分享：复杂黄铜摩擦磨损性能与显微组织的关系

摘 要::通过电子探针、扫描电镜、X射线衍射仪、摩擦磨损试验机等研究了３种成分复杂黄铜的摩擦磨损性能和显微组织的关系.结果表明:复杂黄铜的磨损机制和基体组织有较大的关系,基体组织为β＋α相时,其磨损机制主要为黏着磨损,基体组织为单一β相时,其磨损机制主要为磨粒磨损;基体组织对复杂黄铜摩擦磨损性能的影响更大,基体组织为β＋α相时的磨损率明显低于基体组织为单一β相的,基体组织为单一β相时,含 Fe３Al硬质相的复杂黄铜的摩擦磨损性能优于含 Mn５Si３ 硬质相的.

关键词:复杂黄铜;摩擦磨损;显微组织;硬质相

０ 引 言

黄铜是由铜和锌组成的合金,因具有生产成本低、综合性能良好等优点而广泛应用于现代工业的各个领域.黄铜中添加锰、硅、铁、铝、镍、钛等元素所形成的合金称为复杂黄铜,复杂黄铜的基体中存在 MnＧSi、FeＧSi以及各种富铁相.根据所添加主元素的不同可以将复杂黄铜分为复杂铝黄铜和复杂锰黄铜.添加的合金元素可有效提高黄铜的强度和耐

磨性,使得黄铜可用于制造汽车同步器齿环、轴承、轴套和各种高强耐磨锻压件等[１].材料的磨损失效过程伴随着微观裂纹的萌生和扩展,裂纹 扩 展 速 率 的 快 慢 与 材 料 的 摩 擦 磨 损性能直接相 关,而 裂 纹 的 扩 展 行 为 则 与 材 料 的 显

微组 织,如 基 体 的 相 组 成 和 不 同 相 所 占 的 比例[２Ｇ３],第二相的种类、大小、含量、均匀性[４],晶粒度[５],晶体取向[６Ｇ７]等关系紧密.MINDIVAN 等[２]和张胜华等[３]的研究表明,随着复杂黄铜基体中α相的增加,合 金 的 硬 度 下 降,但 是 耐 磨 性 提 高,这是由于α相的韧性比β相的好,当裂纹尖端遇到α相时易钝化,从而延迟材料的磨损脱落.因此,可通过控制合金中的α相和β相的比例、耐磨硬质相的形貌和 含 量 来 提 高 其 耐 磨 性.目 前,有 关 基 体为β相的复杂黄铜的耐磨性的研究较多,而鲜见耐磨性和基体组织、硬质相关系的研究报道.为此,作者制备了３种成分的复杂黄铜,通过电子探针、光学显微镜、扫描电镜、摩擦磨损试验机等设备研究了复杂黄 铜 的 摩 擦 磨 损 性 能 和 基 体 组 织、硬 质相的关系.

１ 试样制备与试验方法

试验原料包括铜、锌、锰、硅、铁、铝、锡、铅、镍等金属,纯度均大于９９．５％,均购于北京翠铂林有色金属技术开发中心.按照表１中的化学成分进行配料,在 RAZＧ４５KW 型中频感应炉中熔炼.先将锰、铁、铝、硅等原料与１kg 铜充分熔化,然后加入剩余的铜(５．０~５．５kg),融熔后在较低的温度下(约９００ ℃)加入锌金属;待合金熔化均匀后在铜铸模中浇铸,空冷,所得铸锭的质量约为１０kg.

在铸锭上截取金相试样,经机械抛光,采用５％FeCl３＋２％HCl＋９３％C２H６O(体积分数)溶液腐蚀

后,在 CARLZEISSAxioVert．A１MAT 型倒置光学显微镜上观察显微组织,采用附带的Proimaging软件进行相分析.采用JEOLJXAＧ８５３０F型场发射电子探针(EPMA)测基体、硬质相的微区化学成分分布.利用 HBＧ３０００型显微硬度计测硬度,每个试样测１０个点取平均值,载荷为 ５ N,保载时间为 １５s.在MＧ２００型摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验,试样尺寸为１０mm×１０mm×１０mm,对磨环为 GCr１５钢环,直径为４２ mm,硬度为６０ HRC,试验载荷为２００N,转速为２００r??min－１,干摩擦时间为３０min,采用精度为０．０００１g的电子天平称取试样摩擦磨损前后的质量,计算磨损率,磨损率的计算公式为：

式中:I 为磨损率;m０ 为摩擦磨损试验前试样的质量;m 为摩擦磨损试验后试样的质量;t为干摩擦时间;v 为试验机旋转线速度;D 为对磨环直径.采用 JEOLJSMＧ７１００F 型 场 发 射 扫 描 电 镜(SEM)观察磨损形貌.采用体积分数１０％硝酸酒

精溶液萃取硬质相后,用JEOLJSMＧ７１００F型场发射扫描电镜观察硬质相的微观形貌,用布鲁克 D２型 X射线衍射仪(XRD)对 硬 质 相 进 行 物 相 分 析,采用铜靶,Kα 射线,管电压４０kV,管电流４０mA,扫描速率３ (°)??min－１.

式中:w(Zn),w(Cu),w(M)分别为复杂黄铜中锌、铜和其他合金元素 M 的质量分数;η 为各合金元素的锌当量系数,如表２[１]所示.

经计算可知,１＃ ,２＃ ,３＃ 复杂黄铜的锌当量分别为０．４４,０．４９,０．５２,而 CuＧZn二元相图α/(α＋β)/β分界点的锌质量分数分别为０．３８,０．４７,因此可得出１＃ 复杂黄铜的锌当量位于(α＋β)相区,２＃ ,３＃ 复杂黄铜的锌当量位于β相区.由图１可以看出:１＃ 复杂黄铜基体由α相和β相构成,硬质相颗粒均匀地分布在基体上;２＃ 复杂黄铜的显微组织由β相和硬质相颗粒组成,硬质相颗 粒的形貌与１＃ 复杂黄铜中的相似;３＃ 复杂黄铜的显 微组织由β相和硬质相颗粒组成,但是硬质相颗粒的形貌与１＃ ,２＃ 复杂黄铜中的不同,呈花瓣状,且颗粒明显变小.研究表明,锰黄铜的强化硬质相为具有六方 D８５结构的 Mn５Si３,其中少量锰原子被铜、锌等元素置换,铝黄铜的强化硬质相为具有立方

DO３ 结构的Fe３Al[８Ｇ１０].由图２(a)~图２(g)可以看出:１＃ 复杂黄铜的基体组织由α和β相构成,铜元素在α相中的含量高于在β相中的;锰、硅元素出现的位置一致,这表明二者直接形成了化合物;铁元素分布在锰元素分布区域的核心位置.由图２(h)~图２(n)可以看出:２＃ 复杂黄铜中的铜元素分布均 匀,基 体 相 成 分 均匀;硬质相颗粒边缘部位的锰元素含量高于中心部位的,并且部分硬质相颗粒中心含有铁元素,部分颗粒不含铁元素,如图中虚线框所示.由图 ３ 可知:２＃ 复杂黄铜中的硬质相呈杆状,符合 Mn５Si３ 的形貌特征,部分杆之间存在交叉的特征;XRD 谱表明硬质相主要是 Fe１．６Mn８．４Si６,为 Mn５Si３ 结构,这是由于部分锰被铁所取代,同时硬质相中还存在少量的 Fe２MnSi,属于 Fe３Si结构,呈树枝状,这表明２＃复杂黄铜中的硬质相以 Fe３Si为核心,随后在核心周边长大,形成杆状硬质相交叉的形貌.LI等[１１]研究发现,锰黄铜在熔融状态下仍然有部分硬质相存在,因 此 可 认 为 Mn５Si３ 是 由 液 态 开 始 形 核 的.

综上可知,１＃ 和２＃ 复杂黄铜中硬质相的形成符合以 Fe３Si为核心,Mn５Si３ 在核心周边长大的机制.由图２(o)~图２(u)可以看出:３＃ 复杂黄铜中硬质相的硅元素质量分数仅为０．１％,硅元素主要存在于硬质相的核心,铝元素的质量分数为７．５％,铝元素除 了 组 成 硬 质 相 外,也 固 溶 于 基 体 中,Fe３Al、Fe３Si虽均具有更低的形成能[８Ｇ９],但结合其成分可判断出３＃ 复杂黄铜中的硬质相主要为 Fe３Al;在硬质相周围阴影部分的铜含量略高于基体中的,锌含量略低于基体中的,同时铝含量高于基体中的,这可能因为由Fe３Al的形核长大造成了周边基体的成分偏析.

综上所述:１＃ 和２＃ 复杂黄铜的基体组织分别为(α＋β)相和β相,硬质相均为 Mn５Si３,３＃ 复杂黄铜的基体组织为β相,硬质相为 Fe３Al.

由图４(a)~(b)可以看出:１＃ 复杂黄铜磨损表面存在较多的黏附物,属于黏着磨损,这是由于１＃复杂黄铜的基体组织为α＋β相,α相较软,易发生塑性变形,从而黏着在磨损表面;２＃ 复杂黄铜磨损表面有较多的犁沟,主要为磨粒磨损,且存在硬质相破碎的现象,这与２＃ 复杂黄铜的基体组织为单一的β相有关;３＃ 复杂黄铜磨损形貌与２＃ 复杂黄铜的相似,但３＃ 合金的犁沟更细而浅,剥落区域明显少于２＃ 复杂黄铜的.由此可知,复杂黄铜的磨损机制和基体组织有较大的关系.由图５可以看出:１＃ 复杂黄铜在摩擦磨损试验前期的摩擦因数有一个较大的波动,这是因为在该阶段对磨环和试样间存在黏着现象,摩擦力较大,之后摩擦因数逐渐平稳;在３种复杂黄铜中,２＃ 复杂黄铜的整体摩擦因数最低,这是由于２＃ 复杂黄铜表面存在硬质相破碎的现象,表面最容易发生剥落,导致合金与对磨环之间的接触面积变小,摩擦力减小,因此摩擦因数最低.由表３可以看出,１＃ 复杂黄铜和２＃ 复杂黄铜具有相同的硬质相,虽然２＃ 复杂黄铜中硬质相的体积分数大于１＃ 复杂黄铜中的,但１＃ 复杂黄铜的磨损率明显低于２＃ 复杂黄铜的,这是由于１＃ 复杂黄铜中含有较多的α相,表面易发生塑性变形,阻碍裂纹扩展,由此也可以发现基体组织对复杂黄铜摩擦磨损性能的影响更大.２＃ 复杂黄铜和３＃ 复杂黄铜的基体组织均为β相,但３＃ 复杂黄铜的磨损率低于２＃ 复杂黄铜的,这是因为３＃ 复杂黄铜基体中的铝含量较高,基体的硬度更高;且由磨损形貌可以看出,Fe３Al与基体的结合强度高于 Mn５Si３ 与基体的,Fe３Al硬质相不易脱落,因此３＃ 复杂黄铜具有更好的耐磨性.

表３ ３种复杂黄铜的物相组成、硬度与摩擦磨损试验结果

Tab．３ Phasecomposition,hardnessandfrictionandweartestresultsofthreekind