耐磨復雜黃銅管組織及磨損性能研究

黃紹輝, 馮　衛, 巢國輝, 裘桂群, 劉欽雷

(寧波金田銅業(集團)股份有限公司, 浙江 寧波　315034)

?

耐磨復雜黃銅管組織及磨損性能研究

黃紹輝, 馮衛, 巢國輝, 裘桂群, 劉欽雷

(寧波金田銅業(集團)股份有限公司, 浙江 寧波315034)

摘要：采用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡和摩擦磨損試驗機等設備,研究了不同退火溫度下CuZn35Mn2SiPb試驗合金的微觀組織、力學性能和摩擦磨損性能.試驗結果表明:隨著退火溫度的升高,α相逐漸上升,在500 ℃時達到峰值,之后又逐漸下降,而α相數量是影響磨損性能的關鍵因素,隨著α相的增多,磨損深度越來越淺.

關鍵詞：磨損性能; 復雜黃銅管; 退火溫度; 顯微組織

0引言

液壓傳動技術是衡量一個國家工業技術水平的重要標志之一,而作為液壓傳動系統中被視為能源轉換心臟部件的動力和執行元件,柱塞式液壓泵和馬達,其關鍵材料的使用壽命、耐磨性能、導熱性能以及吸油性能都直接影響液壓系統的運行效果及壽命.據統計,液壓系統中60%的故障來自油泵,而油泵故障中80%是由關鍵摩擦副的磨損造成,特別是柱塞與柱塞套這對摩擦副的磨損.柱塞套一般采用耐磨復雜黃銅管制成,因此,柱塞套用的耐磨復雜黃銅管的性能將直接決定油泵的使用壽命[1].

耐磨復雜黃銅是西方國家20世紀70年代開發的一種新材料,一般通過控制黃銅中α、β相的比例和耐磨相的形貌和數量來提高合金的耐磨性.研究表明,耐磨材料組織通常由軟相和硬相組成,當軟相被磨損后留下的凹坑仍可以存儲潤滑油,硬相起支撐作用,從而提高耐磨性[2-3].目前,以β相為基體的耐磨復雜黃銅棒材的研究較多,而以α相為基體的復雜黃銅管材幾乎很少研究.本文對不同熱處理狀態下CuZn35Mn2SiPb黃銅管的微觀組織進行了觀察,測試了不同退火溫度下合金的顯微硬度和磨損性能,分析了MnSi相的形貌、基體相與熱處理溫度的關系.

1試驗

1.1材料的制備

試驗合金CuZn35Mn2SiPb(質量分數,%)在中頻感應電阻爐中進行熔煉,鑄造成φ145 mm合金鑄錠,其中Mn和Si以銅錳(Mn,25%)、銅硅(Si,25%)中間合金的形式加入.化學成分見表1.鑄錠在中頻感應加熱爐中進行加熱,溫度750 ℃,時間8 min,然后擠壓至φ35 mm×3 mm,通過1道空拉,2道襯拉至φ27 mm×2.5 mm.拉伸后在臺車式退火爐中400～600 ℃退火,時間1 h,最后拉伸至φ25 mm×2.0 mm.

表1　CuZn35Mn2SiPb合金的化學成分

1.2試驗方法

鑄錠的化學成分采用直讀式光譜儀和化學分析相結合;顯微硬度在HVS-1000數字顯微鏡硬度計上測量,載荷0.98 N,保載時間20 s;金相組織在Leica DM IRM型光學顯微鏡上觀察,微觀組織分析在JSM S-4800型掃描電子顯微鏡(SEM)上進行,腐蝕液為三氯化鐵、鹽酸和水溶液(FeCl3∶HCl∶H2O=5∶10∶100);磨損試驗在MMW-1型摩擦磨損試驗機上進行,摩擦副材料采用CCr15鋼球,載荷800 N,轉速1 000 r·min-1,潤滑油采用液壓68#油,載荷100 N,試驗時間2 h,試驗完畢后由計算機算出摩擦系數和磨痕深度.

2結果及分析

2.1組織演變規律

圖1為CuZn35Mn2SiPb合金鑄態組織.可以看到,基體為相互交雜的α+β雙相組織,且還彌散分布著無規則的Mn5Si3和Fe3Si相[4].組織中耐磨相分布沒有明顯的方向性,耐磨相Mn3Si5和Fe3Si為顆粒狀或棒狀,顆粒大小約為5～10 μm,棒狀長度約為10～50 μm.

圖1　CuZn35Mn2SiPb合金鑄態組織金相照片

CuZn35Mn2SiPb合金鑄錠經過750 ℃擠壓,擠壓速度為35 mm·s-1,擠壓態的金相組織如圖2所示.可以看出,硅錳鐵相發生了明顯的轉動,沿擠壓方向分布,部分硅錳鐵相還發生了斷裂.同時,從縱截面圖(b)中可以看到α相也出現了明顯的方向性生長.

圖2　CuZn35Mn2SiPb合金擠壓態金相組織

為了進一步觀察耐磨相形貌,采用SEM對硅錳鐵相的形貌及成分進行分析,如圖3所示.從圖3中看出,耐磨相主要由Mn、Si、Fe元素組成,其形狀多為六邊形,大部分中間位空心,斷裂后為竹節狀.

圖3　CuZn35Mn2SiPb合金擠壓態SEM圖

熱處理是控制α相和β相形貌和比例的關鍵工序.為了獲得較佳的熱處理工藝參數,分別在300,400,500,和600 ℃時進行了退火處理,退火時間1 h,退火后的金相組織如圖4所示.從圖4中可以看出,500 ℃退火時,β相組織基本消失,而400 ℃退火,有明顯的β相組織存在,可見400～500 ℃之間,出現了大量的β相向α相的轉變.但600 ℃退火有少量的β相出現,只是β相不連續分布,且分布不均勻.這可能是由于在300 ℃以下退火時,β相并沒有轉變成α相,保存了擠壓態的形貌.而600 ℃退火時,材料本身的β相完全轉變成α相,然后在冷卻過程中,又從α相中析出了少量的β相,所以材料在600 ℃退火后的相形貌與擠壓態有較大變化,β相成不連續狀出現.根據Cu-Zn二元相圖[4],457 ℃是α相最大的固溶點,所以大量的β相轉變成α相.而超過456 ℃,溫度再升高時,從α相中又逐漸分解出β相.

圖4　CuZn35Mn2SiPb不同退火溫度金相組織

2.2力學性能演變規律

在不同溫度的熱處理后,CuZn35Mn2SiPb合金力學性能的變化見表2.從表2中可以看出,隨著溫度的升高,抗拉強度和硬度都隨著下降,伸長率上升.在400～500 ℃,力學性能發生了突變,在500～600 ℃力學性能變化不明顯.這說明在500 ℃時,已經發生了再結晶,使合金達到了軟態.

表2　不同退火溫度下CuZn35Mn2SiPb合金的力學性能

2.3摩擦磨損性能演變規律

對CuZn35Mn2SiPb合金,最被關心的是摩擦磨損性能,因此,采用MMW-1型摩擦磨損試驗機測試其摩擦系數和磨痕深度.表3是不同退火溫度下CuZn35Mn2SiPb合金的摩擦磨損性能.從表3中看到,不同的退火溫度其摩擦系數相差不大.這主要是因為采用油潤滑后,其摩擦系數都遠遠低于干摩擦條件,摩擦系數的變化不大.但從磨痕深度看,500 ℃退火后磨痕最淺,300 ℃退火后磨痕深度最深,這與α相變化的規律一致.這也說明α相比例是影響該合金磨損性能最主要的因素.由于α相塑性好,在摩擦過程中能產生塑性變形,而不是磨損脫落.α相的變形產生的微小凹坑正好能儲存微量的潤滑油,從而使磨損減小.而β相由于性質較脆,塑性變形性能不佳,在高載荷情況下容易脫落,反而磨損深度較深.

3結論

(1) CuZn35Mn2SiPb合金鑄態組織,基體為相互交雜的α+β雙相組織,且彌散分布著無規則的Mn5Si3和Fe3Si相,經過擠壓后,硅錳鐵相和α相發生明顯的轉動,沿擠壓方向分布.

表3　不同退火溫度下CuZn35Mn2SiPb合金的

(2) 在退火過程中,隨著溫度的升高,α相逐漸增多,在500 ℃時達到最大值.之后,隨著溫度的升高,從α相中又逐漸分解出β相,α相開始減少.同時在500 ℃時,合金已經完全再結晶,達到軟化狀態.

(3) 在油潤滑條件下,不同溫度退火后,摩擦系數相差不大,但從磨痕深度看,500 ℃時磨痕最淺,300 ℃時磨痕最深,這與α相比例變化規律一致.

參考文獻:

[1]陳長先,張初明,尹克里.液壓柱塞泵配流副的研究動態及建議[Z].國營某航空液壓件廠,內部資料(二),1999.

[2]郭淑梅,王碩.復雜黃銅的合金設計[J].云南冶金,1999,28(5):40-44.

[3]趙明濤,黃張裕,趙媛霞.鉛黃銅組織和性能的改善[J].上海有色金屬,2013,34(1):28-31.

[4]孫揚善,黃海波,譚東偉.熱處理對耐磨黃銅組織和性能的影響[J].金屬熱處理,1993(1):27-32.

[5]鐘衛佳,馬可定,吳維治.銅加工技術實用手冊[M].北京:冶金工業出版社,2007:59.

Study on Microstructure and Wear Performance of Complex Brass TubeHUANG Shaohui, FENG Wei, CHAO Guohui, QIU Guiqun, LIU Qinlei

(Ningbo Jintian Copper(Group) Co., Ltd., Ningbo 315034, China)

Abstract：The microstructure and wear performance of CuZn35Mn2SiPb alloy for experimental use were studied at different annealing temperatures by using metallurgical microscope,scanning electron microscope and friction abrasion testing machine.The results indicated that α phase gradually increased with annealing temperature and it reached maximum value at 500 ℃ and then it gradually decreased.The number of α phase is the critical factor that exerts impact on wear performance.The more the number of α phase is,the better the wear performance is.

Keywords：wear performance; complex brass tube; annealing temperature; microstructure

中圖分類號：TG 146.1+1

文獻標志碼：A

作者簡介：黃紹輝(1981—),男,工程師,主要從事銅合金生產技術方面的研究. E-mail:zhaohf@jtgroup.com.cn

收稿日期：2015-07-03