杜晓坤， 张志彬， 梁秀兵

(1.陆军装甲兵学院机械产品再制造国家工程研究中心， 北京 100072；2. 军事科学院国防科技创新研究院, 北京 100071)

镁及其合金材料因具有低密度、高比强度和比刚度、良好的阻尼减震性能以及易于加工和回收等优势，被称为21世纪以来最具发展潜力的绿色结构材料，在汽车制造、航空航天、电子机械、通信和国防军事等工程领域展现出了极为重要的应用价值和发展前景[1- 4]。其中，AZ91镁合金是一种工业应用中较为常见的商业镁合金，约占汽车应用的90%[5]，通常被用作轻量化的理想材料。但该类材料因具有硬度较低、耐磨损性能不足、防腐蚀性能较差等缺陷，严重制约了其应用。

材料磨损是造成机械设施零部件失效的常见现象之一，这极大地影响了机械零部件的力学性能，降低了零件表面尺寸精度，导致机械设施过早损伤甚至被淘汰[6]。显然，镁合金材料不适用轴承类或齿轮类等磨损情况较为严重的零部件，更适用于静止或轻微摩擦条件下工作的零部件。此外，镁合金的标准电极电位约为-2.37 V，其电化学活性极强、耐腐蚀性能较差[7- 10]。考虑到镁合金构件的应用环境并不单一，因此将其置于存在腐蚀介质的磨损工况下极易受到腐蚀与磨损的交互影响。目前，有关镁合金在腐蚀介质中的腐蚀过程已有大量研究，但关于其在腐蚀介质中的磨损失效行为的研究报道不多。因此，利用干摩擦条件下镁合金磨损失效行为作为辅助分析，对比研究镁合金在腐蚀介质环境下的磨损失效行为，可为镁合金表面性能的提升及其应用范围的拓宽提供理论支持。鉴于此，笔者将选用AZ91镁合金作为研究对象，分别针对其在干摩擦条件下和腐蚀介质环境下的滑动往复摩擦磨损失效行为进行分析。

1 实验材料及方法

实验采用AZ91镁合金，其化学成分主要为：ω(Al)=8.3%～9.7%，ω(Zn)=0.35%～1.0%，ω(Mn)=0.15%～0.5%，ω(Si)=0.1%，ω(Fe)=0.005%，ω(Cu)≤0.03%，ω(Ni)≤0.002%，ω(Mg)=余量。

采用德国布鲁克AXS公司生产的D8型X射线衍射仪(X-Ray Diffraction，XRD)分析AZ91镁合金的相结构，Cu靶，Kα射线(λ=0.154 nm)，加速电压为40 kV，电流为100 mA，衍射范围为20°～80°，衍射速度为2°/min，步长为0.02°。图1为AZ91镁合金的XRD衍射图谱，其分析结果显示其主要由α-Mg、Al12Mg17、Mg0.97Zn0.03等相组成。

利用FM-700型数显式显微硬度计测量AZ91镁合金的显微硬度，载荷为100g，加载时间为15 s。测试前，试样必须先进行研磨、抛光、超声波清洗等处理，测量10次取其平均值。经测试计算，AZ91镁合金的平均显微硬度为60.9 HV0.1，其显微硬度较小，这是导致其耐磨损性能较差的原因之一。

图2为AZ91镁合金表面的压痕形貌，可以看出：压痕形状并未呈现出规则的四方形，且每条边均表现出不同程度的塑性变形，说明其具有较好的弹塑性。

材料的显微硬度值决定了材料的耐磨损性能[11]。采用美国CETR公司生产的UMT-3型多功能摩擦磨损试验机分别测试AZ91镁合金在干摩擦条件和腐蚀介质环境下的滑动摩擦磨损性能。试验条件为：滑动摩擦方式为“球- 盘”往复式，往复行程为5 mm，滑动频率为5 Hz，法向载荷分别为1、3、5、7、10 N，试验温度为25 ℃，对磨配偶件选用直径为4 mm的GCr15钢球(淬火后硬度≥60 HRC)。试验过程为：装有GCr15钢球的上部结构相对静止不动，装有试样的下部结构在水平方向上做往复运动，材料的摩擦因数由试验机实时记录。

在腐蚀介质环境下，滑动摩擦磨损试验选用质量分数为3.5%的NaCl溶液作为腐蚀介质，其试验示意图如图3所示。滑动摩擦磨损试验结束后，采用美国FEI公司生产的Nova Nano SEM 650型场发射扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope，SEM)及其配套的能谱仪(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)分析AZ91镁合金表面的磨痕形貌及其成分变化，并利用奥林巴斯LEXT OLS3000- IR型红外共焦显微镜测绘其三维磨痕形貌。

2 结果与分析

2.1 干摩擦条件下磨损失效行为

图4为AZ91镁合金在干摩擦条件下的摩擦因数变化曲线。可以看出：当载荷为1 N时，AZ91镁合金的摩擦因数最大，且波动较为明显；在其他载荷下，AZ91镁合金的摩擦因数较小且较为接近。

为了更清楚直观地表示出摩擦因数的变化情况，绘制了不同载荷下AZ91镁合金摩擦因数柱状图，如图5所示。由图4、5可知：在干摩擦条件下，AZ91镁合金的摩擦因数随载荷的增大先大幅减小后缓慢增大并趋于稳定。分析其原因为：

1) 镁合金化学活性较强，在空气中极易发生氧化反应，使得其表面生成分布不均匀、疏松多孔的MgO薄膜，从而增加了摩擦副与AZ91镁合金之间接触面的表面粗糙度，导致AZ91镁合金在较小载荷时的摩擦因数较大。

2) 当载荷增大时，在滑动摩擦过程中MgO氧化膜极易发生脱落，而裸露出来的AZ91镁合金表面继续与空气接触而再次生成MgO薄膜，继而在摩擦过程中再次被破坏，这种MgO薄膜“生成—破坏—再生成—再破坏”的反复形式，导致AZ91镁合金摩擦因数出现上下剧烈波动的现象。

3) 载荷大小与实际接触面积大小存在负相关性，这使得AZ91镁合金的摩擦因数随载荷的增大而有所减小。但当载荷较大时，摩擦产热使接触面处的温度升高，导致摩擦副表面黏附有AZ91镁合金磨屑及少量MgO硬质颗粒，并与AZ91镁合金试样表面发生部分黏着或焊合，进而使AZ91镁合金的摩擦因数而略有增大。

图6、7分别为AZ91镁合金不同载荷下的三维磨痕形貌和表面磨痕形貌。结合图6、7可以看出：随着载荷的增大，AZ91镁合金表面磨痕宽度和磨损体积均明显增大。分析其原因为：Al12Mg17相为AZ91镁合金中的主要强化相，其熔点较低(约为462 ℃)，热稳定性较差，在滑动摩擦磨损过程中容易因摩擦产热而发生软化[12]；且Al12Mg17相为体心立方晶体结构，与具有六方晶格的α-Mg相不相协调，在摩擦切向应力和温度双重影响下容易引起二者之间界面强度下降，促使晶界滑动和裂纹扩展，导致生成较大的磨损[12]。

由图7可以看出：1)AZ91镁合金磨痕表面呈现出一些较为明显、平行于滑动方向的犁沟，且这些犁沟的深度随载荷的增大而增大，这是典型的磨粒磨损机制的特征，这可能是由MgO硬质颗粒脱落后造成的；2)当载荷较大时，犁沟旁边有翻卷出的AZ91镁合金材料，这是由于AZ91镁合金具有一定的韧性，与图2所示结果较为一致。

取干摩擦条件下载荷为10 N时AZ91镁合金表面磨痕微区形貌进行EDS分析，结果如图8所示。可以看出：A处(磨粒磨损犁沟旁翻卷出的部分)的主要化学成分为Mg48.88O46.37Al4.76，即此处的Mg元素质量分数相对减小，而O元素质量分数大幅增大，说明在磨损过程中发生了剧烈的氧化反应，AZ91镁合金在干摩擦条件下的磨损机制主要为磨粒磨损和氧化磨损。

2.2 腐蚀介质环境下磨损失效行为

图9为AZ91镁合金分别在干摩擦条件下和腐蚀介质环境下的摩擦因数变化曲线。可以看出：与干摩擦条件下相比，相同载荷时腐蚀介质环境下的AZ91镁合金摩擦因数均明显减小，说明腐蚀介质在动态腐蚀磨损过程中发挥了润滑、减摩作用；腐蚀介质环境下的滑动摩擦磨损行为与干摩擦条件下的较为相似，AZ91镁合金的摩擦因数同样随载荷的增大呈现出先减小后趋于稳定的变化趋势。

图10、11分别为在腐蚀介质环境下AZ91镁合金在不同载荷时的三维磨痕形貌及其表面磨痕形貌。可以看出：

1) 在腐蚀介质环境下，AZ91镁合金表面磨痕的宽度随载荷增大而增大，且磨痕表面出现了较多的点蚀坑，甚至未发生磨损的区域也存在大量的点蚀坑。分析认为：这些点蚀坑的产生主要是因为AZ91镁合金中的Mg容易发生阳极溶解以及晶间腐蚀[13]。

2) 与未发生磨损区域相比，AZ91镁合金表面磨痕底部的点蚀坑数量较少，且略显光滑，表现出轻微的犁沟特征形貌。分析其原因为：在摩擦力的剪切应力作用下，AZ91镁合金磨痕处的磨损体积随载荷的增大而增大，使得其底部重新裸露出崭新的AZ91镁合金，致使其表面较为光滑。

AZ91镁合金腐蚀磨损后的XRD衍射图谱如图12所示。结合图1可知：AZ91镁合金磨痕区出现了Mg(OH)2和MgCl2相。分析其原因为：1)AZ91镁合金在受到具有强腐蚀性能的Cl-侵蚀作用时，极易发生活性溶解反应[14]，其反应方程式[15]为

Mg+2H2O→Mg(OH)2+H2↑，

(1)

在腐蚀磨损过程中，当AZ91镁合金与Cl-一接触，随即在其表面产生了大量的气泡，释放出了H2；2)当载荷不断增大时，摩擦副与AZ91镁合金表面之间的温度因摩擦产热而有所升高，进而加快了腐蚀进程，导致其在腐蚀介质中产生的气泡数量明显增多，并随着腐蚀的进行，磨损表面因受到Cl-的侵蚀而产生MgCl2。

取腐蚀介质环境下载荷为10 N时AZ91镁合金表面磨痕微区形貌进行EDS分析，结果如图13所示。可以看出：A处的化学成分为Mg23.81O72.99Al2.88Cl0.31，其中O元素质量分数较大，即此处发生了较为严重的氧化反应，并伴有Cl-侵蚀发生；而B处的化学成分为Mg75.51O20.91Al3.58，其中O元素质量分数相对于A处较小，即此处的氧化程度较小，且并未观察到Cl-的存在，说明此处受腐蚀的影响较弱。因此，AZ91镁合金在腐蚀介质环境下的主要磨损失效形式表现为磨粒磨损和氧化磨损，同时受到Cl-的侵蚀。

综合认为：腐蚀介质不仅对镁合金摩擦接触区造成了较为严重的破坏作用，还促使摩擦接触区附近区域也发生了失效，即腐蚀加速了镁合金的失效进程。

3 结论

在干摩擦条件下，AZ91镁合金的摩擦因数随载荷的增大表现为先减小后略有增大，主要磨损失效形式表现为磨粒磨损和氧化磨损。而在腐蚀介质环境下，由于腐蚀介质的润滑作用，AZ91镁合金的摩擦因数相对于干摩擦条件下明显减小，且随载荷的增大表现为先减小后趋于平稳；AZ91镁合金表面普遍出现了较为明显的点蚀坑，磨痕区周围的点蚀坑比磨痕区明显较多，其主要磨损失效形式表现为磨粒磨损和氧化磨损，同时受到Cl-较强烈的侵蚀作用。综合认为，腐蚀造成AZ91镁合金的失效加剧。为了拓宽镁合金的应用范围，下一步可采用以下2种途径提高镁合金耐腐蚀磨损性能：一是通过添加稀土元素的方式改变其成分，以提高其强度性能；二是采用表面处理技术(如微弧氧化、热喷涂、激光表面处理和离子注入等)，利用表面强化层提高其在不同工况下的耐磨损性能。