华 东 理 工 大 学 学 报 Jour nal of E as t Chin a University of Science and T echnology Vol.24No.61998-12收稿日期:1998-07-27铜合金渗硅层耐磨性及工艺控制程 军* 朱建华(华东理工大学机械工程学院,上海200237) 提要:对铜合金进行固体渗硅的工艺方法和渗硅后铜合金表面行为进行了研究。
采用本院研制的渗剂对ZQSn6-6-3进行渗硅化学热处理,获得了0.8～1.2mm 的渗层。
探讨了热处理温度、保温时间等工艺参数对渗层厚度和渗层性能的影响;研究了铜合金渗硅层的微观结构,结合粘着理论、磨损剥层理论和晶体结构,揭示了渗硅后提高耐磨性的原理。
研究表明,渗硅的控制步骤是硅在铜合金中的扩散,并给出了渗层厚度与温度及保温时间的经验公式。
关键词:锡青铜;固体渗硅;微观结构;耐磨性中图分类号:T G 156.82 铜及铜合金是工业上应用最早和最广泛的金属材料之一。
在机械传动系统中,常用来制造滑动轴承、滑块、轻载荷齿轮以及其他一些磨损零件。
实际使用时,铜合金遇到的多是金属-金属磨损问题。
实验室工作的一般结论是,没有一种铜合金对于硬磨料有好的耐磨性[1]。
在铜及铜合金作为摩擦件的场合下,发生的磨损行为多为粘附磨损,重载下甚至发生咬合。
为提高铜合金的耐磨性,延长其使用寿命,我们采用了渗硅的方法。
本文的研究表明,对铜合金进行渗硅是一种提高铜合金使用寿命有效的工艺方法,可以提高铜合金的耐磨性,降低铜合金的表面摩擦系数,具有工程推广价值。
1 材料的制备渗剂的组成:渗剂由硅铁(SiFe 75-A ,80～100目),氯化氨,防烧结剂,表面洁净剂,填充剂等。
将上述物质混合在一起,仔细地搅拌均匀。
所用的待渗试件材料为同炉浇铸的锡青铜ZQSn6-6-3,其中Sn 6.8%,Pb 3.12%,余量为Cu 。
试块尺寸统一为40mm ×20mm ×10m m,光洁度为¨6。
表面用丙酮擦拭后用热风吹干待用。
渗剂置于渗盒中,将试块埋入,试块待渗面保证渗剂厚度为25～40mm 。
将渗剂小心地捣实,然后加上铁盖,四周用耐火泥密封置于炉内加热。
用WZK 型可控硅温度控制器(上海自动化仪表六厂)控制整个渗硅过程的升温速度在3.0°C /min 左右。
保温过程中,温度的波动小于5°C 。
保温结束后,在降温到600～500°C 的温度段内,小心地控制降温速度,使之保持在每降10°C 保温半小时左右,目的在于充分地缓冷,以保证共析反应KA +C 的进行。
随后炉冷至室温取出,清除表面粘附物后进行各项检测。
・710・2 渗剂的使用效果用渗剂1、渗剂2、渗剂3,在720°C 、4h 保温条件下,作了多组试验,结果列于表1中(渗硅前的原始硬度为60～70HB )。
表1 渗硅效果表Table 1 Effect of silico nizingPrepar ation num ber T hick nes s of layer/mm Hardness /H B T hick nes s redu ction of sample/mmAverage of redu ction/m m1 1.15215 0.14～0.49 0.2282 1.05182-0.19～0.470.15530.86149-0.35～0.20-0.110 由表1可以看出,渗剂对锡青铜ZQSn6-6-3渗硅效果显著,渗层的形貌见图1。
(a)Ou ts ide ûLayer (b)C entrallayer(c)Layer ûBase (d )T ran sition region图1 渗层的显微形貌F ig .1 Scanning electr on micr og ra phs of the silico nized layer・711・第6期程 军等:铜合金渗硅层耐磨性及工艺控制 X 射线衍射结果表明[2],渗层中主要有两相:一相为铜的A 相固溶体,另一相为铜硅的化合物相,其结构为Cu 0.83Si 0.17,电子浓度为3/2,参照文献[3,4],可以断定该相晶型为立方晶格,即铜-硅相图中的C 相。
而铜基固溶体中溶质可能为硅和锌。
此外,还发现了铁锌间化合物。
特别值得注意的是,在这一深度没有锡和铅的存在。
这是由于硅的渗入,将锡和铅推挤到远离表面某一深度处,形成锡和铅的富集区。
从照图1(c)可以看出,在渗层与基体之间,其组织与渗层和基体的组织均明显不同,这一层即为锡和铅的富集区,本文中也称过渡区。
渗层、过渡层的组织特点如下:渗层中组织分布基本为铜硅的化合物相C 相分布在基体A 相上。
在表面约40L m 的厚度上,晶粒微细,呈细长片图2 渗硅层显微硬度分布曲线F ig.2 Distr ibut ion o f hardness in thesiliconized lay er状,直径仅几个微米;而从表面到基体的占绝大部分厚度的渗层上(约0.6m m),晶粒明显增大,约为表面晶粒大小的3～4倍;在渗层与基体之间,约150～200L m 的过渡层上,组织又发生了变化,与渗层其他部位明显不同,如晶粒较渗层中部细化,晶粒上有黑色条状物夹杂。
图2给出了渗层的显微硬度分布。
由此曲线可以发现,硬度的分布也有相应的明显特征:在表面到过渡区之间的这一渗层中,硬度分布平缓,这一区域将对渗层的摩擦性能作出主要贡献;在基体与渗层之间,厚约170L m 的区域内,硬度急剧下降,由渗层的180HV 降至基体的65HV 。
这一区域正是锡和铅的富集区,与电镜照片上显示的过渡区位置与厚度十分吻合。
3 摩擦系数与磨损率的测定 磨损试验在M M -200型试验机(上海第二工业大学)上进行。
试样均为在保温4h 下获得的渗层。
环状对偶件为45#钢标准件,直径为40mm ,硬度为H RC 45～50。
实验时环状对偶件转动,待测的渗硅试样固定,并施以压力p 。
首先测定干摩擦条件下的摩擦系数和磨损率。
按所采用渗剂及渗硅温度的不同分组实验,试验结果列于表2。
油润滑条件下渗硅层的摩擦系数和磨损率也得到了测定,试验的结果列于表3中。
表中数据均为各组结果的平均值。
由表2和表3可以看出,经渗硅处理的锡青铜ZQSn6-6-3的表面,其耐磨性、减摩性均得到了提高。
表现在磨损率的降低和平均摩擦系数的减小。
在干摩擦条件下,其摩擦系数由未渗硅的0.248减小到渗硅后的0.1934,比未渗硅时减小了22%;在润滑条件下,摩擦系数由未渗硅的0.098减小到渗硅后的0.083,比未渗硅时减小了15.3%。
同时,磨损率也大大降低了。
以表2中渗剂2磨损率随渗硅温度的变化情况为例,磨损率随渗温升高沿二次曲线下降。
其变化曲线绘于图3中。
・712・ 华 东 理 工 大 学 学 报第24卷表2 渗硅层干摩擦性能表Table 2 T he non-lubricant fr iction per for mance of the silico nized la yerPrepar ation num ber S ilicon izing tem perature/℃Width of frictiontrace/mm Fr iction work/kJ Friction coefficien t Wear rate W S /(L m ・N -1・m -1)Non-s iliconiz ed9.775146.0560.24800.4371710 3.32113.5610.19270.0171720 3.13110.7530.19440.0142680 5.01119.2600.19270.0552700 4.09111.2770.19410.0332710 3.92124.4470.19320.0252720 3.50114.2280.19340.0202730 3.28112.6180.19320.0173720 6.11111.7290.19330.105 Tim e :15min ;Ratational s peed :200r /min ;Load :150N表3 渗硅层含油润滑性能表Table 3 T he lubricant frict ion perfo rma nce o f the silico nized layerWid th of frictiontrace/mmFriction w or k/kJ Friction coefficien t W ear rate W S /(L m ・N -1・m -1)Non-s iliconiz ed 5.083684.700.0989.489×10-4Siliconiz ed1.513102.360.0832.494×10-5 Tim e :240min ;Ratational s peed :400r /min ;L oad :300N ;Condition :Lu bricant 32#图3 渗剂2,保温4h 所得渗层磨损率随渗温变化曲线图Fig.3 T he relationship betw een the wearr ateandthesiliconizingtemperat ur e after 4h-pr epa ration 24 渗硅提高摩擦性能的机理由粘着摩擦理论[5],粘着结点的粘着力对摩擦系数的贡献为:L S =S /P y(1) 式中:L S 为粘着摩擦系数;S 为金属表面间的粘着剪切强度;P y 为较软金属的抗压屈服强度。
由式(1)可得,L S 与粘结点剪切强度成正比,而与较软金属的抗压屈服强度成反比。
因为粘结点剪切强度与其粘着力有关,而较软金属的抗压屈服强度又与材料的硬度有一定的对应关系,所以降低结点间粘着力,提高较软金属材料的硬度,将有利于减小粘着摩擦系数,减轻粘着倾向。
S .S .Karapetian 和Yu .I .Korostelin 的研究[6]表明,在摩擦系数与固体的晶体结构间存在着一定的联系。
他们认为,晶体结构不同,其粘着力也不同。
大致的趋势是:面心立方晶体的粘着力较大,体心立方晶体次之,密排六方晶体的粘着力最低。
前已证明,硅的渗入在表面形成了硬而脆的铜硅化合物相,其结构为Cu 0.83Si 0.17,电子浓度为3/2,该相晶型为六方晶格。
所以,由于铜硅化合物相的晶型和它的高硬度,一方面减小了金属表面间的粘着剪切强度,另一・713・第6期程 军等:铜合金渗硅层耐磨性及工艺控制 方面提高了较软金属的抗压屈服强度,从而整体上导致了摩擦系数的减小。