SiC對C19400鑄態合金摩擦磨損性能的影響

廖鈺敏

(廣東松山職業技術學院, 廣東 韶關　512126)

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SiC對C19400鑄態合金摩擦磨損性能的影響

廖鈺敏

(廣東松山職業技術學院, 廣東 韶關512126)

摘要：試驗以SiC含量對C19400鑄態合金摩擦磨損性能的影響為研究目的,將SiC(質量分數wSiC,分別為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%)添加到C19400鑄態合金中,然后對其成分、組織、硬度和摩擦系數進行測試.試驗結果表明:在C19400鑄態合金中加入SiC能使合金晶粒尺寸減小;合金的硬度隨SiC含量增加而提高;C19400鑄態合金的摩擦系數隨著SiC添加量的增加逐漸降低,當wSiC為0.8%時,合金摩擦系數降低到1.48,比未添加SiC的C19400鑄態合金摩擦系數(5.44)降低了72.8%,有效提高了合金的耐磨性能.

關鍵詞：SiC; C19400合金; 晶粒細化; 硬度; 摩擦磨損

隨著現代電子科技的不斷發展,新型電子產品正迅速地涌現出來,接插型電子產品已成為現代生活的必需品.具有良好耐磨性能的引線框架材料,越來越受到重視.為滿足集成電路用引線框架材料越來越高、越來越復雜的綜合性能要求,銅合金引線框架材料急需加強新型材料、新性能的開發研制工作,其中包括提高材料的耐磨性能[1-3].但目前引線框架材料的性能研究,主要集中在材料強度、硬度等,引線框架材料耐磨性能的研究還較少.電子產品常因為接插頭磨損性能不佳,磨損嚴重難以長期使用,直接導致電子產品質量下降,使用壽命極短,造成嚴重的資源浪費,產生大量電子垃圾,不符合環保要求.本文采用將SiC顆粒添加進C19400合金中,探討該新材料的摩擦磨損性能[4-5].

1試驗與設備

試驗材料有C19400鑄態合金、SiC粉末、木炭、純石墨坩堝(φ50 mm×120 mm)、鐵模(φ40 mm×40 mm)和石墨棒等.試驗以SiC含量對C19400鑄態合金組織性能的影響為目的,將SiC的添加量(質量分數,wSiC)定為0.2%、0.4%、0.6%和0.8%,對添加SiC后的合金的摩擦磨損性能進行研究.

摩擦磨損試驗采用HT-600型高溫摩擦磨損試驗機.首先用線切割機將鑄態試樣切割成φ12 mm×10 mm,用來測試試樣常溫下的磨損性能.對磨材料為GCr15鋼,載荷為50 g,轉速為224 r/min,摩擦時間為30 min.試驗設備可自動測量試樣的實時溫度和摩擦系數.通過測試摩擦系數、試樣失重量及磨痕分析,得到試驗材料的耐磨性能.

2試驗結果及分析

2.1合金成分組成

圖1是添加wSiC=0.4%的C19400鑄態合金的SEM照片.從圖1中可觀察到許多直徑在1 μm左右的顆粒物,如A點.對A點進行能譜掃描,其結果如圖所示,判斷該質點為SiC.說明澆鑄過程中,SiC成功添加到了C19400合金中.

圖1　添加0.4%SiC后C19400鑄態合金的SEM照片和能譜分析

2.2SiC對鑄態合金組織的影響

圖2為采用機械攪拌的鑄態合金金相組織照片.圖2(a)為未添加SiC的合金鑄態金相照片,可以看出,合金晶粒非常粗大,發達的晶區平行接觸面及相鄰垂直的晶界交接處異常脆弱,且易形成雜質和非金屬夾雜物聚集區,鑄件在熱加工和使用過程中易沿此斷裂[6].圖2(b)、(c)、(d)和(e)為SiC加入到C19400合金以后的金相照片,可從圖上看出,SiC對合金晶粒有明顯的細化效果,隨著SiC添加量的增加,晶粒細化效果越來越明顯.

觀察wSiC=0.2%的C19400合金的金相組織,可以看到相比未添加SiC的合金金相照片圖2(a),粗大晶粒消失,出現了更細小的等軸晶,晶粒細化效果顯著.等軸晶無各向異性,界面穩定,裂紋不易在相互交合的等軸晶處擴散,且單位面積內晶界總量增加,對位錯運動的阻力增大,從而合金得到強化.添加wSiC=0.4%的C19400合金的金相組織,晶粒進一步細化,且晶粒大小更為均勻.可以從圖中看到,隨著SiC添加量的繼續增加,晶粒略有減小,但基本沒有發生太大變化(見圖2(d)、2(e)),說明SiC對C19400合金的細化效果到達一定程度后增加不大;添加wSiC為0.6%、0.8%時,基本保持大小相當的尺寸,不再進一步減小.由圖2可以說明,SiC對C19400合金的鑄態組織具有明顯的細化效果,因SiC的熔點高達2 730 ℃,在熔體中以難熔質點形式存在,成為彌散的結晶核心,增加晶核數量,有促進形核作用[7],晶粒因此得到細化.

從圖3中可以看出,添加SiC后合金的硬度明顯提高.未添加SiC時,合金布氏硬度為64,wSiC=0.2%后布氏硬度提高到72.1.當wSiC=0.8%時,合金的布氏硬度達到了最大值76.7,比未添加SiC時合金的硬度提高了20%.材料硬度的提高,一方面來自于晶粒細化,通過晶粒細化,晶界面積增加,從而對晶粒變形和位錯運動造成更大的阻礙[8];另一方面來自SiC顆粒彌散增強作用,SiC粒子彌散均勻分布阻礙基體塑性變形過程中的位錯運動[9],合金硬度提高.SiC的莫氏硬度達9.2以上(銅的莫氏硬度為3.0～6.6),是銅的1.4～3倍,SiC均勻分布在銅基體中,提高了合金的宏觀硬度值.在合金材料中,如果有彌散分布的細小微粒均勻分布在金屬基體中,形成基體-增強物界面,使得位錯運動時不能夠切過而只能繞過,運動阻力加大,進而發生位錯塞積,從而使得材料硬度提高.在一定程度上,單位體積粒子數目越多,粒子越細小彌散,位錯要繞過粒子就越困難,在宏觀上顯示為材料硬度提高.由于SiC的硬度高,且屬于不可變形粒子,所以合金中隨著SiC添加量的增加,材料晶格畸變程度增加,對位錯運動的阻礙就越大,導致合金硬度不斷增加.

圖2　添加不同含量SiC的C19400鑄態合金的

圖3　SiC對鑄態合金硬度值的影響

2.3SiC對C19400鑄態合金摩擦磨損性能的影響

摩擦系數是衡量材料耐磨性能的重要參數,其值越低代表耐磨性能越佳.圖4為wSiC分別為0%、0.4%和0.8%的3組材料,在摩擦磨損試驗中,摩擦系數隨時間變化的曲線圖.從圖4中可以觀察到,摩擦系數曲線呈現先上升后趨于平穩的形貌.這是由于摩擦磨損試驗開始時,對磨材料首先接觸合金表面,進入磨合期,因加工制樣原因銅合金表面光滑,所以摩擦系數較小,而隨著光滑的表面層被磨損剝落,基體金屬開始裸露,表面凹凸不平,進入基體的摩擦磨損階段,摩擦系數最終趨于平穩.試驗將平穩階段摩擦系數的平均值作為合金摩擦系數值.從圖4中wSiC=0%的曲線可以看出,試驗初期,摩擦系數從1左右迅速上升,10 min左右上升到5.7,隨后上升速度下降,之后呈現動態平衡的趨勢,摩擦系數水平保持在5.5左右,數值跳動幅度較大.wSiC=0.4%的曲線試驗,初期上升速度與wSiC=0%的曲線趨勢基本一致.但不同的是,wSiC=0.4%在1 min時摩擦系數就達到了相對穩定的值2;在4 min時又開始上升,上升速度相比初期開始下降;平緩上升到14 min時,摩擦系數達到3.5左右;摩擦磨損試驗時間為20 min后,摩擦系數略降,數值達到3.3之后基本保持不變;在摩擦磨損試驗后20 min,摩擦系數非常平穩,波動幅度非常小.wSiC=0.8%的曲線,在試驗初期摩擦系數上升速度就非常平緩;在試驗進行6 min時,摩擦系數達到一個峰值1.7,之后摩擦系數開始下降;在8 min達到最低值1.16;之后摩擦系數基本保持在1.4水平不變.從圖4中可以看出,未添加SiC的C19400合金,磨損試驗開始后,摩擦系數急劇上升,達到穩定的時間相對添加SiC后的合金要長.添加SiC后的C19400合金的摩擦系數均低于未添加SiC的C19400合金.

圖4　添加不同含量SiC鑄態C19400合金常溫下

圖5為添加不同含量SiC后C19400合金的摩擦系數變化圖.表1為合金相應的摩擦系數值.從圖5中可以看出,wSiC=0.2%時,材料摩擦系數迅速降低,比未添加SiC時合金的摩擦系數下降了38.1%.隨著SiC添加量的增加,材料摩擦系數繼續降低,wSiC=0.4%時,摩擦系數隨SiC添加量的增加,下降趨勢略顯平緩.之后隨著SiC添加量的增加,摩擦系數繼續下降.在本試驗中,wSiC=0.8%時,材料摩擦系數達到最低值1.48,比基體C19400合金摩擦系數降低了72.8%.可見,添加SiC后C19400合金耐磨性能得到很大的提高.

圖5　SiC含量對C19400鑄態合金材料摩擦系數的影響

wSiC/%00.20.40.60.8摩擦系數平均值5.443.373.262.761.48

添加相SiC,其化學穩定性高,莫氏硬度也高達9.2以上(銅的莫氏硬度為3.0～6.6).硬質相的存在,可以有效降低材料與摩擦副兩者間的黏著,從而使得材料的摩擦系數降低[10].

圖6為合金基體摩擦磨損試驗后試樣掃描電鏡下的形貌.圖6(a)、(b)為未添加SiC的C19400合金磨損后的SEM照片.從圖6(a)、(b)中可以看出,表面黏著現象非常嚴重,磨損表面為沿滑動方向的較寬的溝槽,溝槽周圍有大量縮耳,有大面積被黏著剝離,可看見大范圍的剝落坑,內部金屬裸露到表面,說明試樣表面發生了塑性變形并逐漸斷裂.而圖6中(c)、(d),是wSiC=0.8%的C19400合金磨損后的表面情況,能清晰地看到平行于滑動方向的犁削溝,溝槽寬度比未添加SiC的合金的小,沒有大面積剝離現象,磨損情況明顯比未添加SiC的合金輕微,呈現明顯的磨粒磨損特征.

2.4材料摩擦磨損機理

合金材料除含有Cu、Si及C,還含有少量的Fe、Zn和P元素.在磨損過程中,基體在GCr15鋼摩擦副的反復碾壓和犁削作用下,產生裂紋.由于Cu與鋼的黏著作用較強,表面裂紋通過形核、進而擴展,磨損表面產生較大的應變梯度,隨之表面材料以片狀剝離[11-12],剝離的銅片塊形成磨屑,使得表面磨損情況進一步惡化,表現為切削、黏著磨損共同存在.長時間反復摩擦作用下,還將導致材料表面溫度升高[13],合金材料表面發生軟化以及塑性變形,材料表面抵抗變形的能力降低,摩擦系數較高,此磨損以黏著磨損機制為主.而材料添加了SiC之后,高硬度的SiC顆粒在合金基體中起到了良好的支撐作用,從而減少了合金基體與摩擦副的接觸,減小了合金表面與摩擦副之間的接觸面積[14-15].此外,SiC增強相能夠提高材料的流變強度,緩解摩擦過程中的塑性變形,所以能夠提高材料耐磨性能,降低摩擦系數.同時,SiC顆粒化學穩定性高,耐高溫耐腐蝕,當材料表面因摩擦溫度升高后,材料依然能保持較高強度而抵抗摩擦,減輕材料與鋼摩擦副的黏著作用,使合金的磨損率大幅降低.

3結論

(1) 在C19400鑄態合金中加入SiC能有效促進晶核的產生,使晶體數量增加,晶粒尺寸減小,且

合金的硬度隨SiC含量的增加而提高.

(2) C19400鑄態合金的摩擦系數隨著SiC添加量的增加逐漸降低,wSiC=0.8%時合金摩擦系數降低到1.48,比未添加SiC的C19400合金摩擦系數(5.44)降低了72.8%;SiC能夠使C19400合金材料的磨損機制由黏著磨損轉變為磨粒磨損,有效提高了合金的耐磨性能.

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Effects of SiC on Friction and Wear Properties of C19400 As-cast Alloy

LIAO Yumin

(Guangdong Songshan Polytechnic College, Shaoguan 512126, China)

Abstract：In this research,the effect of the content of SiC on friction and wear properties of C19400 as-cast alloy was studied.SiC(its content is 0.2%,0.4%,0.6%,0.8% respectively) was added into C19400 as-cast alloy,whose components,microstructure,hardness and wear properties were tested.The results showed that the grain size of C19400 as-cast alloy was decreased after SiC was added and its hardness increased with the content of SiC;the friction coefficient of C19400 as-cast alloy reduced gradually with the increased content of SiC.The friction coefficient of C19400 as-cast alloy reduced to 1.48 when the content of SiC was 0.8%,which was reduced by 72.8% than that of alloy without SiC.Thus wear properties of C19400 as-cast alloy was effectively improved by adding SiC.

Keywords：SiC; C19400 alloy; grain refinement; hardness; friction and wear properties

中圖分類號：TG 146.11

文獻標志碼：A

作者簡介：廖鈺敏(1989—),女,江西贛州人,碩士研究生,主要從事有色金屬新材料及模具技術研究與教學. E-mail: liaoyumin123@126.com

收稿日期：2015-11-05