cu-14al-x高铝青铜合金等离子涂层的制备与性能研究

cu-14al-x高铝青铜合金等离子涂层的制备与性能研究

铝铜具有较高的导电性、良好的耐候性和耐粘合性，广泛应用于饮食设备和家用电器的制造中。为了解决工艺上的难以加工和更换铝铜龙、三角形铁砧和大型铝铜龙的脆性分裂问题，采用水弱化法制备了具有自主专利的cu-14al-x高铝铜龙的合金粉末，采用离子喷焊工艺制备涂层，并研究了cu-14al-x射线、结合强度和摩擦磨损的性能。1实验1.1高铝青铜合金的雾化制备以自主研发的新型高铝青铜合金(Cu-14Al-X)为母材,合金的主要化学成分(质量分数)如表1所示,采用惰性气体保护,快速凝固双流高压水雾化技术制备高铝青铜合金粉末.雾化制粉喷嘴采用自由降落式,如图1所示.主要工艺参数为:雾化介质为自来水,保护气体为氮气,喷射顶角为33°,漏包嘴直径为6mm,熔体流速300~400g/s,过热温度100~150℃,雾化压力30~50MPa.1.2喷焊速度、温度采用LUP-300型等离子喷焊设备制备涂层,主要工艺参数为:喷焊电流170A;送粉量1~3g/s;喷焊速度2mm/s;喷焊端面至工件距离5~10mm;离子气流量3~6L/min;送粉气流量4~8L/min.最终喷焊层厚度1.8~5mm.等离子喷焊后的工件自然冷却.1.3测试a、b试件在岛津AG-10TA型万能材料试验机上进行涂层与基体结合强度试验.测试试样如图2所示,拉伸试样材质为A3钢,涂层厚度为5mm.即将试样加工成中间有内孔的A试件及与之内孔为间隙配合的B试件(ϕ10mm),使A与B的两端面处于同一平面,将此平面进行预处理并制备喷焊层,然后从下面支撑A试件,垂直向下拉伸B试件,当B试件从涂层与基体断裂时,记录拉断时所加载荷大小,最大载荷与B试件端面面积之比即为涂层与基体的结合强度,同时观察试件端面涂层的断裂情况.1.4磨痕轮廓测定摩擦磨损试验在中国科学院化学物理研究所的UMT-2MT摩擦试验机上进行,柱端面涂覆过涂层的ϕ20mm×15mm钢柱块固定不动.ϕ3mm的304钢球(硬度为204HB)在上面做往复运动,试样在相同滑动速度下干摩擦对磨.磨损量的测定采用计算磨损体积的办法,用2206型表面粗糙度测量仪测试喷焊层摩擦表面的磨痕轮廓.1.5喷焊层及布洛维蛋白材料的表征喷焊涂层用FeCl3(25g)+HCl(25mL)+H2O(100mL)试剂腐蚀,用MEF3A型金相显微镜对喷焊层以及喷焊层与基体间结合层形貌进行观察;用D/MAX2500PC型X射线衍射仪(XRD)进行物相分析;用HBRVU-187.5型布洛维光学硬度计测定硬度;用JSM-5600LV型扫描电子显微镜结合EDS能谱仪观察摩擦表面形貌及测定试样微区成分;用EPMA-1600型电子探针分析仪对熔覆层表面进行面分析.2结果2.1主要物理性能制得的粉末形貌如图3所示,可见粉末球形度好,表面光洁,主要物理性能:松装密度3.56g/cm3,流动性23.9s/(50g),粒度40~100μm.2.2涂层组织和结合强度2.2.1喷焊层与抗体的结合等离子喷焊层光学金相组织如图4a所示,由图可见,喷焊层由块状和树枝状的黑色相,灰色及白色基体相组成.图4b为喷焊层与基体结合形貌,可见,喷焊层与基体间有明显的过渡区,在喷焊层与过渡层结合面上生长有大量树枝晶,呈现冶金结合特征.经X射线衍射分析(如图5所示)和EPMA面分析(如图6所示),黑色块状相和黑色树枝状组织主要是由富铁的K相(AlFe等)组成,白色基体为富铜的β相,而分布在基体和K相周围的灰色相主要是γ(Cu9Al4)+α相.2.2.2综合强度涂层与基体结合强度试验结果见表2,可见结合强度均值达到302MPa.2.3等离子喷焊层与要体的元素释放与互溶图7是喷焊层界面区域元素成分变化的线分析.可以看出,沿金相图片中的扫描线,从基材到合金喷焊层(从左到右)各元素含量均呈现逐渐变化的趋势,这足以说明在过渡层中存在元素的互扩散现象.Fe元素从基材至过渡层呈现缓慢降低的趋势,并且在高于合金层中原始Fe元素含量值的波动,扫描曲线不时伴有尖锐突起出现,说明从基材到合金层之间有一个强烈持续的扩散过程,并在喷焊层K相中富集(如图6所示),成分偏析较为严重,生长为发达的柱状晶(如图4b所示),聚集了大量的Fe元素.Al、Cu等元素的扫描曲线也呈现明显的过渡趋势,在过渡层左侧,这些元素含量开始缓慢增加,说明合金元素也向基体材料中发生了少量扩散.通过以上分析,可以推断,Fe元素对等离子喷焊层成分稀释率较高,等离子喷焊层与基材之间存在明显的元素扩散与互溶,属于典型的冶金结合,并且结合牢固.2.4摩擦磨损试验的结果2.4.1载荷在不同工况下的平均摩擦系数涂层在干摩擦条件下相同摩擦频率、不同载荷时的摩擦系数随载荷的增加摩擦系数有增大趋势,当载荷在40N(实际工况相当参数,压力15.6MPa,滑动速度0.2m/s)时的平均摩擦系数为0.08.2.4.2等离子涂层研磨的摩擦学行为图8为等离子涂层在不同摩擦条件下干摩擦磨痕扫描电镜图片.从图中可以看出等离子涂层随着载荷的加大磨痕越来越明显,磨道变宽、变深,涂层磨痕的边缘塑性变形明显.在高载荷条件下等离子涂层的磨损更为严重,磨痕有较多撕裂痕迹及大块磨粒,磨痕表面塑形变形及颗粒磨损更显著.2.4.3载荷对涂层表面磨痕磨沟的影响图9为用2206型表面粗糙度测量仪测试喷焊层摩擦表面的磨痕轮廓,利用拟合的办法计算喷焊层的磨痕横断面面积和体积,图10为不同载荷下的磨损体积,随载荷增加涂层表面磨痕磨沟变宽,磨损体积增加,当载荷增大到25N以后,磨损体积随载荷增加而增加的幅度减小.磨损量随载荷增加的趋势降缓.3分析与讨论3.1准二元合金的组织等离子喷涂利用等离子射流将喷涂材料加热到塑性或融化状态,其温度高达数万度,再将它喷射到经预处理的基体表面形成涂层,属于非平衡凝固过程.根据Cu-Al二元相图,铝质量分数为14.6%~15.3%的准二元合金,平衡组织应由共析的γ2相和(α+γ)共析体组成,但保持了高温相的部分特点,形成了以β+γ为主相的涂层组织,如图5所示.又由于喷焊熔融过程产生了较为严重的偏析,粉末中的Fe元素与由基材中大量扩散进来的Fe元素聚集在一起,和粉末中的Al,Mn等元素形成大量的金属间化合物(K相),偏析严重的位置形成了黑色的块状物.Fe的熔点较高,易在熔液中形成形核核心,偏析较小的位置在涂层凝固过程中以先生成的K相为核心逐步生长成了树枝状组织,如图4所示.由于Al,Mn等元素在K中大量富集,造成K相周围贫铝发生,生成了富铜的β相或少量的α相.3.2cu镀层涂层的热性能在喷涂过程中,粉末通过热源的加热,一般以半熔化状态沉积到工件上,重熔是粉末或涂层在基体材料上的熔融过程,整个喷焊过程消除了涂层中的气孔和氧化物夹杂,并与金属基材产生焊合的冶金效果,从而大幅度提高了致密度和结合强度,从图5可以看出喷焊层与基体间存在明显的过渡区,在喷焊层与过渡层结合面上生长有大量树枝晶,呈现明显的冶金结合特征.又由于等离子喷焊过程造成基材中的Fe元素大量向涂层扩散,使得涂层中的Fe元素含量大幅增加,而Fe元素在Cu合金中具有固溶强化作用,产生强硬化的效果,提高了涂层与基体的结合层的强度.3.3钢的剪切强度Cu-14Al-X铝青铜合金等离子涂层组织是富铁的K相强化的β+γ基体组织,涂层硬度达到372HV.其中,β相显微硬度290~407HV;K相属体心立方结构,显微硬度大于700HV.较高的硬度使涂层具有良好的耐磨性能.首先,Cu-14Al-X涂层与304钢球对摩过程中,在高比压的作用下发生塑性变形,接触应力超过材料流动强度,形成粘着或节点焊合.粘着点的剪切强度一般大于铜的剪切强度而小于钢的剪切强度,切向力使铜表面产生粘着脱落.用EDS分析可以证明主要粘着物为α相(相中各元素的质量分数为:Al为3.7%;Fe为0.97%,Cu为94.35%),说明该合金与304不锈钢对摩过程中,剪切断裂多发生在α相及β相中.但由粘着而产生的磨损并不严重,磨损表面并未形成大块脱落,其原因是因为较硬的β相、γ相和K相在基体中起着支撑骨架的作用,同时在光滑承载面的辅助下,阻碍了基体中的α相及β相与304钢的进一步粘着.另外,从图8中可以明显看出等离子涂层磨痕表面粘附有许多小颗粒,且在磨道边缘有塑性变形片状突起物.这是因为等离子涂层组织结构中存在许多硬质K相,在压应力及剪切力作用下脱离等离子涂层表面或在应力作用下造成硬质K相的“破裂”、部分剥落的β相和γ相,以及带入的杂质粒子都会被压入Cu-14Al-X涂层的表面,进而在正应力和剪切力的作用下沿摩擦力方向产生塑性犁沟.对摩擦剥落的质点进行EDS微区成分分析证明脱落的硬质点为K相(相中各元素的质量分数为:Al为25.71%,Fe为38.22%,Cu为13.69%).磨粒磨损主要是脱落的硬质点相造成的结果,β相和γ相是高强硬度相,在摩擦过程中限制了硬质颗粒脱落.从而使等离子涂层与304不锈钢干摩擦对摩磨损时有很好的耐磨性.而且随载荷增大,磨痕磨沟变宽,承载能力加大,磨损量随载荷增加的趋势变缓.3.4涂层配方的epma面分析等离子喷焊过程中,由于等离子弧的强烈搅拌作用,对流传质和扩散的作用,喷焊层和基体材料之间发生元素交互作用,基材中的Fe元素大量向涂层中扩散,经EPMA面分析发现最终生成的喷焊层中的Fe元素含量远高于粉末中的含量.一方面Fe为铝青铜中的主要强化元素,涂层中Fe的增加细化了涂层晶粒,增加了涂层的硬度;另一方面,Fe是促进铝青铜中K相生成的元素,等离子弧的强烈搅拌作用使涂层中Fe元素的增加,在涂层基体结合区域形成了大量的柱状晶的K相(如图4b示),涂层中也形成了大量块状及点状K相质点(如图6所示).高硬度K相的生成,弥散强化了涂层,增加了涂层的硬度和耐磨性.4铁基材料的等离子体涂层1)水雾化法能够制备球