摘 要::通過電子探針、掃描電鏡、X射線衍射儀、摩擦磨損試驗機等研究了３種成分復雜黃銅的摩擦磨損性能和顯微組織的關系.結果表明:復雜黃銅的磨損機制和基體組織有較大的關系,基體組織為β＋α相時,其磨損機制主要為黏著磨損,基體組織為單一β相時,其磨損機制主要為磨粒磨損;基體組織對復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硬質相的復雜黃銅的摩擦磨損性能優(yōu)于含 Mn５Si３ 硬質相的.

關鍵詞:復雜黃銅;摩擦磨損;顯微組織;硬質相

０ 引 言

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

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展,裂紋 擴 展 速 率 的 快 慢 與 材 料 的 摩 擦 磨 損性能直接相 關,而 裂 紋 的 擴 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]等關系緊密.MINDIVAN 等[２]和張勝華等[３]的研究表明,隨著復雜黃銅基體中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、耐磨硬質相的形貌和 含 量 來 提 高 其 耐 磨 性.目 前,有 關 基 體為β相的復雜黃銅的耐磨性的研究較多,而鮮見耐磨性和基體組織、硬質相關系的研究報道.為此,作者制備了３種成分的復雜黃銅,通過電子探針、光學顯微鏡、掃描電鏡、摩擦磨損試驗機等設備研究了復雜黃 銅 的 摩 擦 磨 損 性 能 和 基 體 組 織、硬 質相的關系.

１ 試樣制備與試驗方法

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開發(fā)中心.按照表１中的化學成分進行配料,在 RAZＧ４５KW 型中頻感應爐中熔煉.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,所得鑄錠的質量約為１０kg.

在鑄錠上截取金相試樣,經機械拋光,采用５％FeCl３＋２％HCl＋９３％C２H６O(體積分數)溶液腐蝕

后,在 CARLZEISSAxioVert．A１MAT 型倒置光學顯微鏡上觀察顯微組織,采用附帶的Proimaging軟件進行相分析.采用JEOLJXAＧ８５３０F型場發(fā)射電子探針(EPMA)測基體、硬質相的微區(qū)化學成分分布.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型摩擦磨損試驗機上進行摩擦磨損試驗,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,轉速為２００r??min－１,干摩擦時間為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量;m 為摩擦磨損試驗后試樣的質量;t為干摩擦時間;v 為試驗機旋轉線速度;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.采用體積分數１０％硝酸酒

精溶液萃取硬質相后,用JEOLJSMＧ７１００F型場發(fā)射掃描電鏡觀察硬質相的微觀形貌,用布魯克 D２型 X射線衍射儀(XRD)對 硬 質 相 進 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.

式中:w(Zn),w(Cu),w(M)分別為復雜黃銅中鋅、銅和其他合金元素 M 的質量分數;η 為各合金元素的鋅當量系數,如表２[１]所示.

經計算可知,１＃ ,２＃ ,３＃ 復雜黃銅的鋅當量分別為０．４４,０．４９,０．５２,而 CuＧZn二元相圖α/(α＋β)/β分界點的鋅質量分數分別為０．３８,０．４７,因此可得出１＃ 復雜黃銅的鋅當量位于(α＋β)相區(qū),２＃ ,３＃ 復雜黃銅的鋅當量位于β相區(qū).由圖１可以看出:１＃ 復雜黃銅基體由α相和β相構成,硬質相顆粒均勻地分布在基體上;２＃ 復雜黃銅的顯微組織由β相和硬質相顆粒組成,硬質相顆 粒的形貌與１＃ 復雜黃銅中的相似;３＃ 復雜黃銅的顯 微組織由β相和硬質相顆粒組成,但是硬質相顆粒的形貌與１＃ ,２＃ 復雜黃銅中的不同,呈花瓣狀,且顆粒明顯變小.研究表明,錳黃銅的強化硬質相為具有六方 D８５結構的 Mn５Si３,其中少量錳原子被銅、鋅等元素置換,鋁黃銅的強化硬質相為具有立方

DO３ 結構的Fe３Al[８Ｇ１０].由圖２(a)~圖２(g)可以看出:１＃ 復雜黃銅的基體組織由α和β相構成,銅元素在α相中的含量高于在β相中的;錳、硅元素出現的位置一致,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＃ 復雜黃銅中的銅元素分布均 勻,基 體 相 成 分 均勻;硬質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＃ 復雜黃銅中的硬質相呈桿狀,符合 Mn５Si３ 的形貌特征,部分桿之間存在交叉的特征;XRD 譜表明硬質相主要是 Fe１．６Mn８．４Si６,為 Mn５Si３ 結構,這是由于部分錳被鐵所取代,同時硬質相中還存在少量的 Fe２MnSi,屬于 Fe３Si結構,呈樹枝狀,這表明２＃復雜黃銅中的硬質相以 Fe３Si為核心,隨后在核心周邊長大,形成桿狀硬質相交叉的形貌.LI等[１１]研究發(fā)現,錳黃銅在熔融狀態(tài)下仍然有部分硬質相存在,因 此 可 認 為 Mn５Si３ 是 由 液 態(tài) 開 始 形 核 的.

綜上可知,１＃ 和２＃ 復雜黃銅中硬質相的形成符合以 Fe３Si為核心,Mn５Si３ 在核心周邊長大的機制.由圖２(o)~圖２(u)可以看出:３＃ 復雜黃銅中硬質相的硅元素質量分數僅為０．１％,硅元素主要存在于硬質相的核心,鋁元素的質量分數為７．５％,鋁元素除 了 組 成 硬 質 相 外,也 固 溶 于 基 體 中,Fe３Al、Fe３Si雖均具有更低的形成能[８Ｇ９],但結合其成分可判斷出３＃ 復雜黃銅中的硬質相主要為 Fe３Al;在硬質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＃ 復雜黃銅的基體組織分別為(α＋β)相和β相,硬質相均為 Mn５Si３,３＃ 復雜黃銅的基體組織為β相,硬質相為 Fe３Al.

由圖４(a)~(b)可以看出:１＃ 復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,且存在硬質相破碎的現象,這與２＃ 復雜黃銅的基體組織為單一的β相有關;３＃ 復雜黃銅磨損形貌與２＃ 復雜黃銅的相似,但３＃ 合金的犁溝更細而淺,剝落區(qū)域明顯少于２＃ 復雜黃銅的.由此可知,復雜黃銅的磨損機制和基體組織有較大的關系.由圖５可以看出:１＃ 復雜黃銅在摩擦磨損試驗前期的摩擦因數有一個較大的波動,這是因為在該階段對磨環(huán)和試樣間存在黏著現象,摩擦力較大,之后摩擦因數逐漸平穩(wěn);在３種復雜黃銅中,２＃ 復雜黃銅的整體摩擦因數最低,這是由于２＃ 復雜黃銅表面存在硬質相破碎的現象,表面最容易發(fā)生剝落,導致合金與對磨環(huán)之間的接觸面積變小,摩擦力減小,因此摩擦因數最低.由表３可以看出,１＃ 復雜黃銅和２＃ 復雜黃銅具有相同的硬質相,雖然２＃ 復雜黃銅中硬質相的體積分數大于１＃ 復雜黃銅中的,但１＃ 復雜黃銅的磨損率明顯低于２＃ 復雜黃銅的,這是由于１＃ 復雜黃銅中含有較多的α相,表面易發(fā)生塑性變形,阻礙裂紋擴展,由此也可以發(fā)現基體組織對復雜黃銅摩擦磨損性能的影響更大.２＃ 復雜黃銅和３＃ 復雜黃銅的基體組織均為β相,但３＃ 復雜黃銅的磨損率低于２＃ 復雜黃銅的,這是因為３＃ 復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與基體的結合強度高于 Mn５Si３ 與基體的,Fe３Al硬質相不易脫落,因此３＃ 復雜黃銅具有更好的耐磨性.

表３ ３種復雜黃銅的物相組成、硬度與摩擦磨損試驗結果

Tab．３ Phasecomposition,hardnessandfrictionandweartestresultsofthreekind