方 偉１,方 前１,２,常若斌１,２,李紹敏１,章凡勇１,劉寶璽１,殷福星１,３

(河北工業(yè)大學(xué) １．能源裝備材料技術(shù)研究院,２．材料科學(xué)與工程學(xué)院,

３．天津市材料層狀復(fù)合與界面控制技術(shù)重點實驗室,天津３００１３０)

    摘 要:通過電子探針、掃描電鏡、X射線衍射儀、摩擦磨損試驗機(jī)等研究了３種成分復(fù)雜黃銅的摩擦磨損性能和顯微組織的關(guān)系.結(jié)果表明:復(fù)雜黃銅的磨損機(jī)制和基體組織有較大的關(guān)系,基體組織為β＋α相時,其磨損機(jī)制主要為黏著磨損,基體組織為單一β相時,其磨損機(jī)制主要為磨粒磨損;基體組織對復(fù)雜黃銅摩擦磨損性能的影響更大,基體組織為β＋α相時的磨損率明顯低于基體組織為單一β相的,基體組織為單一β相時,含 Fe３Al硬質(zhì)相的復(fù)雜黃銅的摩擦磨損性能優(yōu)于含 Mn５Si３ 硬質(zhì)相的.

關(guān)鍵詞:復(fù)雜黃銅;摩擦磨損;顯微組織;硬質(zhì)相

０ 引 言

    黃銅是由銅和鋅組成的合金,因具有生產(chǎn)成本低、綜合性能良好等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的各個領(lǐng)域.黃銅中添加錳、硅、鐵、鋁、鎳、鈦等元素所形成的合金稱為復(fù)雜黃銅,復(fù)雜黃銅的基體中存在 MnＧSi、FeＧSi以及各種富鐵相.根 據(jù)所添加主元素的不同可以將復(fù)雜黃銅分為復(fù)雜鋁黃銅和復(fù)雜錳黃銅.添加的合金元素可有效提高黃銅的強(qiáng)度和耐

磨性,使得黃銅可用于制造汽車同步器齒環(huán)、軸承、軸套和各種高強(qiáng)耐磨鍛壓件等[１].

材料的磨損失效過程伴隨著微觀裂紋的萌生和擴(kuò)展,裂紋 擴(kuò) 展 速 率 的 快 慢 與 材 料 的 摩 擦 磨 損性能直接相 關(guān),而 裂 紋 的 擴(kuò) 展 行 為 則 與 材 料 的 顯微組 織,如 基 體 的 相 組 成 和 不 同 相 所 占 的 比例[２Ｇ３],第二相的種類、大小、含量、均勻性[４],晶粒度[５],晶體取向[６Ｇ７]等關(guān)系緊密.MINDIVAN 等[２]

    和張勝華等[３]的研究表明,隨著復(fù)雜黃銅基體中α相的增加,合 金 的 硬 度 下 降,但 是 耐 磨 性 提 高,這是由于α相的韌性比β相的好,當(dāng)裂紋尖端遇到α相時易鈍化,從而延遲材料的磨損脫落.因此,可通過控制合金中的α相和β相的比例、耐磨硬質(zhì)相的形貌和 含 量 來 提 高 其 耐 磨 性.目 前,有 關(guān) 基 體為β相的復(fù)雜黃銅的耐磨性的研究較多,而鮮見耐磨性和基體組織、硬質(zhì)相關(guān)系的研究報道.為此,作者制備了３種成分的復(fù)雜黃銅,通過電子探針、光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、摩擦磨損試驗機(jī)等設(shè)備研究了復(fù)雜黃 銅 的 摩 擦 磨 損 性 能 和 基 體 組 織、硬 質(zhì)相的關(guān)系.

    試驗原料包括銅、鋅、錳、硅、鐵、鋁、錫、鉛、鎳等金屬,純度均大于９９．５％,均購于北京翠鉑林有色金屬技術(shù)開發(fā)中心.按照表１中的化學(xué)成分進(jìn)行配料,在 RAZＧ４５KW 型中頻感應(yīng)爐中熔煉.先將錳、鐵、鋁、硅等原料與１kg 銅充分熔化,然后加入剩余的銅(５．０~５．５kg),融熔后在較低的溫度下(約９００ ℃)加入鋅金屬;待合金熔化均勻后在銅鑄模中澆鑄,空冷,所得鑄錠的質(zhì)量約為１０kg.

    在鑄錠上截取金相試樣,經(jīng)機(jī)械拋光,采用５％FeCl３＋２％HCl＋９３％C２H６O(體積分?jǐn)?shù))溶液腐蝕后,在CARLZEISSAxioVert．A１MAT 型倒置光學(xué)顯微鏡上觀察顯微組織,采用附帶的Proimaging軟件進(jìn)行相分析.采用JEOLJXAＧ８５３０F型場發(fā)射電子探針(EPMA)測基體、硬質(zhì)相的微區(qū)化學(xué)成分分布.利用 HBＧ３０００型顯微硬度計測硬度,每個試樣測１０個點取平均值,載荷為 ５ N,保載時間為 １５s.在MＧ２００型摩擦磨損試驗機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損試驗,試樣尺寸為１０mm×１０mm×１０mm,對磨環(huán)為 GCr１５鋼環(huán),直徑為４２ mm,硬度為６０ HRC,試驗載荷為

２００N,轉(zhuǎn)速為２００r??min－１,干摩擦?xí)r間為３０min,采用精度為０．０００１g的電子天平稱取試樣摩擦磨損前

后的質(zhì)量,計算磨損率,磨損率的計算公式為

    式中:I 為磨損率;m０ 為摩擦磨損試驗前試樣的質(zhì)量;m 為摩擦磨損試驗后試樣的質(zhì)量;t為干摩擦?xí)r間;v 為試驗機(jī)旋轉(zhuǎn)線速度;D 為對磨環(huán)直徑.采用 JEOLJSMＧ７１００F 型 場 發(fā) 射 掃 描 電 鏡(SEM)觀察磨損形貌.采用體積分?jǐn)?shù)１０％硝酸酒精溶液萃取硬質(zhì)相后,用JEOLJSMＧ７１００F型場發(fā)射掃描電鏡觀察硬質(zhì)相的微觀形貌,用布魯克 D２型 X射線衍射儀(XRD)對 硬 質(zhì) 相 進(jìn) 行 物 相 分 析,采用銅靶,Kα 射線,管電壓４０kV,管電流４０mA,掃描速率３ (°)??min－１.

２ 試驗結(jié)果與討論

２．１ 顯微組織

    在銅鋅合金中加入少量其他合金元素后會使銅鋅相圖中的α/(α＋β)/β相區(qū)向左或向右移動,而復(fù)雜黃銅的組織可根據(jù)其鋅當(dāng)量來進(jìn)行推測,鋅當(dāng)量X 的計算公式為

式中:w(Zn),w(Cu),w(M)分別為復(fù)雜黃銅中鋅、銅和其他合金元素 M 的質(zhì)量分?jǐn)?shù);η 為各合金元素的鋅當(dāng)量系數(shù),如表２

[１]所示.

經(jīng)計算可知,１＃ ,２＃ ,３＃ 復(fù)雜黃銅的鋅當(dāng)量分別為０．４４,０．４９,０．５２,而 CuＧZn二元相圖α/(α＋β)/

β分界點的鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為０．３８,０．４７,因此可得出１＃ 復(fù)雜黃銅的鋅當(dāng)量位于(α＋β)相區(qū),２＃ ,３＃ 復(fù)

雜黃銅的鋅當(dāng)量位于β相區(qū).

    由圖１可以看出:１＃ 復(fù)雜黃銅基體由α相和β相構(gòu)成,硬質(zhì)相顆粒均勻地分布在基體上;２＃ 復(fù)雜黃銅的顯微組織由β相和硬質(zhì)相顆粒組成,硬質(zhì)相顆 粒的形貌與１＃ 復(fù)雜黃銅中的相似;３＃ 復(fù)雜黃銅的顯 微組織由β相和硬質(zhì)相顆粒組成,但是硬質(zhì)相顆粒的形貌與１＃ ,２＃ 復(fù)雜黃銅中的不同,呈花瓣狀,且顆粒明顯變小.研究表明,錳黃銅的強(qiáng)化硬質(zhì)相為具有六方 D８５結(jié)構(gòu)的 Mn５Si３,其中少量錳原子被銅、鋅等元素置換,鋁黃銅的強(qiáng)化硬質(zhì)相為具有立方DO３ 結(jié)構(gòu)的Fe３Al[８Ｇ１０].

    由圖２(a)~圖２(g)可以看出:１＃ 復(fù)雜黃銅的基體組織由α和β相構(gòu)成,銅元素在α相中的含量高于在β相中的;錳、硅元素出現(xiàn)的位置一致,這表明二者直接形成了化合物;鐵元素分布在錳元素分布區(qū)域的核心位置.由圖２(h)~圖２(n)可以看出:

    ２＃ 復(fù)雜黃銅中的銅元素分布均 勻,基 體 相 成 分 均勻;硬質(zhì)相顆粒邊緣部位的錳元素含量高于中心部位的,并且部分硬質(zhì)相顆粒中心含有鐵元素,部分顆粒不含鐵元素,如圖中虛線框所示.由圖 ３ 可知:

     ２＃ 復(fù)雜黃銅中的硬質(zhì)相呈桿狀,符合 Mn５Si３ 的形貌特征,部分桿之間存在交叉的特征;XRD 譜表明硬質(zhì)相主要是 Fe１．６Mn８．４Si６,為 Mn５Si３ 結(jié)構(gòu),這是由于部分錳被鐵所取代,同時硬質(zhì)相中還存在少量的 Fe２MnSi,屬于 Fe３Si結(jié)構(gòu),呈樹枝狀,這表明２＃復(fù)雜黃銅中的硬質(zhì)相以 Fe３Si為核心,隨后在核心周邊長大,形成桿狀硬質(zhì)相交叉的形貌.LI等[１１]研究發(fā)現(xiàn),錳黃銅在熔融狀態(tài)下仍然有部分硬質(zhì)相存在,因 此 可 認(rèn) 為 Mn５Si３ 是 由 液 態(tài) 開 始 形 核 的.綜上可知,１＃ 和２＃ 復(fù)雜黃銅中硬質(zhì)相的形成符合以 Fe３Si為核心,Mn５Si３ 在核心周邊長大的機(jī)制.由圖２(o)~圖２(u)可以看出:３＃ 復(fù)雜黃銅中硬質(zhì)相的硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為０．１％,硅元素主要存在于硬質(zhì)相的核心,鋁元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為７．５％,鋁元素除 了 組 成 硬 質(zhì) 相 外,也 固 溶 于 基 體 中,Fe３Al、Fe３Si雖均具有更低的形成能[８Ｇ９],但結(jié)合其成分可判斷出３＃ 復(fù)雜黃銅中的硬質(zhì)相主要為 Fe３Al;在硬質(zhì)相周圍陰影部分的銅含量略高于基體中的,鋅含量略低于基體中的,同時鋁含量高于基體中的,這可能因為由Fe３Al的形核長大造成了周邊基體的成分偏析.

     綜上所述:１＃ 和２＃ 復(fù)雜黃銅的基體組織分別為(α＋β)相和β相,硬質(zhì)相均為 Mn５Si３,３＃ 復(fù)雜黃銅的基體組織為β相,硬質(zhì)相為 Fe３Al.

２．２ 摩擦磨損性能

    由圖４(a)~(b)可以看出:１＃ 復(fù)雜黃銅磨損表面存在較多的黏附物,屬于黏著磨損,這是由于１＃復(fù)雜黃銅的基體組織為α＋β相,α相較軟,易發(fā)生塑性變形,從而黏著在磨損表面;２＃ 復(fù)雜黃銅磨損表面有較多的犁溝,主要為磨粒磨損,且存在硬質(zhì)相破碎的現(xiàn)象,這與２＃ 復(fù)雜黃銅的基體組織為單一的β相有關(guān);３＃ 復(fù)雜黃銅磨損形貌與２＃ 復(fù)雜黃銅的相似,但３＃ 合金的犁溝更細(xì)而淺,剝落區(qū)域明顯少于２＃ 復(fù)雜黃銅的.由此可知,復(fù)雜黃銅的磨損機(jī)制和基體組織有較大的關(guān)系.由圖５可以看出:１＃ 復(fù)雜黃銅在摩擦磨損試驗前期的摩擦因數(shù)有一個較大的波動,這是因為在該階段對磨環(huán)和試樣間存在

    黏著現(xiàn)象,摩擦力較大,之后摩擦因數(shù)逐漸平穩(wěn);在３種復(fù)雜黃銅中,２＃ 復(fù)雜黃銅的整體摩擦因數(shù)最低,這是由于２＃ 復(fù)雜黃銅表面存在硬質(zhì)相破碎的現(xiàn)象,表面最容易發(fā)生剝落,導(dǎo)致合金與對磨環(huán)之間的接觸面積變小,摩擦力減小,因此摩擦因數(shù)最低.由表３可以看出,１＃ 復(fù)雜黃銅和２＃ 復(fù)雜黃銅具有相同的硬質(zhì)相,雖然２＃ 復(fù)雜黃銅中硬質(zhì)相的體積分?jǐn)?shù)大于１＃ 復(fù)雜黃銅中的,但１＃ 復(fù)雜黃銅的磨損率明顯低于２＃ 復(fù)雜黃銅的,這是由于１＃ 復(fù)雜黃銅中含有較多的α相,表面易發(fā)生塑性變形,阻礙裂紋擴(kuò)展,由此也可以發(fā)現(xiàn)基體組織對復(fù)雜黃銅摩擦磨損性能的影響更大.２＃ 復(fù)雜黃銅和３＃ 復(fù)雜黃銅的基體組織均為β相,但３＃ 復(fù)雜黃銅的磨損率低于２＃ 復(fù)雜黃銅的,這是因為３＃ 復(fù)雜黃銅基體中的鋁含量較高,基體的硬度更高;且由磨損形貌可以看出,Fe３Al與基體的結(jié)合強(qiáng)度高于 Mn５Si３ 與基體的,Fe３Al硬質(zhì)相不易脫落,因此３＃ 復(fù)雜黃銅具有更好的耐磨性.

３ 結(jié) 論

    (１)復(fù)雜黃銅的磨損機(jī)制和基體組織有較大的關(guān)系,基體組織為β＋α相時,其主要磨損機(jī)制為黏著磨損,基體組織為單一β相時,主要磨損機(jī)制為磨粒磨損.

    (２)基體組織對復(fù)雜黃銅摩擦磨損性能的影響更大,基體組織為β＋α相時的磨損率明顯低于基體組織為 單 一 β 相 的;基 體 組 織 為 單 一 β 相 時,含F(xiàn)e３Al硬質(zhì)相的復(fù)雜黃銅的摩擦磨損性 能 優(yōu) 于 含Mn５Si３ 硬質(zhì)相的.

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-機(jī)械工程材料 > 2018年 > 7期 > pp.32）