镁含量对Al-Si-Mg合金磨损性能影响的工程科学与技术研究

工程科学与技术，国际期刊22（2019）370完整文章Mg含量对Al-Si-Mg合金I_jlalS，im，seka， DursunÖzyürekbaKarabuk大学，TOBB技术科学职业学校，机械和金属技术系，78050 Karabuk，土耳其bKarabuk University，Technology Faculty，Manufacturing Engineering，78050 Karabuk，Turkey阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2018年2018年8月29日修订2018年8月30日接受在线发售2018年保留字：Al-Si-Mg 合 金时效组织磨损行为A B S T R A C T研究了镁含量对A356铸造铝合金显微组织和磨损性能的影响。采用铸造法制备了不同Mg含量的Al-Si-Mg合金。然后将合金在170 °C下老化10小时（T6）。经T6热处理后，对试样进行显微组织观察和磨损试验。磨损试验采用销盘式磨损试验装置进行。研究结果表明，随着镁含量的增加，合金的硬度增加，密度降低作为磨损试验的结果，发现A356-0.43Mg合金具有最高的重量损失和磨损率，而A356-0.86Mg合金具有最低的重量损失和磨损率。©2018 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍A356铸造铝合金由于其优良的铸造性能、耐腐蚀性和高的强度重量比，特别是当它们通过热处理硬化这些特性使得Al-Si-Mg合金在航空、工程和汽车工业中非常受欢迎[2，6，9，12，18]。尤其是在这些行业中，对Al-Si-Mg合金的耐磨性为满足这些行业的要求而生产的A356铸造合金零件的质量与铸造过程中和铸造过程后使用的热处理参数密切相关[3，8，22，24]。液态金属的制备、浇道和浇注系统的设计以及凝固条件是最重要的铸造参数。在一些先前的研究中，已经使用统计方法确定了允许液态金属转移到型腔的浇道和浇注系统元件对铸件机械性能的影响[5，10，11，13，14]。使用铸造方法生产的零件的机械性能取决于形成合金的元素的分数[7]。不仅铸造参数，而且这些合金的化学成分是非常重要的。在许多研究中，合金元素添加到Al-Si和*通讯作者。电 子 邮 件 地 址 ： ijlalispir@karabuk.edu.tr （ I_ 。S， im ，sek ） ，dozyurek@karabuk.edu.tr（D. Özyürek）。由Karabuk大学负责进行同行审查Al-Si-Mg合金的磨损行为已被讨论[1，8]。Dwivedi[8]得出结论：磨损率和磨损机制随滑动表面温度的升高而增加。Abouei等人[1]指出，在Al-Si基体中以薄片形式存在的Fe金属间化合物导致微裂纹的发展和磨损。Ardakan等人[2]研究了添加6%和10% Mg的超铀A390合金的磨损特性。磨损试验结果表明，镁含量的增加提高了合金的耐磨性。铸造Al-Si-Mg合金中Mg含量的增加导致强度的增加，这取决于对合金应用的T6热处理参数。T6热处理组织中形成的Mg2Si析出物的量随着合金化学成分中Mg含量的增加而增加，这也在不同的文章中指出[21，23]。提高合金强度的另一个重要因素是T6热处理形成的Mg2Si金属间化合物相。富Fe的金属间相也形成在这些合金的结构作为结果的Mg的分数增加提高A356铸造合金强度的最常用的优选热处理方法是称为T6的人工时效处理。T6热处理旨在实现合金强度和延展性的最佳组合。然而，虽然A356合金的强度和延展性通过时效得到改善，但合金对应力腐蚀变得更加敏感。时效热处理包括固溶、快速冷却和人工时效三个步骤。时效硬化机制提高了强度，并通过https://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.08.0162215-0986/©2018 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchI_. S，im，sek，D. Özyürek/工程科学与技术，国际期刊22（2019）370371××表1通过添加不同量的Mg生产的合金的化学成分合金代码Si Mg Fe Al A356-0.43Mg 7.07 0.43 0.32余量A356-0.67Mg 6.89 0.67 0.30余量A356-0.86Mg 7.14 0.86 0.35余量半稳定过饱和固溶体的分解，通过溶液处理和快速冷却获得[24]。一些先前的研究报告称，Al-Si- Mg合金强度的提高取决于许多参数，如晶粒细化、变质、化学成分、硬化条件、结构中Si颗粒的形状和尺寸以及枝晶臂间距[4，15，17，19，20]。这些合金中Mg量的增加导致共晶温度的降低。为此，本研究旨在揭示镁含量对不同镁含量（0.43%、0.67%和0.86%）的A356铸造铝合金的显微组织和磨损行为的影响。2. 实验研究在实验研究中，生产具有表1中给出的化学成分的A356铸造合金。用Foundry-Master致密谱仪测定了合金的化学成分。具有40 kg Al熔化能力的电阻炉用于熔化过程。在完成熔化过程（在750 °C下持续5分钟）之后，将炉中的液体金属暴露于1巴的氩气持续5分钟以进行脱气（使用石墨喷枪）。将不同量的Mg添加到罐中的液态金属中，得到三种不同的合金。用AFS 60-65白炭黑（SiO2）、气硬性碱性酚醛树脂和硬化剂为粘结剂，浇注于砂型中，制成铸件。在完成铸造过程后，将尺寸为200× 125 × 15 mm的铸造板在540 ℃下均质化6 h，并在炉中冷却，以减少固化期间发生的内应力和偏析。从铸造块制备直径为12 mm、厚度为7mm的样品，用于特性研究和磨损测试。进行T6热处理Fig. 1.通过添加不同量的Mg制备的合金的SEM图像和EDS微观分析。I_. S，im，sek，D. Özyürek/工程科学与技术，国际期刊22（2019）370372图二、A356-0.43Mg合金的SEM和EDS图谱准备好的样品。将样品在540 °C下保持在固体溶液中8小时，然后在水中快速冷却至室温以进行T6热处理。快速冷却的样品至室温，自然老化24 h，然后在170 °C下人工老化10 h，完成T6热处理[22]。密度测量通过以下方式进行：根据阿基米德原理计算5个样品的平均值硬度测量在Shimadzu牌显微硬度装置上进行，如维氏硬度计（HMV 0.2），通过平均5次测量进行。使用标准金相操作制备样品用于显微结构检查。然后用95mlH2O、2.5mlHNO3、1.5mlHCl和1mlHF（Keller分析了在两种不同放大倍数下拍摄的五张SEM图像，用于测量Mg2Si相（相对于表面积）和确定Mg2Si尺寸。在显微组织检查和EDS分析中，使用Carl Zeiss Ultra Plus Gemini FEG牌扫描电子显微镜。采用销盘式磨损试验装置进行了磨损试验。在磨损试验中，具有56 Rc硬度的AISI 4140钢盘被用作配对材料。进行了磨损试验通过使用1毫秒-1滑动速度，20 N负载和五不同的滑动距离（500测试前，样本并用丙酮清洁盘表面。在扫描电子显微镜（SEM）下观察磨损样品的表面。当量（1）用于计算磨损率。Wa¼D G= dPS100其中Wa为磨损率（mm3/Nm），DG3. 结果和讨论图1示出了通过添加不同量的Mg生产的合金的SEM图像和EDS微观分析。图1所示的显微组织SEM照片表明，Al-Si共晶网络中的Si、富Fe金属间化合物和T6热处理导致组织中形成10 -28 nm的Mg 2Si析出相。图1所示的EDS显微分析中，观察到Mg和Si峰与Al峰一起作为基体存在，这在图1所示的EDS图谱中可以更清楚地看到。 二、在图2中给出的EDS结果中，以不同分数添加到合金中的Mg显示出均匀分布。这些结果也证明了在铸造过程之前进行的合金化过程是成功的。应清楚地理解，在结构中形成的金属间相是富Fe的。据报道，在一些研究中，铸造过程中在结构中形成的这些金属间化合物的体积和形状取决于Fe和Mg的量，并且它们对材料的机械强度产生负面影响[9，18]。图3示出了编码为A356-0.86Mg的合金的XRD结果。根据图3中给出的A356-0.86Mg合金的XRD结果，在合金的结构中形成富Fe金属间化合物。与主要合金元素（Al、Si、Fe和Mg）一起在铸造过程中形成了富铁的b相和p相，T6热处理形成Mg2Si相。Samuel等人[16]指出，在Al-Si-Mg合金中存在b-AlFeSi和a-Feb相的化学组成已经被据报道在Al9Fe2Si2、Al9FeSi、Al13.6Fe3Si3O5、Al133Fe3Si3.3和Al13.6Fe3Si3.4内变化。然而，化学式Al5FeSi被广泛接受来描述该相。除了有常见的Fe金属间相，例如b-和a-相（Al-Si-），Fe-Mg）， 并且在含 Mg合金 中通常析 出pi-Al 8 Mg3 FeSi 6相。Yıldırım和Özyürek[22]以及Baradarani和Raiszadeh[4]指出，在他们的研究中，由于铸造工艺和T6热处理，在结构中形成了相同的相。图4示出了通过添加不同量的Mg生产观察到合金的硬度随着Mg的量而增加。硬度测试表明，含Mg量最高的A356- 0.86Mg合金（126 HMV）也具有最高的硬度值，其次是A356-0.67Mg合金I_. S，im，sek，D. Özyürek/工程科学与技术，国际期刊22（2019）370373图三. A356-0.86Mg合金的XRD结果。见图4。通过添加不同量的Mg生产的合金的硬度和密度变化。(116 HMV）和A356-0.43Mg（107 HMV）。T6热处理后硬度值的增加是由组织中形成的Mg2Si相引起的。换句话说，硬度的增加可以通过奥罗万机制来解释Ds¼kf1=2 R-12其中，Ds是剪切应力的增加，k是常数，f是沉淀物的体积分数，R是沉淀物的直径。随着小尺寸沉淀物的体积比增加，合金的强度增加，并获得更高的硬度值[19]。T6热处理形成的组织中均匀分布的第二相沉淀阻碍了位错运动。此外，如图4所示，观察到密度的变化取决于添加到Al-Si-Mg合金中的Mg量。在Al-Si-Mg合金中加入Mg后，合金的密度降低是由于Mg（1.74g/cm3）比A356-0.43Mg（2.67g/cm3）的密度低。由于这个原因，合金的密度随着Mg量（wt.%）合金的化学成分增加。图5.a显示了Al-Si-Mg合金磨损试验的重量损失和磨损率，图5.b显示了摩擦系数。根据图1中给出的重量损失和磨损率结果， 5.a，镁含量最低的A356- 0.43镁合金的失重率和磨损率最高。将图5.a中给出的合金的重量损失和磨损率与其化学成分中的Mg含量进行比较，A356-0.86Mg合金（Mg含量最高）具有最低的重量损失和磨损率。 此外，重量损失和磨损率随着滑动距离的增加而增加。图4中给出的硬度结果之间的比较表明，所有合金的结果都是一致的。如图5a所示，具有最高硬度值的A356- 0.86Mg合金具有最低的重量损失。考虑到图5b所示的通过添加不同量的Mg生产的合金的摩擦系数，似乎A356-0.86Mg合金具有最高的摩擦系数。这是一个已知的冶金现象，合金的加入会导致摩擦系数的降低[17]。然而，在滑动距离为1500 m时，摩擦系数表明情况正好相反。这是因为离开A356-0.86Mg合金表面的小颗粒粘附在样品和磨盘之间并附着在样品表面。由于滑动过程，这些较小的颗粒附着在表面的其他部分并使销-盘接触表面变窄，导致摩擦系数值增加。由于这个原因，预期A356-0.86Mg合金具有更高的摩擦系数。这是因为样品加热由于滑动运动上的磨损盘和氧化发生在样品的表面上。如之前的研究所报告，样品盘表面上的氧化引起的氧化物层导致油脂效应和摩擦系数降低[15]。图6示出了含有不同量的Mg的Al-Si-Mg合金的磨损表面SEM图像。图6中磨损表面的SEM图像显示，平行于滑动方向的划痕这是一种磨损图五、通过添加不同量的Mg制备的Al-Si-Mg合金的重量损失和磨损率（a）和摩擦系数（b）I_. S，im，sek，D. Özyürek/工程科学与技术，国际期刊22（2019）370374见图6。 含有不同量Mg的Al-Si-Mg合金的磨损表面SEM图像。见图7。A356-0.86Mg合金磨损表面EDS（标测）结果。磨损试验期间从样品和/或盘表面脱落的硬颗粒引起的特性磨损表面上的这种磨料刮擦模式以及从盘表面和样品表面分离的颗粒，特别是在磨损测试的初始由于接头表面暴露于载荷，在样品表面上发生微切割由于滑动距离的增加，在样品/圆盘界面上积聚的颗粒的作用下，在摩擦作用下并由塑性流动引起的样品表面上发生塑性变形因此，磨损表面上会发生磨料磨损和此外，随着滑动距离的增加，样品/圆盘界面的温度升高，导致在样品表面形成氧化膜层（如图7所示），并提供油脂效应[15]。在滑动过程中从该氧化膜层脱离的硬氧化物颗粒导致样品表面上的塑性变形。4. 结论本文研究了在Al-Si-Mg合金中添加不同含量的Mg后，制备的三种不同合金的显微组织和磨损性能。研究结束时获得的结果如下。● Al-Si共晶网络中的Si、富Fe金属间化合物和T6热处理导致10-28nm Mg 2Si预晶相的形成沉淀在使用铸造方法生产的Al-Si-Mg合金的结构中。合金的硬度值随镁含量的增加而增加，镁含量最低的A356-0.86Mg合金的硬度值最高。合金的密度随着Mg加入量的增加而降低。●●I_. S，im，sek，D. Özyürek/工程科学与技术，国际期刊22（2019）370375作为磨损试验的结果，发现A356-0.43Mg合金（最低Mg量）具有最高的重量损失和磨损率，而A356-0.86Mg合金（最高Mg量）具有最低的重量损失和磨损率。引用[1] V. Abouei、H. Saghafian，S.G. 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