超聲沖擊對AZ91D鎂合金耐磨性的影響

徐林林　劉堂勝

摘 要：對AZ91D鎂合金進行超聲沖擊處理，然后使用掃描電鏡等觀察沖擊前后組織的變化，接著對不同沖擊參數的鎂合金試樣進行磨損試驗。實驗結果表明，超聲沖擊處理能提高AZ91D鎂合金的耐磨損性能。經分析計算，當沖擊電流為1.2 A，沖擊時間為3 min、6 min、9 min時，AZ91D鎂合金的耐磨性分別提高了23.91%、40.00%、49.13%；當沖擊電流為1.5 A，沖擊時間為3 min、6 min、9 min時，AZ91D鎂合金的耐磨性分別提高了53.48%、55.23%、57.40%。

關鍵詞：超聲沖擊 AZ91D鎂合金 掃描電鏡 耐磨性

中圖分類號：TG14 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）01（c）-0082-04

鎂合金具有高的比強度和比剛度、良好的導熱導電性以及良好的機加工性能，而且對周圍環境沒有任何有害的影響[1]。所以，鎂合金是一種十分理想的現代工業結構材料，成為近幾年國內外研究和發展的熱點與重點，應用前景極為廣泛。然而鎂合金的實際強度較低以及耐磨耐蝕性較差也是被公認的，鎂合金較低的實際強度以及較差的耐磨耐蝕性能成為限制鎂合金實現更為廣泛應用的主要障礙。因此要大力發展鎂合金的應用，關鍵之一在于提高鎂合金的實際強度以及解決鎂合金的耐磨損問題。

超聲沖擊是一種新型的表面強化技術，在該試驗中，通過對AZ91D鎂合金表面進行超聲沖擊處理，使其達到表面強化的目的；然后通過實驗觀察超聲沖擊后鎂合金磨損性能的變化，從而研究超聲沖擊對AZ91D鎂合金耐磨性的影響。

超聲沖擊是利用大功率的能量推動沖擊頭高頻率地沖擊金屬表面，從而使金屬表面實現納米化加工處理的新方法[2]。近年來，使用超聲沖擊納米化技術已經在很多金屬材料表面獲得了納米晶體結構，生產出的納米材料在相應領域的應用研究已經取得重大進展。

1 實驗材料、設備和方法

1.1 試驗材料的準備

該試驗用材料為AZ91D鎂合金，首先將坯料通過線切割設備切成7 mm厚的片狀材料；沖擊試驗試件主體尺寸為120 mm×84 mm×7 mm，然后在材料上進行不同工藝參數的超聲沖擊試驗，試樣表面沖擊好后，再用線切割機切成所需要的試樣尺寸30 mm×7 mm×7 mm。沖擊前要對待沖擊面進行預磨處理，使表面光潔度提高并去除氧化物。

1.2 確定超聲沖擊參數

為了初步了解超聲沖擊對AZ91D鎂合金的沖擊效果，先在一塊AZ91D鎂合金試樣上分別用沖擊電流為1.2 A、1.5 A、2.0 A的沖擊參數進行試沖擊，沖擊時間為10 min。沖擊后的試樣見圖1。

在超聲沖擊電流為1.2 A時，經過10 min（劃線區域）的沖擊后，材料表面十分光滑，部分區域存在黑色物質。

在超聲沖擊電流為1.5 A時，經過10 min（劃線區域）的沖擊后，材料表面沒有黑色物質，可見沖擊效果要優于沖擊電流為1.2 A時的沖擊效果。

在沖擊電流為2.0 A時，沖擊5 min后，板材出現裂紋及整塊材料出現彎曲現象，說明沖擊電流為2 A時沖擊能量過大，不適宜對此種類型的板材進行沖擊。

在進行超聲沖擊的試沖擊試驗后，初步確定該試驗中所用的電流參數為1.2 A和1.5 A；沖擊時間經過換算后確定為每種電流參數下分為3種情況，具體參數如表1所示。

1.3 試驗內容及所用設備

（1）超聲沖擊試驗。

常見的超聲沖擊系統主要由兩部分組成，即超聲波發生系統和超聲振動系統。超聲波發生系統的主要目的是將交變電流轉換為超聲頻的電振蕩信號。超聲振動系統是把高頻的交流電能轉換為高頻機械振動能，并將振動幅值放大，推動沖擊針撞擊處理工件來進行工作。超聲振動系統主要由超聲換能器[3-4]、變幅桿[5]和沖擊工作頭組成。該次試驗的第一個步驟是在AZ91D鎂合金上進行超聲沖擊，所采用的超聲沖擊設備為HJ-Ⅲ型超聲沖擊機。

（2）磨損試驗。

摩擦磨損試驗所需AZ91D鎂合金試樣的尺寸為7 mm×7 mm×30 mm，在磨損試驗前，先用無水酒精把試樣清洗干凈，并用吹風機吹干；試驗前，先用電子天平測量試樣質量M1（先后測3次，取平均值）；然后，預磨損3 min后再次用無水酒精清洗干凈，再次用吹風機吹干后用電子天平測量質量M2（先后測3次，取平均值）；最后磨損15 min后，重復上述過程測得M3。

磨損試驗在M2000型試驗機上進行。磨損機的下滾輪材料為GCr15鋼，硬度為HRC61，轉速為200 r/min，壓力為300 N；對磨試樣是不同工藝參數超聲沖擊后的AZ91D鎂合金，兩者接觸面是超聲沖擊后的試樣。耐磨性采用稱重法評定，用感量為萬分之一克的ESJ205-4型分析天平稱量。

磨損試驗后，為了更好地觀察各試樣磨損面的形貌，對各試樣的磨損表面進行掃描電鏡試驗。在進行掃描電鏡試驗前，要仔細清洗試樣，以免試樣表面的雜質對掃描電鏡設備造成損害。

2 試驗結果討論及分析

磨損時零件表面的損壞是材料表面單個微觀體積損壞的總和。對材料磨損進行評定的方法常見的有磨損量、耐磨性和磨損比。該試驗采用了磨損量來評定超聲沖擊前后AZ91D鎂合金的磨損性能。

該試驗中，超聲沖擊后的AZ91D鎂合金經線切割加工成尺寸為30 mm×7 mm×7 mm的條形試樣。試驗條件為干摩擦，環境溫度為20 ℃左右，預磨損時間為3 min，載荷300 N；預磨損3 min后，再次磨損時間為15 min。

每組試驗參數選取6個試樣進行磨損試驗，另外處理數據時，每組參數的磨損試驗數據去掉一個最大值和一個最小值的試樣（這樣做的目的是為了避免有的試樣沖擊不均勻所造成的試驗誤差），摩擦磨損試驗結果如表2所示。

從表2中可以看出，與未超聲沖擊的試樣相比，超聲沖擊能有效提高AZ91D鎂合金的耐磨損性能，隨著沖擊時間的增加，材料的耐磨損性能都有逐步的提升；在相同沖擊電流參數下，隨著沖擊時間的增加其耐磨損性能都有一定的提升。沖擊電流1.5 A時，隨著沖擊時間的增加，其耐磨損性能的提升不大；在沖擊電流為1.5 A，沖擊時間9 min時，耐磨性提升幅度最大，與未進行沖擊的試樣相比，耐磨性提高了57.4%。

為了更好地觀察各沖擊參數下AZ91D鎂合金的磨痕表面的微觀形貌，通過掃描電鏡觀察了AZ91D鎂合金經不同沖擊參數下的磨痕表面，結果見圖2。

從圖2中也可以觀察出，隨著超聲沖擊時間的增加，試樣表面磨痕程度逐漸下降，說明AZ91D鎂合金的耐磨損性能在逐漸提升。但是沖擊參數為1.5 A、6 min和1.5 A、9 min的試樣上，都存在部分區域磨損情況十分劇烈，這種現象產生原因可能是試樣表面不平整從而導致在摩擦的過程中受力不均勻，進而產生了局部的劇烈磨損現象。但總體來說，超聲沖擊對AZ91D鎂合金的耐磨損性能有著極大改善，隨著沖擊時間的增加，其耐磨損性能越好。

3 結語

該文分析了AZ91D鎂合金超聲沖擊前后耐磨性變化，得出分析結果，總結如下。

（1）超聲沖擊后AZ91D鎂合金的晶粒得到了細化。

（2）超聲沖擊后AZ91D鎂合金的耐磨性能明顯提高了。

經分析計算，當沖擊電流為1.2 A，沖擊時間為3 min、6 min、9 min時，AZ91D鎂合金的耐磨性分別提高了23.91%、40.00%、49.13%；當沖擊電流為1.5 A，沖擊時間為3 min、6 min、9 min時，AZ91D鎂合金的耐磨性分別提高了53.48%、55.23%、57.40%。

綜上所述，超聲沖擊處理能提高AZ91D鎂合金的耐磨損性能，對AZ91D鎂合金來說超聲沖擊處理是一種比較好的表面強化方法，該強化方法在其他材料的使用上也將大有用途。AZ91D鎂合金耐磨性能得到了改善，在工業中就能發揮它性能上的優勢，成為比較實用的環保材料。

參考文獻

[1] 丁文江.鎂合金科學與技術[M].北京：科學技術出版社，2007：365-367.

[2] 何柏林，余皇皇.超聲沖擊表面納米化研究的發展[J].熱加工工藝，2010，39（18）：112-115.

[3] 鮑善惠.B3用電流角分析超聲換能器的匹配問題[J].聲學技術，1996（4）：175-177.

[4] 林書玉.超聲換能器的原理及設計[M].北京：科學出版社，2004.

[5] 林仲茂.超聲變幅桿的原理和設計[M].北京：科學出版社，1987.