镍对cu-ni-al基白铜合金耐磨性能的影响

镍对cu-ni-al基白铜合金耐磨性能的影响

铜合金是市场经济发展中的一种重要材料。铜合金具有强度高、硬度高、耐腐蚀性好、银性好、耐磁性强等优点。在许多领域，它可以替代其他材料。其中以镍为主要组元的白铜是其中很重要的一类铜合金,它主要用于造船、石油、化工、电气仪表、医疗器械等工业中。在铜镍合金中,研究得比较多的是具有耐腐蚀和耐热性能、主要用于各种热交换器和水管的Cu-Ni合金,以及拥有高强高导性能、主要用于导线框架等电工材料的Cu-Ni-Si合金和Cu-Ni-Sn合金。实际上,铜镍合金也可应用于某些需要高强耐磨的场合,如添加了铝、铁、铬等合金元素的复杂白铜合金,它具有其他耐磨铜合金不具有的在高温条件下优异的力学性能。相对而言,从耐磨角度对白铜合金开展的研究还比较少,特别是针对Cu-Ni-Al系白铜合金,有关合金元素对该系列合金耐磨性能的研究更是少见,本文以一种添加了微量铁、硅、铬和钛等微量元素的高强Cu-Ni-Al合金为基础,通过改变镍含量,研究镍含量变化对该合金耐磨性的影响。1试验方法与过程本实验中所制备的白铜合金为一种复杂合金化的铸造铜合金,其主要的合金元素为镍,此外还含有约3.0%Al、1.5%Fe、1.0%Cr、1.0%SI、1.0%Ti等微量元素(质量百分数,下同)。为了研究镍含量对合金耐磨性能的影响,保持其他合金设计成分不变,只改变镍的含量,其含量分别设计为10%、12%、17%、21%和25%。实验用原材料为电解铜板、电解镍板和电解铝板。微量元素以金属钛,硅铁、铬铁等中间合金的形式加入。合金的熔炼在中频炉中进行,熔炼时按顺序加入电解铜板、镍板、中间合金和铝板。当熔体温度达到浇注温度后,将其倒入带有水冷装置的卧式离心铸造机中,获得尺寸为准265mm×准160mm×110mm的铸锭。所有试样均用线切割方法取自铸锭径向靠外层约5mm的位置。微动摩擦磨损试样尺寸为准24mm×7.9mm,实验在OPTIMOLSRV摩擦磨损试验机上进行。为模拟干摩擦状况,实验前用丙酮对试样和钢球进行充分地超声清洗。实验参数为:频率50Hz,单边振幅1.00mm,对磨副为准10mm的GCr15钢球,载荷150N,预载50N,预载时间30s,摩擦系数每1s由摩擦试验机传感器自动读取一次。实验结束后,用BMTExpert3D形貌仪测量磨痕深度,用读数显微镜测量磨斑在垂直和平行摩擦方向的尺寸,根据文献提供的方法,可以用如下公式计算试样的磨损质量损失Vs:Vs=πh2(3R-h)/3式中:ds是微动方向上的磨斑宽度,dp是垂直于微动方向上的磨斑宽度,h是试样的磨损深度。布氏硬度试验在HB-3000布氏硬度计上进行,选用准5mm的钢球,试验力为7355N,保压时间为30s。显微硬度在显微硬度计上测试,试验力为2.94N,加载时间为20s。拉伸性能测量试样为准8mm×40mm的圆棒,测试在CMT5105电子万能试验机上进行,拉伸速度为1.5mm/min。抗拉强度和伸长率取3个有效试样的平均值,而硬度值则取5个测量点的平取值。金相试样取自拉伸试棒,用5gFeCl3+5mlHCl+100mlH2O溶液浸蚀,在LeicaDMI5000M型金相显微镜上进行组织观察。用配能谱仪的FEIQuanta200型扫描电镜观察试样的磨损表面和分析第二相及合金基体中的镍含量。图3是不同镍含量合金干摩擦条件下磨损体积的变化。在实验所确定的摩擦工况条件下,不同镍含量合金磨损体积呈现出较为明显的差异,当镍含量从10%增加到17%时,随着镍含量的增加,合金磨损体积急剧降低,镍含量为17%时的合金磨损体积比含镍为10%的合金降低了近60%。继续增大镍含量,合金的磨损体积变化不明显。2.2幅度减缓缓慢图4是不同镍含量合金抗拉强度和伸长率的变化情况。可见,随着镍含量的增加,合金的抗拉强度逐渐增加,但是增加的幅度逐渐减缓。当镍含量为10%时,合金的抗拉强度σb=673MPa,当镍含量增加到25%时,σb=861MPa,提高了27.9%。与此同时合金的伸长率则随着镍含量的升高而降低,当镍含量为10%时,合金的伸长率为4.57%,当含镍为17%时,伸长率为1.82%,降幅达60%。当镍含量超过17%后,合金的伸长率变化很小。2结果2.1镍含量对干摩擦学性能的影响图1是在微动摩擦磨损条件下,不同镍含量的白铜合金的干摩擦系数。可知,在初始磨合阶段,合金干摩擦系数随摩擦时间延长急剧上升,达到最高峰后迅速降低,大约300s后进入相对稳定阶段,在相对稳定阶段干摩擦系数波动相对较小,曲线成锯齿状。从图1中曲线还发现,不同镍含量合金在稳定阶段的摩擦系数相差不大。在实验所确定的干摩擦工况条件下,不同镍含量合金的干摩擦系数基本都在0.72左右。图2是用BMTExpert3D形貌仪测量磨斑深度时,线扫描磨斑的典型曲线。可以看出,磨痕的中心深度最大,为双曲面形状。但在摩擦磨损区域的边缘有突起的部分,这部分是由于在摩擦过程中,试样表面因挤压和冲击产生的塑性变形造成的。合金布氏硬度及基体显微硬度随镍含量的变化如图5所示。可以看出,当合金中镍含量增加时,合金布氏硬度先迅速增大,到17%后逐渐趋于稳定。特别是当镍含量从10%变化到17%时,合金的布氏硬度从225HBS增加到282HBS,增加了24.4%;继续增大镍元素的含量,合金的布氏硬度增加幅度很小。合金基体的显微硬度总体上也是随着镍含量的增加而增加的,当镍含量为10%时基体的显微硬度是239HM,当镍含量增加到17%时,基体的显微硬度达301HM,总体增幅达26%。2.3镍含量对合金表面磨损的影响图6是不同镍含量合金的典型金相组织。可以看出,合金基体为枝晶组织,第二相分布在晶界和枝晶间。随着镍含量的增加,合金的基本组织特征没有发生明显的变化,只是第二相的数量略有增加。不同镍含量合金干摩擦条件下的磨损表面形貌如图7所示。在本实验所设定的干摩擦条件下,合金表面磨损很严重,主要是粘着磨损和磨粒磨损。随着镍含量的增加,合金粘着磨损逐渐减弱,磨粒磨损加剧。当镍含量为10%时,合金表面粘着磨损十分严重,粘着脱落的合金块体很多,在往复摩擦过程中,部分脱落的合金碎块与基体分离,又被焊合在一起,在磨损表面形成许许多多的突起,见图7(a)箭头A;当镍含量为12%时,合金磨损表面仍然有比较严重的粘着现象,但合金基体脱落的现象明显减弱,在磨损表面产生大面积塑性变形,见图7(b)箭头B,同时在塑性变形面上出现了很小的磨粒;当镍含量为17%时,合金磨损表面粘着脱落现象进一步减轻,但磨粒磨损在局部产生的犁沟增多,见图7(c)箭头C;当镍含量继续增加时,这种特征更加明显。3镍含量对合金硬度和强度的影响本项目研究的耐磨白铜是一种含有复杂合金元素的多元铜合金,除了主要合金组元Ni和Al外,还含有Fe、Cr、Ti、Si等。从显微组织分析可发现,这些微量合金组元主要是以第二相的形式存在于枝晶之间(见图6)。合金中的第二相组成和形态非常复杂。电子探针分析发现,合金中存在多种形貌的第二相,其中黑色的针状相是一种富铬相,鱼骨状相是富钛和富硅相,颗粒状相是一种富钛和富锆相。从合金的显微组织可知,合金的基本组织特征是在发达的枝晶组织间分布着形态各异的第二相。一般而言,第二相的硬度要远远高于基体的硬度,因此,合金的显微组织特征类似于在软的基体上分布了许多的硬质点。根据不同镍含量合金的力学性能实验结果发现,随着镍含量的增加,合金的硬度和抗拉强度都是增加的。这种变化是与镍在合金中的存在形式紧密相关的。镍作为主要组元添加到铜合金中,主要是形成了铜镍固溶体,即镍是以溶质原子的形式溶解在铜的基体中。因此铜基体的硬度随着镍含量的增加而不断增加。图8给出了采用能谱面扫描分析获得的α(Cu基体中镍含量变化的结果。可见,随着镍含量的增加,α(Cu)中的镍含量是显著增加的。说明合金中不断增加镍含量,镍主要是固溶到α(Cu)基体中,从而对α(Cu)基体产生显著的固溶强化效应。因而合金的硬度和强度都是随着镍含量的增加而增大。从实验结果发现,不同镍含量合金都出现了两种典型的磨损形式—粘着磨损和磨粒磨损。在干摩擦条件下,合金的摩擦表面将发生如下变化:当α(Cu基体强度不足够高时,在外力的作用下,粘着节点的强度将比基体的剪切强度高很多,使得粘结点发生塑性变形,从而导致粘结点的面积很大,剪切破坏将发生在距合金表面较深的地方,从而从磨损表面上体现出严重的粘着磨损,见图7(a)。因此,如果能够增加基体的强度,那么在粘结点处基体抵抗剪切变形的能力将会加强,摩擦副之间的接触面积也可以减少,这毫无疑问将减缓粘着磨损对摩擦表面的破坏。从前面的分析可知,合金中镍含量的增加将增加镍在铜基体中的固溶度,对基体产生固溶强化,因此,随着镍含量的增加,合金的粘着磨损可以减弱。虽然在干摩擦过程中,也很可能发生第二相从基体中脱离,从而产生磨粒磨损,但由于镍含量的变化对第二相的