表面纳米化AZ31镁合金的摩擦磨损行为

摩擦磨损是影响材料加工质量的重要因素，在材料使用过程中不可避免，尤其是车用结构材料。金属材料在接触条件下的使用寿命往往取决于其是否具备良好的摩擦磨损性能。镁由于比强度高、密度低和易于回收等，被认为是新一代的绿色工程结构材料。相比于钢材和铝合金，镁合金的耐磨性能较差，严重影响了其在汽车领域的应用。通过晶粒细化可显著改善镁合金的耐磨性能。目前常采用剧烈塑性变形（SPD）技术将晶粒细化至几百甚至几十纳米，有效改善了镁合金的耐磨性能。但是剧烈塑性变形通常会导致材料塑性降低，使材料在高载荷高转速的情况下容易发生破裂，耐磨性能反而变差。如何通过剧烈塑性变形技术提高材料硬度，同时保证材料在摩擦过程中不发生破裂，是目前镁合金耐磨性能研究的关键问题之一。

最近，来自美国普渡大学的章建跃博士和西安交通大学的坚永鑫副教授等人利用剧烈塑性变形技术之一的超声喷丸（USSP）技术，制备了表面纳米梯度化的AZ31镁合金，研究了表面纳米化对镁合金耐磨性能的影响。研究结果表明，通过超声喷丸技术制备的表面纳米化AZ31镁合金，表面硬度提高了~1倍；合金表面在摩擦过程中更易形成MgO，降低了摩擦系数；在苛刻摩擦条件下（高压力和高转速），纳米化后的镁合金不仅抑制了分层行为的发生，还防止了表面软化和融化，耐磨性能提高。

系统研究了超声喷丸技术制备AZ31镁合金表面的微观结构。超声喷丸处理之后，在AZ31表面形成了纳米梯度：表面的晶粒尺寸从9 μm细化到37 nm；在距表面20 μm处形成了等轴晶，晶粒尺寸小于200 nm，如图1（a）所示。同时，EBSD结果表明，在表面纳米层下，还存在一应力层。AZ31镁合金表面纳米化后的硬度如图1（c）所示，表层硬度从原来的60 HV提高到了145 HV，硬度随厚度方向递减，硬化层厚度约为400 μm。

图 1 AZ31 镁合金表面纳米化后 (a) 沿厚度方向的 EBSD ，（ b ）距表面 20 μm 处的组织，（ c ）硬度在厚度方向上的变化

通过球盘（ball-on-disk）摩擦磨损试验系统研究了AZ31镁合金表面纳米化后摩擦磨损性能的变化，结果如图2所示。与未超声喷丸处理的普通AZ31板材相比，表面纳米化后，AZ31在各个摩擦磨损条件下的摩擦系数均显著降低；摩擦系数在摩擦磨损过程中的波动幅度小；摩擦磨损速率显著降低，耐磨性能更好。

图2 表面纳米化对AZ31摩擦系数的影响

重点研究了表面纳米化AZ31镁合金在不同条件下摩擦磨损后形貌的变化情况，如图3所示。与未超声喷丸处理的普通AZ31板材相比，纳米化后的AZ31板材表面粗糙度明显降低，摩擦磨损痕迹更小。随着摩擦速度和载荷的增加，普通AZ31板材出现了明显的分层行为；而表面纳米化的AZ31板材只有在更高的载荷或者摩擦速度下，才发生分层，表面的纳米层起到了一定的抑制作用。当摩擦速度增加到0.5 m/s、载荷增加到50 N时，AZ31的磨损率继续增加而表面粗糙度显著降低，表现出表面受热软化和融化的特征。

图3 摩擦速度为0.5 m/s时，AZ31板材在不同载荷条件下（10 N-50 N）的磨损形貌

系统分析了AZ31镁合金纳米化前后摩擦磨损机理的变化，如图4所示。对于未超声喷丸处理的普通AZ31镁合金，在较低的摩擦速度和载荷下，磨损机理为氧化+磨损；随着摩擦速度和载荷增加，出现了分层现象，最后表现出热软化。对于纳米化后的AZ31镁合金，在低载荷和低摩擦速度下，磨损机理为表面氧化；随着摩擦速度和载荷增加，开始出现磨损，最后出现分层现象。研究结果表明，AZ31表面纳米化成功抑制了摩擦磨损过程中分层和热熔化现象的发生。

图 4 普通 AZ31 板材（ a ）和纳米化 AZ31 板材（ b ）在不同条件下的摩擦磨损机理

来源：JMACCMg