达到 0.049mm3／min.由图2（b）可知，在选定的试验参数下，摩擦因数在0.26～0.28之间变化；随着磨损时间的增加，摩擦因数先逐渐降低，再逐渐增大，达到最大值后，又开始慢慢下降；随着磨损时间的增长，出现最小
摩擦因数值（本试验最长磨损时间为40min）.这可能是随着磨损时间增长，磨掉的颗粒进入润滑油中，使得磨损表面逐渐变得光滑，摩擦力变小所导致.
图2 GW103K镁合金的体积磨损量和摩擦因数随磨损时间的变化Fig.2 Variation curve of volume loss and friction coefficient of GW103K magnesium alloy with wear time
图3 GW103K镁合金的体积磨损量和摩擦因数随外载荷的变化Fig.3 Variation curve of volume loss and friction coefficient of GW103K magnesium alloy with eaternal load
2.3 外载荷对GW103K镁合金磨损性能影响
GW103K镁合金的体积磨损量和摩擦因数随外载荷变化如图3所示.由图3（a）可知，随着外载荷的增加，体积磨损量逐渐增大.除了在400N外载荷下，100r／min转速下的体积磨损量与200r／min转速下相同.在其他载荷下，转速增高，磨损量稍有增大，这可能是因为转速越高，与摩擦副的接触温度越高，镁合金表面发生塑性变形的程度越大，致使磨损量增加.由图3（b）可知，在选定的参数下，摩擦因数首先随着外载荷的增加而增大；在载荷为200N时，摩擦因数达到最大值，之后随着载荷增加，摩擦因数降低.最小摩擦因数出现在6
00N载荷下.滑动速度越高，材料所承受的剪切应力就越大，摩擦热作用使试样表面温度的增加也越显著，试样更容易产生变形，所以摩擦因数越小[6].
3 结 语
1）稀土镁合金GW103K的体积磨损量随着磨损时间和外载荷的增大而增大，当磨损时间小于30min，体积磨损量增加缓慢；磨损时间大于30min，体积磨损量增加明显；转速与磨损量成正比.
2）摩擦因数在0.26～0.28内变化.随着磨损时间增加，摩擦因数先降低，然后增加，最后降低.
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3）载荷大于200N时，随着载荷增加，摩擦因数线性减小.
参考文献：
[1]丁文江.镁合金科学与技术[M].北京：科学出版社，2007.
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[2]Froes F H，Eliezer D，Aghion E.The science，technology，and applications of magn
esium[J].Journal of the Minerals Metals and Materials Society，1998，50（9）：30-34.
[3]张莉，王渠东，丁文江.镁基材料摩擦磨损的研究进展[J].材料导报，2011，25（5）：94-96，105.
[4]黄晓锋，朱凯，曹喜娟.主要合金元素在镁合金中的作用[J].铸造技术，2008，29（11）：1574-1578.
[5]刘文才.ZK60和GW103K镁合金高周疲劳行为及其喷丸强化研究[D].上海：上海交通大学，2011.
[6]范新凤，李东南.流变压铸成形AZ91D镁合金摩擦磨损性能的研究[J].轻合金加工技术，2008，36（12）：39-43.
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