耐磨复杂黄铜管组织及磨损性能研究

黄绍辉, 冯　卫, 巢国辉, 裘桂群, 刘钦雷

(宁波金田铜业(集团)股份有限公司, 浙江 宁波　315034)



耐磨复杂黄铜管组织及磨损性能研究

黄绍辉, 冯卫, 巢国辉, 裘桂群, 刘钦雷

(宁波金田铜业(集团)股份有限公司, 浙江 宁波315034)

摘要：采用金相显微镜、扫描电子显微镜和摩擦磨损试验机等设备,研究了不同退火温度下CuZn35Mn2SiPb试验合金的微观组织、力学性能和摩擦磨损性能.试验结果表明:随着退火温度的升高,α相逐渐上升,在500 ℃时达到峰值,之后又逐渐下降,而α相数量是影响磨损性能的关键因素,随着α相的增多,磨损深度越来越浅.

关键词：磨损性能; 复杂黄铜管; 退火温度; 显微组织

0引言

液压传动技术是衡量一个国家工业技术水平的重要标志之一,而作为液压传动系统中被视为能源转换心脏部件的动力和执行元件,柱塞式液压泵和马达,其关键材料的使用寿命、耐磨性能、导热性能以及吸油性能都直接影响液压系统的运行效果及寿命.据统计,液压系统中60%的故障来自油泵,而油泵故障中80%是由关键摩擦副的磨损造成,特别是柱塞与柱塞套这对摩擦副的磨损.柱塞套一般采用耐磨复杂黄铜管制成,因此,柱塞套用的耐磨复杂黄铜管的性能将直接决定油泵的使用寿命[1].

耐磨复杂黄铜是西方国家20世纪70年代开发的一种新材料,一般通过控制黄铜中α、β相的比例和耐磨相的形貌和数量来提高合金的耐磨性.研究表明,耐磨材料组织通常由软相和硬相组成,当软相被磨损后留下的凹坑仍可以存储润滑油,硬相起支撑作用,从而提高耐磨性[2-3].目前,以β相为基体的耐磨复杂黄铜棒材的研究较多,而以α相为基体的复杂黄铜管材几乎很少研究.本文对不同热处理状态下CuZn35Mn2SiPb黄铜管的微观组织进行了观察,测试了不同退火温度下合金的显微硬度和磨损性能,分析了MnSi相的形貌、基体相与热处理温度的关系.

1试验

1.1材料的制备

试验合金CuZn35Mn2SiPb(质量分数,%)在中频感应电阻炉中进行熔炼,铸造成φ145 mm合金铸锭,其中Mn和Si以铜锰(Mn,25%)、铜硅(Si,25%)中间合金的形式加入.化学成分见表1.铸锭在中频感应加热炉中进行加热,温度750 ℃,时间8 min,然后挤压至φ35 mm×3 mm,通过1道空拉,2道衬拉至φ27 mm×2.5 mm.拉伸后在台车式退火炉中400～600 ℃退火,时间1 h,最后拉伸至φ25 mm×2.0 mm.

表1　CuZn35Mn2SiPb合金的化学成分

1.2试验方法

铸锭的化学成分采用直读式光谱仪和化学分析相结合;显微硬度在HVS-1000数字显微镜硬度计上测量,载荷0.98 N,保载时间20 s;金相组织在Leica DM IRM型光学显微镜上观察,微观组织分析在JSM S-4800型扫描电子显微镜(SEM)上进行,腐蚀液为三氯化铁、盐酸和水溶液(FeCl3∶HCl∶H2O=5∶10∶100);磨损试验在MMW-1型摩擦磨损试验机上进行,摩擦副材料采用CCr15钢球,载荷800 N,转速1 000 r·min-1,润滑油采用液压68#油,载荷100 N,试验时间2 h,试验完毕后由计算机算出摩擦系数和磨痕深度.

2结果及分析

2.1组织演变规律

图1为CuZn35Mn2SiPb合金铸态组织.可以看到,基体为相互交杂的α+β双相组织,且还弥散分布着无规则的Mn5Si3和Fe3Si相[4].组织中耐磨相分布没有明显的方向性,耐磨相Mn3Si5和Fe3Si为颗粒状或棒状,颗粒大小约为5～10 μm,棒状长度约为10～50 μm.

图1　CuZn35Mn2SiPb合金铸态组织金相照片

CuZn35Mn2SiPb合金铸锭经过750 ℃挤压,挤压速度为35 mm·s-1,挤压态的金相组织如图2所示.可以看出,硅锰铁相发生了明显的转动,沿挤压方向分布,部分硅锰铁相还发生了断裂.同时,从纵截面图(b)中可以看到α相也出现了明显的方向性生长.

图2　CuZn35Mn2SiPb合金挤压态金相组织

为了进一步观察耐磨相形貌,采用SEM对硅锰铁相的形貌及成分进行分析,如图3所示.从图3中看出,耐磨相主要由Mn、Si、Fe元素组成,其形状多为六边形,大部分中间位空心,断裂后为竹节状.

图3　CuZn35Mn2SiPb合金挤压态SEM图

热处理是控制α相和β相形貌和比例的关键工序.为了获得较佳的热处理工艺参数,分别在300,400,500,和600 ℃时进行了退火处理,退火时间1 h,退火后的金相组织如图4所示.从图4中可以看出,500 ℃退火时,β相组织基本消失,而400 ℃退火,有明显的β相组织存在,可见400～500 ℃之间,出现了大量的β相向α相的转变.但600 ℃退火有少量的β相出现,只是β相不连续分布,且分布不均匀.这可能是由于在300 ℃以下退火时,β相并没有转变成α相,保存了挤压态的形貌.而600 ℃退火时,材料本身的β相完全转变成α相,然后在冷却过程中,又从α相中析出了少量的β相,所以材料在600 ℃退火后的相形貌与挤压态有较大变化,β相成不连续状出现.根据Cu-Zn二元相图[4],457 ℃是α相最大的固溶点,所以大量的β相转变成α相.而超过456 ℃,温度再升高时,从α相中又逐渐分解出β相.

图4　CuZn35Mn2SiPb不同退火温度金相组织

2.2力学性能演变规律

在不同温度的热处理后,CuZn35Mn2SiPb合金力学性能的变化见表2.从表2中可以看出,随着温度的升高,抗拉强度和硬度都随着下降,伸长率上升.在400～500 ℃,力学性能发生了突变,在500～600 ℃力学性能变化不明显.这说明在500 ℃时,已经发生了再结晶,使合金达到了软态.

表2　不同退火温度下CuZn35Mn2SiPb合金的力学性能

2.3摩擦磨损性能演变规律

对CuZn35Mn2SiPb合金,最被关心的是摩擦磨损性能,因此,采用MMW-1型摩擦磨损试验机测试其摩擦系数和磨痕深度.表3是不同退火温度下CuZn35Mn2SiPb合金的摩擦磨损性能.从表3中看到,不同的退火温度其摩擦系数相差不大.这主要是因为采用油润滑后,其摩擦系数都远远低于干摩擦条件,摩擦系数的变化不大.但从磨痕深度看,500 ℃退火后磨痕最浅,300 ℃退火后磨痕深度最深,这与α相变化的规律一致.这也说明α相比例是影响该合金磨损性能最主要的因素.由于α相塑性好,在摩擦过程中能产生塑性变形,而不是磨损脱落.α相的变形产生的微小凹坑正好能储存微量的润滑油,从而使磨损减小.而β相由于性质较脆,塑性变形性能不佳,在高载荷情况下容易脱落,反而磨损深度较深.

3结论

(1) CuZn35Mn2SiPb合金铸态组织,基体为相互交杂的α+β双相组织,且弥散分布着无规则的Mn5Si3和Fe3Si相,经过挤压后,硅锰铁相和α相发生明显的转动,沿挤压方向分布.

表3　不同退火温度下CuZn35Mn2SiPb合金的

(2) 在退火过程中,随着温度的升高,α相逐渐增多,在500 ℃时达到最大值.之后,随着温度的升高,从α相中又逐渐分解出β相,α相开始减少.同时在500 ℃时,合金已经完全再结晶,达到软化状态.

(3) 在油润滑条件下,不同温度退火后,摩擦系数相差不大,但从磨痕深度看,500 ℃时磨痕最浅,300 ℃时磨痕最深,这与α相比例变化规律一致.

参考文献:

[1]陈长先,张初明,尹克里.液压柱塞泵配流副的研究动态及建议[Z].国营某航空液压件厂,内部资料(二),1999.

[2]郭淑梅,王硕.复杂黄铜的合金设计[J].云南冶金,1999,28(5):40-44.

[3]赵明涛,黄张裕,赵媛霞.铅黄铜组织和性能的改善[J].上海有色金属,2013,34(1):28-31.

[4]孙扬善,黄海波,谭东伟.热处理对耐磨黄铜组织和性能的影响[J].金属热处理,1993(1):27-32.

[5]钟卫佳,马可定,吴维治.铜加工技术实用手册[M].北京:冶金工业出版社,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

中图分类号：TG 146.1+1

文献标志码：A

作者简介：黄绍辉(1981—),男,工程师,主要从事铜合金生产技术方面的研究. E-mail:zhaohf@jtgroup.com.cn

收稿日期：2015-07-03