简介概要

新型铸造铝青铜的润滑摩擦性能

来源期刊：中国有色金属学报2004年第6期

论文作者：徐建林陈超喇培清王智平李海兰刘明朗朱小武

文章页码：917 - 921

关键词：铝青铜；摩擦性能；润滑条件

Key words：aluminum bronze; friction performance; lubrication condition

摘要：对新型高强度、高耐磨铝青铜合金（代号HSWAB）在润滑条件下的摩擦性能进行了分析。结果表明， HSWAB合金的高耐磨性主要取决于其显微组织，在润滑条件下磨损失效形式主要为磨粒磨损与粘着磨损。由于HSWAB合金基体强度高，强化相呈弥散分布，在润滑摩擦过程中形成高强度的骨架和光滑的支撑面，磨粒细小、圆整、数量少；在润滑及骨架与光滑面的支撑作用下，粘着磨损不能进一步发展，并且合金在摩擦过程中无氧化与裂纹现象产生。

Abstract: The friction properties and friction mechanism of a new high strength and wear-resistant aluminum bronze named HSWAB alloy were analyzed in detail under lubrication condition. The results show that the high wearability of HSWAB alloy primarily depends on its microstructure. The major wear mechanisms are attrition wear and adhesive wear when HSWAB alloy against 45^# steel under lubrication condition. Because HSWAB alloy has high hardness metal matrix and small dispersion strengthening phases, in lubrication friction, the matrix and some strengthening phases become a high-strength skeleton body and smooth bearing plate, another strengthening phase becomes abrasive particles that are small, near-spherical and their number is small. Because of lubrication oil, supporting effect of skeleton body and smooth bearing plate, the adhesive wear can’t further develop. The oxidization phenomenon and crack initiation on wear surface of HSWAB alloy were not found.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2004.06.007

新型铸造铝青铜的润滑摩擦性能

徐建林陈超喇培清王智平李海兰刘明朗朱小武

兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室

兰州理工大学机电工程学院

中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室

兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室兰州730050

兰州730000

摘要：

对新型高强度、高耐磨铝青铜合金 (代号HSWAB) 在润滑条件下的摩擦性能进行了分析。结果表明, HSWAB合金的高耐磨性主要取决于其显微组织, 在润滑条件下磨损失效形式主要为磨粒磨损与粘着磨损。由于HSWAB合金基体强度高, 强化相呈弥散分布, 在润滑摩擦过程中形成高强度的骨架和光滑的支撑面, 磨粒细小、圆整、数量少;在润滑及骨架与光滑面的支撑作用下, 粘着磨损不能进一步发展, 并且合金在摩擦过程中无氧化与裂纹现象产生。

关键词：

铝青铜;摩擦性能;润滑条件;

中图分类号： TG111.5

收稿日期：2003-10-10

基金：甘肃省自然科学基金资助项目 (ZS032B25029);教育部"春晖计划"资助项目;

Lubrication friction performance ofnew as-cast aluminum bronze

Abstract：

The friction properties and friction mechanism of a new high strength and wear-resistant aluminum bronze named HSWAB alloy were analyzed in detail under lubrication condition. The results show that the high wearability of HSWAB alloy primarily depends on its microstructure. The major wear mechanisms are attrition wear and adhesive wear when HSWAB alloy against 45^# steel under lubrication condition. Because HSWAB alloy has high hardness metal matrix and small dispersion strengthening phases, in lubrication friction, the matrix and some strengthening phases become a high-strength skeleton body and smooth bearing plate, another strengthening phase becomes abrasive particles that are small, near-spherical and their number is small. Because of lubrication oil, supporting effect of skeleton body and smooth bearing plate, the adhesive wear can't further develop. The oxidization phenomenon and crack initiation on wear surface of HSWAB alloy were not found.

Keyword：

aluminum bronze; friction performance; lubrication condition;

Received： 2003-10-10

铝青铜是机器制造中最值得注意的结构材料, 主要是以铜-铝系为基的合金。仅由铜、铝元素构成的是二元铝青铜, 为了改善某些性能, 常在二元铝青铜中添加铁、锰、镍等元素形成多元铝青铜。早在20世纪初, 人们就已经对铝青铜进行了初步的研究。在20世纪50年代, 随着大规模的工业化生产和研究的进一步深入, 铝青铜已成为现代工业应用极其广泛的一种新型铜合金 ^[1,2,3] 。铝青铜具有许多优良的性能, 如高的强度、硬度、耐磨性和抗蚀性, 被广泛用来制造螺旋桨、阀门、齿轮坯料、螺纹等零件 ^[4,5,6] 。

随着现代工业技术的飞速发展, 进一步提高铝青铜材料的使用性能一直是研究人员追求的目标, 其中提高耐磨性就是一项重要目标。仅太原钢铁公司每年由于轧机所用的铝青铜丝母的磨损失效就造成了上千万元的损失 ^[7] 。许多学者对不同组织、状态的铝青铜的摩擦性能进行了研究, 如硬度对铝青铜耐磨性的影响、残余应力对层错能及粘着磨损的影响、钢/铜摩擦副的选择性转移现象等 ^{[8,9,10,11,12]} 。这些研究对铝青铜的进一步应用提供了理论依据。本文作者主要研究了自主开发的一种高强度、高耐磨铝青铜合金 (代号HSWAB) ^[13] 在润滑条件下的摩擦性能。

1 实验

HSWAB合金的名义化学成分 (质量分数) 为: 78.87%Cu, 13.37%Al, 3.67%Fe, 1.09%Mn, 0.29%Ni和其它微量合金元素。炉料采用工业纯铜、纯铝、纯铁、纯锰和其它添加剂, 在100 kW中频感应电炉中熔炼, 采用双铂铑热电偶测温。熔化中严格控制各组元的加入温度、加入顺序、加入量、加入方法和熔化速度, 经除气精炼后铸成合格锭坯。

试样性能测试全部按照中国国家标准进行。采用40 t液压万能试验机进行拉力试验; 采用HD1-187.5型洛布维三用硬度计测定硬度; 采用Digaku D/max-2400型X射线衍射仪对试样作物性分析。采用备有X射线能谱仪的HITACH TS-502型扫描电子显微镜对试样的显微组织、微区成分、磨损形貌进行分析。

摩擦实验在RFT-Ⅲ型往复摩擦磨损实验机上进行。圆柱试样为d 8 mm×30 mm铝青铜合金, 块状试样为10 mm×14 mm×70 mm长方形的45^#钢 (淬火态, 硬度为HRC 48) 。润滑油采用20^#机油。用万分之一天平测量磨损率。

2 结果与分析

2.1 铸态显微组织

铝青铜的平衡组织可按照Cu-Al相图确定, 含铝13%左右的铝青铜平衡组织应为 (α+γ₂) +γ₂。在铸造条件下HSWAB合金由于添加了其它合金元素, 该合金的显微组织发生了变化。图1所示为在实验条件下HSWAB合金的显微组织。经X射线衍射分析 (如图2所示) 可知该合金由α、 β ′、 γ₂、 κ相构成。其中β ′相是高温β相在实际铸造的冷却条件下由于共析转变抑制而形成的过冷β相, 它们是同素异构体。 β ′相是一种介稳定组织, 类似于钢中的马氏体。在图1中可看到晶界处存在γ₂相, 它是以Cu₉Al₄化合物为基的固溶体, 属于硬脆相。 γ₂相的存在虽然可提高合金的硬度, 但很容易造成合金塑性的降低, 尤其要避免其形成网状结构。显微组

图1 HSWAB合金显微组织 Fig.1 Microstructure of HSWAB alloy

图2 HSWAB合金铸态下的X射线衍射谱 Fig.2 XRD pattern of as-cast HSWAB alloy

织中的Al₇Cu₂Fe也就是俗称的κ相, 它具有很高的硬度 (≥700 HV) , 在合金中呈点状的弥散分布, 可提高合金的性能。在κ相周围还存在以铜为基的α固溶体, 这是由于κ相的析出使周围区域富Cu而贫Fe、 Al等元素而形成的。 α相为面心立方晶格, 有较高的强度和塑性。因此, HSWAB合金的显微组织特征为在强度、硬度较高的β′基体中弥散分布着硬度很高的κ相、 γ₂相和具有一定塑性的α相。

2.2 润滑条件下的耐磨性

图3 (a) 所示是HSWAB合金在载荷为300 N、摩擦速度为0.6 m/s情况下摩擦因数随时间的变化曲线。该曲线表明, 摩擦在初始跑合阶段, 摩擦因数随摩擦时间的增加急剧上升, 达到最高点后迅速下降, 然后摩擦因数趋于稳定, 即此时为稳定磨损阶段。图3 (b) 和 (c) 所示为摩擦因数与磨损率随载荷与滑动速度的变化曲线。在低载荷情况下, 合金试样基体中的软相不足以发生弹性微变形或变形量极小, 合金组织中的软相和硬相基本上保持较平整的状态, 几乎全面积接触, 故轻载时摩擦因数比较大。随着载荷的增大, 合金组织中的软相发生弹性微变形, 出现一些因硬相脱落而产生的小凹坑。这些凹坑可以贮存润滑油, 因而摩擦因数减小。但随着载荷的进一步增大, 油膜遭受破坏而导致摩擦因数进一步上升; 在低速摩擦时, 温升缓慢, 润滑油可充分充满摩擦面; 但在高速摩擦时, 油膜破坏快, 润滑油不能及时补充, 从而导致摩擦因数在一定速度下达到最小值。磨损率则随载荷和滑动速度的增加而逐渐增大。

2.3 磨损表面分析

图4所示是HSWAB合金在载荷300 N、滑动速度0.6 m/s的摩擦条件下的表面磨损形貌。从图4可看出, 磨损后的表面特征主要有4点: 1) 沿滑动方向上存在着明显的犁沟; 2) 在犁沟旁边存在着光滑的承载面, 该面边缘形状为舌状形貌, 说明该区域在摩擦力的作用下发生了塑性变形, 边缘部位在往复的摩擦中形成不同方向的变形, 但在该区域没有发现裂纹的存在, 说明无脆性断裂现象; 3) 存在着大小不等的凹坑, 这些凹坑是合金中硬质点相脱落与存在粘着磨损而形成的, 这些凹坑在润滑摩擦中可起到储存润滑油的作用; 4) 表面上存在着片状磨屑和粒状磨粒。此外, 在摩擦表面上未发现明显的氧化现象。

图3 摩擦因数与磨损率随滑动速度的变化曲线 Fig.3 Curves of friction coefficient vs time (a) , friction coefficient and wear rate vs wear load (b) and vs sliding speed (c)

2.4 粘着剪切与材料的转移

摩擦偶件表面不论加工如何精密, 微观上仍是凹凸不平的。因此, HSWAB与45^#钢在滑动摩擦时其表面上的一些微凸体会穿过油膜发生接触。这种接触由于接触面积小、承载压力大导致微凸体发生塑性变形。由于短程力的作用, 两接触面上的原

图4 HSWAB合金表面磨损形貌 Fig.4 Morphology of worn surface of HSWAB

子会因原子键的结合作用而形成粘着结点。粘着结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, 在切向力的作用下使铜表面产生粘着脱落。脱落区域一般为α相, 这主要表现在α相与钢的粘着力大于它与β′相、 γ₂相和κ相的粘着力 ^[14,15] 。被剪切的α相在继续摩擦过程中形成磨屑, 该磨屑在反复的摩擦过程中被碾压成片状。图4中右上角的片状白色物通过微区成分分析也证明其为富铜相。根据粘着理论, 摩擦界面之间产生的材料转移现象是粘着剪切的必然结果。由于在粘着过程中HSWAB合金中的α相被剪切, 该剪切物也会粘附于45^#钢表面, 在其表面会扩散到45^#钢中去。图5所示是对45^#钢表面的铜元素进行面分布

图5 Cu元素在45#钢表面的分布 Fig.5 Distribution of Cu on wear surface of 45# steel

扫描的检测结果。由图5可看出在45^#钢表面含有较多的铜元素, 铜元素还在一些区域形成聚集状, 这可能是与HSWAB中的α相粘附的部位。这也从另一方面表明了HSWAB中的α相产生了粘着剪切、扩散的现象。但是, 由粘着而产生的磨损并不严重, 其原因主要是因为较硬的β ′相、 γ₂相和κ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, 使基体中的α相不能与45^#钢发生进一步的粘着。同时, 由于粘着形成的凹坑对储存润滑油有利, 也降低了粘着磨损。

2.5 磨粒磨损与微切削

HSWAB合金与45^#钢对摩时, 部分硬质点相 (如κ相和γ₂相) 会从β′相中脱落, 脱落的硬质点相会成为磨粒。该磨粒在法向载荷的作用下嵌入到HSWAB合金的表面中, 并在摩擦力的作用下沿着摩擦方向产生运动。运动的磨粒会对基体产生犁沟或微切削作用。大部分磨粒把材料推向两边或前缘, 这样会在犁沟两侧或前沿产生隆起的犁皱。犁皱在继续的摩擦中也可能产生再次的变形, 形成了塑性变形区。该区域在法向载荷的作用下被压平, 经过如此反复的塑性变形造成该区域产生加工硬化, 最后形成光滑的支撑面。在图4中可观察到犁沟中存在磨粒, 对该磨粒进行微区成分分析也证明其为硬质点相。由此看出, 磨粒磨损主要是由于脱落的硬质点相造成的结果。当磨粒形状和迎角合适时, 也会产生微切削作用。在摩擦表面也可观察到在一些划痕的一侧比较光滑, 而另一侧则有滑动的台阶, 有些还会发生卷曲的现象, 如图6所示。但是, 这种微切削产生的概率一般来说比较小, 主

图6 HSWAB合金表面的微切削形貌 Fig.6 Micro-cutting morphology of HSWAB

要原因是磨粒的棱角并不像真正的刀具有非常锋利的刀刃, 棱角也不可能时时保持与摩擦运动方向相一致, 磨粒与被磨材料表面之间的夹角太小, 也只有在局部高应力状态下可能产生, 这些都说明尽管微切削现象存在, 但它在整个磨损中产生的概率不大。磨粒磨损也与磨粒的硬度、大小、形状和数量有关。如果硬质点相呈细小球状弥散分布, 并能很好地镶嵌入基体中, 则可降低磨粒磨损。