鎳對(duì)cu-ni-al基白銅合金耐磨性能的影響

鎳對(duì)cu-ni-al基白銅合金耐磨性能的影響

銅合金是市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的一種重要材料。銅合金具有強(qiáng)度高、硬度高、耐腐蝕性好、銀性好、耐磁性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在許多領(lǐng)域，它可以替代其他材料。其中以鎳為主要組元的白銅是其中很重要的一類銅合金,它主要用于造船、石油、化工、電氣儀表、醫(yī)療器械等工業(yè)中。在銅鎳合金中,研究得比較多的是具有耐腐蝕和耐熱性能、主要用于各種熱交換器和水管的Cu-Ni合金,以及擁有高強(qiáng)高導(dǎo)性能、主要用于導(dǎo)線框架等電工材料的Cu-Ni-Si合金和Cu-Ni-Sn合金。實(shí)際上,銅鎳合金也可應(yīng)用于某些需要高強(qiáng)耐磨的場(chǎng)合,如添加了鋁、鐵、鉻等合金元素的復(fù)雜白銅合金,它具有其他耐磨銅合金不具有的在高溫條件下優(yōu)異的力學(xué)性能。相對(duì)而言,從耐磨角度對(duì)白銅合金開展的研究還比較少,特別是針對(duì)Cu-Ni-Al系白銅合金,有關(guān)合金元素對(duì)該系列合金耐磨性能的研究更是少見,本文以一種添加了微量鐵、硅、鉻和鈦等微量元素的高強(qiáng)Cu-Ni-Al合金為基礎(chǔ),通過改變鎳含量,研究鎳含量變化對(duì)該合金耐磨性的影響。1試驗(yàn)方法與過程本實(shí)驗(yàn)中所制備的白銅合金為一種復(fù)雜合金化的鑄造銅合金,其主要的合金元素為鎳,此外還含有約3.0%Al、1.5%Fe、1.0%Cr、1.0%SI、1.0%Ti等微量元素(質(zhì)量百分?jǐn)?shù),下同)。為了研究鎳含量對(duì)合金耐磨性能的影響,保持其他合金設(shè)計(jì)成分不變,只改變鎳的含量,其含量分別設(shè)計(jì)為10%、12%、17%、21%和25%。實(shí)驗(yàn)用原材料為電解銅板、電解鎳板和電解鋁板。微量元素以金屬鈦,硅鐵、鉻鐵等中間合金的形式加入。合金的熔煉在中頻爐中進(jìn)行,熔煉時(shí)按順序加入電解銅板、鎳板、中間合金和鋁板。當(dāng)熔體溫度達(dá)到澆注溫度后,將其倒入帶有水冷裝置的臥式離心鑄造機(jī)中,獲得尺寸為準(zhǔn)265mm×準(zhǔn)160mm×110mm的鑄錠。所有試樣均用線切割方法取自鑄錠徑向靠外層約5mm的位置。微動(dòng)摩擦磨損試樣尺寸為準(zhǔn)24mm×7.9mm,實(shí)驗(yàn)在OPTIMOLSRV摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。為模擬干摩擦狀況,實(shí)驗(yàn)前用丙酮對(duì)試樣和鋼球進(jìn)行充分地超聲清洗。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:頻率50Hz,單邊振幅1.00mm,對(duì)磨副為準(zhǔn)10mm的GCr15鋼球,載荷150N,預(yù)載50N,預(yù)載時(shí)間30s,摩擦系數(shù)每1s由摩擦試驗(yàn)機(jī)傳感器自動(dòng)讀取一次。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,用BMTExpert3D形貌儀測(cè)量磨痕深度,用讀數(shù)顯微鏡測(cè)量磨斑在垂直和平行摩擦方向的尺寸,根據(jù)文獻(xiàn)提供的方法,可以用如下公式計(jì)算試樣的磨損質(zhì)量損失Vs:Vs=πh2(3R-h)/3式中:ds是微動(dòng)方向上的磨斑寬度,dp是垂直于微動(dòng)方向上的磨斑寬度,h是試樣的磨損深度。布氏硬度試驗(yàn)在HB-3000布氏硬度計(jì)上進(jìn)行,選用準(zhǔn)5mm的鋼球,試驗(yàn)力為7355N,保壓時(shí)間為30s。顯微硬度在顯微硬度計(jì)上測(cè)試,試驗(yàn)力為2.94N,加載時(shí)間為20s。拉伸性能測(cè)量試樣為準(zhǔn)8mm×40mm的圓棒,測(cè)試在CMT5105電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,拉伸速度為1.5mm/min?？估瓘?qiáng)度和伸長率取3個(gè)有效試樣的平均值,而硬度值則取5個(gè)測(cè)量點(diǎn)的平取值。金相試樣取自拉伸試棒,用5gFeCl3+5mlHCl+100mlH2O溶液浸蝕,在LeicaDMI5000M型金相顯微鏡上進(jìn)行組織觀察。用配能譜儀的FEIQuanta200型掃描電鏡觀察試樣的磨損表面和分析第二相及合金基體中的鎳含量。圖3是不同鎳含量合金干摩擦條件下磨損體積的變化。在實(shí)驗(yàn)所確定的摩擦工況條件下,不同鎳含量合金磨損體積呈現(xiàn)出較為明顯的差異,當(dāng)鎳含量從10%增加到17%時(shí),隨著鎳含量的增加,合金磨損體積急劇降低,鎳含量為17%時(shí)的合金磨損體積比含鎳為10%的合金降低了近60%。繼續(xù)增大鎳含量,合金的磨損體積變化不明顯。2.2幅度減緩緩慢圖4是不同鎳含量合金抗拉強(qiáng)度和伸長率的變化情況?？梢?隨著鎳含量的增加,合金的抗拉強(qiáng)度逐漸增加,但是增加的幅度逐漸減緩。當(dāng)鎳含量為10%時(shí),合金的抗拉強(qiáng)度σb=673MPa,當(dāng)鎳含量增加到25%時(shí),σb=861MPa,提高了27.9%。與此同時(shí)合金的伸長率則隨著鎳含量的升高而降低,當(dāng)鎳含量為10%時(shí),合金的伸長率為4.57%,當(dāng)含鎳為17%時(shí),伸長率為1.82%,降幅達(dá)60%。當(dāng)鎳含量超過17%后,合金的伸長率變化很小。2結(jié)果2.1鎳含量對(duì)干摩擦學(xué)性能的影響圖1是在微動(dòng)摩擦磨損條件下,不同鎳含量的白銅合金的干摩擦系數(shù)?？芍?在初始磨合階段,合金干摩擦系數(shù)隨摩擦?xí)r間延長急劇上升,達(dá)到最高峰后迅速降低,大約300s后進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定階段,在相對(duì)穩(wěn)定階段干摩擦系數(shù)波動(dòng)相對(duì)較小,曲線成鋸齒狀。從圖1中曲線還發(fā)現(xiàn),不同鎳含量合金在穩(wěn)定階段的摩擦系數(shù)相差不大。在實(shí)驗(yàn)所確定的干摩擦工況條件下,不同鎳含量合金的干摩擦系數(shù)基本都在0.72左右。圖2是用BMTExpert3D形貌儀測(cè)量磨斑深度時(shí),線掃描磨斑的典型曲線?？梢钥闯?磨痕的中心深度最大,為雙曲面形狀。但在摩擦磨損區(qū)域的邊緣有突起的部分,這部分是由于在摩擦過程中,試樣表面因擠壓和沖擊產(chǎn)生的塑性變形造成的。合金布氏硬度及基體顯微硬度隨鎳含量的變化如圖5所示?？梢钥闯?當(dāng)合金中鎳含量增加時(shí),合金布氏硬度先迅速增大,到17%后逐漸趨于穩(wěn)定。特別是當(dāng)鎳含量從10%變化到17%時(shí),合金的布氏硬度從225HBS增加到282HBS,增加了24.4%;繼續(xù)增大鎳元素的含量,合金的布氏硬度增加幅度很小。合金基體的顯微硬度總體上也是隨著鎳含量的增加而增加的,當(dāng)鎳含量為10%時(shí)基體的顯微硬度是239HM,當(dāng)鎳含量增加到17%時(shí),基體的顯微硬度達(dá)301HM,總體增幅達(dá)26%。2.3鎳含量對(duì)合金表面磨損的影響圖6是不同鎳含量合金的典型金相組織?？梢钥闯?合金基體為枝晶組織,第二相分布在晶界和枝晶間。隨著鎳含量的增加,合金的基本組織特征沒有發(fā)生明顯的變化,只是第二相的數(shù)量略有增加。不同鎳含量合金干摩擦條件下的磨損表面形貌如圖7所示。在本實(shí)驗(yàn)所設(shè)定的干摩擦條件下,合金表面磨損很嚴(yán)重,主要是粘著磨損和磨粒磨損。隨著鎳含量的增加,合金粘著磨損逐漸減弱,磨粒磨損加劇。當(dāng)鎳含量為10%時(shí),合金表面粘著磨損十分嚴(yán)重,粘著脫落的合金塊體很多,在往復(fù)摩擦過程中,部分脫落的合金碎塊與基體分離,又被焊合在一起,在磨損表面形成許許多多的突起,見圖7(a)箭頭A;當(dāng)鎳含量為12%時(shí),合金磨損表面仍然有比較嚴(yán)重的粘著現(xiàn)象,但合金基體脫落的現(xiàn)象明顯減弱,在磨損表面產(chǎn)生大面積塑性變形,見圖7(b)箭頭B,同時(shí)在塑性變形面上出現(xiàn)了很小的磨粒;當(dāng)鎳含量為17%時(shí),合金磨損表面粘著脫落現(xiàn)象進(jìn)一步減輕,但磨粒磨損在局部產(chǎn)生的犁溝增多,見圖7(c)箭頭C;當(dāng)鎳含量繼續(xù)增加時(shí),這種特征更加明顯。3鎳含量對(duì)合金硬度和強(qiáng)度的影響本項(xiàng)目研究的耐磨白銅是一種含有復(fù)雜合金元素的多元銅合金,除了主要合金組元Ni和Al外,還含有Fe、Cr、Ti、Si等。從顯微組織分析可發(fā)現(xiàn),這些微量合金組元主要是以第二相的形式存在于枝晶之間(見圖6)。合金中的第二相組成和形態(tài)非常復(fù)雜。電子探針分析發(fā)現(xiàn),合金中存在多種形貌的第二相,其中黑色的針狀相是一種富鉻相,魚骨狀相是富鈦和富硅相,顆粒狀相是一種富鈦和富鋯相。從合金的顯微組織可知,合金的基本組織特征是在發(fā)達(dá)的枝晶組織間分布著形態(tài)各異的第二相。一般而言,第二相的硬度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基體的硬度,因此,合金的顯微組織特征類似于在軟的基體上分布了許多的硬質(zhì)點(diǎn)。根據(jù)不同鎳含量合金的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著鎳含量的增加,合金的硬度和抗拉強(qiáng)度都是增加的。這種變化是與鎳在合金中的存在形式緊密相關(guān)的。鎳作為主要組元添加到銅合金中,主要是形成了銅鎳固溶體,即鎳是以溶質(zhì)原子的形式溶解在銅的基體中。因此銅基體的硬度隨著鎳含量的增加而不斷增加。圖8給出了采用能譜面掃描分析獲得的α(Cu基體中鎳含量變化的結(jié)果?？梢?隨著鎳含量的增加,α(Cu)中的鎳含量是顯著增加的。說明合金中不斷增加鎳含量,鎳主要是固溶到α(Cu)基體中,從而對(duì)α(Cu)基體產(chǎn)生顯著的固溶強(qiáng)化效應(yīng)。因而合金的硬度和強(qiáng)度都是隨著鎳含量的增加而增大。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),不同鎳含量合金都出現(xiàn)了兩種典型的磨損形式—粘著磨損和磨粒磨損。在干摩擦條件下,合金的摩擦表面將發(fā)生如下變化:當(dāng)α(Cu基體強(qiáng)度不足夠高時(shí),在外力的作用下,粘著節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度將比基體的剪切強(qiáng)度高很多,使得粘結(jié)點(diǎn)發(fā)生塑性變形,從而導(dǎo)致粘結(jié)點(diǎn)的面積很大,剪切破壞將發(fā)生在距合金表面較深的地方,從而從磨損表面上體現(xiàn)出嚴(yán)重的粘著磨損,見圖7(a)。因此,如果能夠增加基體的強(qiáng)度,那么在粘結(jié)點(diǎn)處基體抵抗剪切變形的能力將會(huì)加強(qiáng),摩擦副之間的接觸面積也可以減少,這毫無疑問將減緩粘著磨損對(duì)摩擦表面的破壞。從前面的分析可知,合金中鎳含量的增加將增加鎳在銅基體中的固溶度,對(duì)基體產(chǎn)生固溶強(qiáng)化,因此,隨著鎳含量的增加,合金的粘著磨損可以減弱。雖然在干摩擦過程中,也很可能發(fā)生第二相從基體中脫離,從而產(chǎn)生磨粒磨損,但由于鎳含量的變化對(duì)第二相的