汽車零部件鋁合金軸瓦及其表面涂層的產品解析

趙同新，張敏，崔園園，王娟娟，孫友寶，黃濤宏

(島津企業管理(中國)有限公司上海分公司分析中心，上海 200233)

0 引言

鋁合金密度約為鋼的1/3，具有強度較高、易于加工成型、切削性和導熱性好等優點，是汽車輕量化發展趨勢下被廣泛采用的輕質金屬材料。鋁合金已廣泛應用于汽車發動機、變速器、鋁輪轂、轉向節及各種換熱器等部位，而且隨著鑄鍛焊、沖壓等制造技術的發展，會有更多的部件采用鋁合金制造[1-4]。為了滿足工況和設計要求，鋁合金一般需經過表面處理，如陽極氧化、噴砂、涂裝等。

某鋁合金軸瓦部件進行了表面涂層處理后，具有良好的無油自潤滑性，為了研究其實現方案，本文作者借助電子探針顯微分析儀(EPMA)、能量色散X射線熒光分析儀(EDX)、X射線光電子能譜儀(XPS)和傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)對該鋁合金軸瓦部件進行了綜合分析。

1 實驗部分

1.1 儀器

實驗儀器有：島津EPMA-1720電子探針顯微分析儀；島津EDX-8000能量色散型X射線熒光分析儀；島津Axis Supra X射線光電子能譜儀；島津IRTracer-100傅立葉變換紅外光譜儀。

1.2 實驗條件

實驗條件：

(1)EPMA。加速電壓：15 kV；測試束流：100 nA；測試時間：6 min。

(2)EDX。電壓：15/50 kV；氛圍：真空；積分時間：100 s。

(3)XPS。激發源：單色Al靶(Al Kα，1 486.6 eV)；X射線高壓：15 kV；停留時間(Dwell time)：200 ms；通能：全譜160 eV，精細譜40 eV；分析區域：slot模式；掃描速度：全譜1 eV，精細譜0.1 eV。

(4)FTIR。波長范圍：4 000～650 cm-1；附件 ：ZnSe晶體ATR；分辨率：4 cm-1；掃描次數：20；切趾函數：Happ-Genzel。

1.3 樣品處理

試樣切割到合適尺寸，大小約50 mm×30 mm，進行測試。

2 測試結果與討論

2.1 微區表面形貌特征觀察

鋁合金表面為黑色涂層，使用EPMA觀察表面微區形貌特征，結果如圖1所示。圖1(a)左側為涂層，右側為未涂裝的基體部分；圖1(b)為涂裝區域局部二次電子形貌(SEI)；圖1(c)和圖1(d)分別為基體部分放大后顯示的SEI和背散射電子像(BEI)特征。可見基體為鋁合金，存在多種元素分布。圖1(e)和圖1(f)為涂層區域放大后顯示的SEI和BEI形貌，表面有一定的粗糙度，涂層中有顆粒分布的特征情況。

圖1 軸瓦表面形貌特征

2.2 化學成分解析

2.2.1 基體成分分析

(1)EPMA分析

使用EPMA選中2個特征區域進行測試，測試的位置如圖2所示。

圖2 定性分析位置

測試結果及譜圖見圖3和圖4。位置A主要為合金元素析出集中部位，而位置B為基體主成分相，合金元素主要以固溶體的形式存在。基體中不同位置的成分測試結果，匯總于表1。

(2) EDX分析

由于EPMA微區分析的特征，得到的成分只限定于微米級別的量度，只能測試大小在零點幾到幾十微米的局部，不能很好地表達材料的整體組分特征，而能量色散X射線熒光(EDX)測試有效范圍為毫米級別(區別于配置在EPMA或SEM上的EDS能譜儀)，可以根據需求選擇1～10 mm范圍進行測試。使用EDX得到的結果能更好地反映基體材料的組成。基體成分測試譜圖見圖5，成分結果見表2。

圖3 位置A定性分析譜圖

圖4 位置B定性分析譜圖

表1 基體中不同位置的成分測試結果 %

圖5 基體成分EDX譜圖

表2 基體成分EDX測試結果

由表2可知：基體為Al-Si系合金，添加Cu、Ni、Mg等多種合金元素。

2.2.2 涂層組分分析

(1) EPMA分析

使用EPMA解析涂層中的成分，使用散焦斑(束斑直徑為50 μm)確定深層測試位置，如圖6中圈內所示，能得到成分較為平均的譜圖，結果見圖7。EPMA測試的深度也是微米量級，所以測試結果中可能會包含一定的基體元素構成信息。分析涂層中具體的顆粒，其中B為黑色區域，C為灰色塊狀顆粒，D為白亮顆粒。檢出輕元素C、O、F等及Mo、S等元素存在，涂層可能為有機物涂裝。涂層中不同位置的元素質量分數如表3所示。

圖6 涂層測試位置示意

圖7 涂層成分信息譜圖

表3 涂層中不同位置的元素質量分數 %

(2)XPS分析

使用XPS對表面進行全譜掃描，如圖8所示。結果顯示：樣品表面主要含有C、N、O、Al、Na、Mo、S、F等元素，其中Na元素可能來源于表面污染，部分C、O來源于表面吸附，Al元素來源于基底。對其中的C、F、Mo和S元素的特征譜進行精細掃描，結果見圖9—圖12，可以看出， C和F元素主要以C-F2化學態存在(聚四氟乙烯)，其余化學態的C元素來源于表面吸附碳污染。同時，存在較多Mo、S元素，由精細譜可知存在形式為MoS2。部分Mo、S元素存在氧化現象，形成了氧化鉬及(亞)硫酸鹽物種。

圖8 元素全譜

圖9 C元素精細譜

圖10 F元素精細譜

圖11 Mo元素精細譜

圖12 S元素精細譜

(3) 用FTIR測試涂層中的有機物

對于涂層中有機物的測試和分析，可借助有機物鑒別利器島津傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)完成。FTIR測試譜圖如圖13所示，經過譜圖匹配，可以確認涂層主要由聚四氟乙烯材料構成。

(4) 用EDX分析涂層成分

使用EDX分析涂層，采集的譜圖如圖14所示。結合EPMA和FTIR的測試結果，使用薄膜FP法得出皮膜量(合量計算)為950 μg/cm2，薄膜成分見表4，進一步確認涂層結構信息。涂層主要由聚四氟乙烯構成，添加Mo、S元素，含有少量的雜質元素Ca、K。

圖14 涂層的EDX測試譜圖

表4 涂層信息EDX解析結果

作為微區分析比較有代表性的儀器，使用掃描電鏡(SEM)觀察表面微區形貌也是可以的，但電子探針(EPMA)配置的波譜儀(WDS)比SEM上配置的能譜儀(EDS)有著高靈敏度[5]和高分辨率[6]的明顯優勢，特別針對此例中元素Mo和S的特征能量差異僅15 eV(其中Mo Lα為2.293 keV，S Kα為2.308 keV)，EDS的能量分辨率約為127 eV，不足以區分特征能量的差異，而EPMA可以輕松應對。

因此，根據背散射電子圖像特征、微區形貌以及表面宏觀形貌并結合成分測試結果，基體應為Al-Si系鑄鋁合金，填加銅、鎳、鐵、錳等合金元素提高力學強度和熱穩定性，表面涂層為聚四氟乙烯處理。

聚四氟乙烯(特氟龍)具有良好的耐熱、耐磨、耐腐蝕性以及優良的潤滑性，作為表面涂層可應用于很多材料[7-9]，是一種耐磨且具有自潤滑性的優良材料，在軸承部件中可實現無油潤滑。歐美和日本已在多種精密軸套、軸瓦等部件上采用了鋁合金表面聚四氟乙烯涂層處理，相對來說國內在此方面還有很多進步的空間。

同時，在涂層顆粒中檢出MoS2，MoS2能夠進一步改善耐磨性[10]。檢出的O元素含量說明涂層在經聚四氟乙烯處理之前可能做過陽極氧化處理，主要是利用氧化層多孔的特性把聚四氟乙烯潤滑粒子填充到孔中，改善聚四氟乙烯與基體的結合性能，提高附著性。

3 結束語

借助儀器測試結果進行分析判斷，此軸瓦部件為鋁硅系鑄鋁合金，表面經過聚四氟乙烯處理，聚四氟乙烯起耐蝕和自潤滑的作用，可實現軸承的無油潤滑，填加MoS2顆粒可進一步改善耐磨性能。為了提高聚四氟乙烯與基體金屬材料的附著性，在噴涂之前，基體進行了陽極氧化處理改性。合理借助多種分析儀器，能夠對類似的產品進行測試及工藝流程的判斷，對于輔助開發新產品具有參考意義。