文章编号: 1004-0609(2005)01-0055-06
与钢背轧制复合的纳米复合
Al-Pb-Cu合金的组织及摩擦性能
曾美琴, 戴乐阳, 王 涛, 王 辉, 李元元, 朱 敏
(华南理工大学 机械工程学院, 广州 510640)
摘 要: 用机械合金化制备了纳米复合Al-Pb-Cu合金粉末, 然后将之与钢背轧制复合, 并进行烧结。 运用X射线衍射(XRD)、 扫描电镜(SEM)分析了轧制复合到钢背的Al-Pb-Cu合金的组织结构变化, 并测定了其摩擦磨损性能。 结果表明: 烧结后的Al-Pb-Cu合金粉末已较好地与钢背结合在一起, 并形成了过渡层; 在合金层中, 细小的Pb相保持均匀弥散的分布; 在550℃烧结保温1h后, Pb的平均晶粒尺寸只有200nm左右, 其摩擦磨损性能显著优于普通的Al-Pb-Cu合金。
关键词: 机械合金化; Al-Pb-Cu合金; 轧制复合; 摩擦性能 中图分类号: TG115.5+8
文献标识码: A
Microstructure and wear properties of nanocomposite Al-Pb-Cu alloy cold-rolled onto steel matrix
ZENG Mei-qin, DAI Le-yang, WANG Tao, WANG Hui, LI Yuan-yuan, ZHU Min
(College of Mechanical Engineering, South China University of Technology,
Guangzhou 510640, China)
Abstract: Nanocomposite Al-Pb-Cu alloy powder was prepared by mechanical alloying (MA), and was cold rolled onto the steel matrix, then was sintered. The microstructure of the sintered Al-Pb-Cu alloy was characterized by X-ray diffraction and SEM and its wear properties were measured. The results show that the sintered Al-Pb-Cu alloy powder combines well with the steel matrix and a transition layer is formed. In the sintered Al-Pb-Cu alloy layer, tiny Pb phases are homogeneously distributed. For the alloy layer sintered for 1h at 550℃, the average grain size of Pb is about 200nm, which explains that the nanocomposite Al-Pb-Cu alloy exhibits much better wear properties than the common Al-Pb-Cu alloy.
Key words: mechanical alloying; Al-Pb-Cu alloys; cold rolling; wear properties
轴瓦是在钢背上复合一层减摩合金, 减摩合金不仅需具有很好的减摩性能, 也要有一定的承载能力。 Al-Pb基轴承合金因减摩性能好和成本低而一直备受关注。 但Al-Pb为互不溶体系, 且Al、 Pb两种金属的密度差别很大, 在铸造过程中容易产生严重的偏晶问题。 近年来一些研究者采用搅拌铸造[1, 2]、 快速凝固[3, 4]、 粉末冶金[5]和机械合金化(MA)[6-8]等各种不同的方法制备Al-Pb系合金, 以期获得均匀的组织和良好的摩擦磨损性能。 本文作者的前期研究工作表明: 采用MA法能够实现Pb在Al基体中均匀弥散分布, 其尺寸为100~200nm, 合金强度也显著提高, 使Al-Pb合金的摩擦磨损性能和承载能力比其它方法制备的Al-Pb合金有显著的提高[9]。
通过在Al-Pb合金中加入一定量的Cu产生固溶强化和析出CuAl2等第二相进行强化, 可以进一步提高合金的减摩性能和承载能力[10-13]。 研究结果还表明[14, 15]: 采用MA法制备的Al-Pb-Cu合金具有纳米相复合结构, 相对Al-Pb合金而言, 添加Cu在一定程度上抑制了Pb相的长大, 这也进一步提高了合金的摩擦磨损性能。
需要指出的是, 本文作者的上述研究是在将MA Al-Pb和Al-Pb-Cu合金压制烧结的块体上完成的, 但实际的轴瓦合金需要复合在钢背上。 因此, 本研究以热喷涂铝钢板作为钢背, 采用连续轧制法将机械合金化制备的Al-10%Pb-4.5%Cu合金(MA Al-Pb-Cu)粉末复合到钢背上制成轴瓦材料, 然后研究了MA Al-Pb-Cu合金粉末与钢背轧制复合后在烧结过程中的组织结构变化以及摩擦磨损性能, 以期为进一步的工业应用提供参考。
1 实验
1.1 粉末制备及粉末与轴承衬背的轧制复合
将纯度为99.9%、 粒度为74μm的Al、 Pb、 Cu粉按Al-10%Pb-4.5%Cu(质量分数)比例配成混合粉, 然后进行高能球磨。 球磨过程在氩气保护下进行, 钢球与粉末的质量比为10∶1, 所用球磨机为Fritsch P5。 球磨转速为250r/min, 时间为40h。
用高速电弧喷涂的方法在表面预处理过的低碳钢条表面均匀喷涂上厚度为100μm左右的铝层, 喷涂材料为d2mm铝丝, 然后将MA制备的Al-Pb-Cu合金粉均匀地铺在热喷涂铝层上, 厚度约为4mm, 压实, 进行多道重复轧制, 制得合金带坯样品。 实验中使用的轧机为二辊轧机(d200mm×400mm), 电机功率为40kW, 转速为980r/min, 减速器传动比为31.5。
1.2 磨损实验及组织结构分析
将冷轧成形的板材在氩气保护下进行烧结。 用Philips XPert Pro X射线衍射仪(采用Cu Kα辐射)、 XL30FEG扫描电镜分析合金的组织结构变化。 摩擦磨损实验在MM-200磨损实验机上完成。 试样尺寸为10mm×10mm×8mm。 实验为滑动摩擦磨损(不加润滑的干摩擦条件), 对磨材料为GCr15钢环, 表面硬度为HRC58~60, 对磨环转速为400r/min, 对磨环的尺寸为d47mm×10mm。
2 结果与分析
2.1 MA Al-Pb-Cu合金粉末轧制复合后的组织结构
作者的前期研究工作[14, 15]表明: Al-Pb-Cu混合粉末在高能球磨过程中, Pb相被细化并均匀弥散分布于Al基体中, Pb的平均晶粒尺寸约为10nm; Cu组元则随着球磨时间的增加, 先部分固溶到Al中, 随后相继有Cu9Al4 和CuAl2相生成。 图1所示是MA 后的Al-10%Pb-4.5%Cu(质量分数)合金粉末和球磨后轧制到钢背上的Al-Pb-Cu合金的X射线衍射图。 显然, 合金粉末与钢背轧制复合后的X射线衍射图与未轧制的MA合金粉末的几乎一致, 说明轧制并未对球磨制备的Al-Pb-Cu合金产生显著影响。
图1 MA Al-10%Pb-4.5%Cu合金粉末与钢背轧制复合后的X射线衍射谱
Fig.1 XRD patterns of MA Al-10%Pb-4.5%Cu alloy bonded on steel matrix by cold rolling
图2所示是轧制层的扫描电镜照片, 由图可见, 喷涂在钢背上的Al过渡层和合金层已经较好地镶嵌在一起, 呈锯齿状, 达到了较好的界面初结合(机械结合), 但是Al-Pb-Cu合金层中仍有很多孔隙, 致密度不高。
2.2 MA Al-Pb-Cu合金粉末轧制烧结后的组织结构变化
图3所示是将MA Al-Pb-Cu合金粉末与钢背轧制复合并经350℃烧结后的横截面组织。 由图可见, 轧制得到的Al-Pb-Cu减摩层与钢背形成了良好的结合, 致密度提高。 图4所示是Al/Al-Pb-Cu结合界面的SEM图, 由图可见原来的纯铝过渡层在烧结后出现了少量的Pb, 说明烧结后Pb沿垂直于界面方向发生扩散, 在界面处形成过渡层。 图5所示是将合金粉末与钢背轧制复合后在不同温度烧结1h的X射线衍射谱。 图中显示, 在不同温度烧结1h之后的试样中主要存在3种相: Al、 Pb和CuAl2。 与未烧结合金相比, 最显著的变化就是CuAl2相的大量增加, 同时Al、 Pb的衍射峰的半高宽比未烧结的样品的窄, 而且, 随着烧结温度的增加, Al、 Pb所对应的衍射峰变得越来越窄, 说明其晶粒大小随温度的增加而长大。 根据衍射峰的宽化计算出的Pb晶粒大小随烧结温度变化的趋势如图6所示。 由图可见, Pb的长大速度在低温段(350℃以下)与高温段呈明显不同, 烧结温度超过350℃时, 长大速度有明显升高。 这是因为高于这个温度, Pb已熔化, 由于Al-Pb不互溶, 部分液态Pb相在某些合金颗粒之间的孔洞中流动, 促使颗粒滑动、 旋转、 重新排列, 而Pb粒子也部分地融合在一起, 造成Pb粒子粗化。
图2 轧制后Al/Al-Pb-Cu界面的SEM图
Fig.2 SEM micrograph of Al/Al-Pb-Cu interface after cold rolling
图3 轧制复合试样经350℃烧结1h后的SEM图
Fig.3 SEM micrograph of cold rolled specimen sintered at 350℃ for 1h
图4 Al/Al-Pb-Cu结合界面的SEM图
Fig.4 SEM micrograph of Al/Al-Pb-Cu interface
图5 MA Al-10%Pb-4.5%Cu合金粉末与钢背轧制复合后在不同温度烧结1h的X射线衍射谱
Fig.5 XRD patterns of MA Al-10%Pb-4.5%Cu alloy sintered at different temperatures for 1h after cold rolling onto steel matrix
图6 Al-10%Pb-4.5%Cu合金中Pb的平均晶粒尺寸和烧结温度的关系
Fig.6 Relationship between sintering temperature and average grain size of Pb in Al-10%Pb-4.5%Cu alloy
图7所示是在不同温度烧结后Al-Pb-Cu合金层的SEM图。 从图中可以看出, 显微组织明显分为3种; 基体部分、 灰白色小块(箭头A所指)、 弥散的白亮颗粒(箭头B所指)。 能谱分析表明, 灰白色区域富含Cu、 Al, 应是富Cu相, 白亮颗粒为Pb。 从图中还可以看出, 与未烧结的合金相比, 在350℃, Pb颗粒的长大并不明显, 但是在350℃以后, 随着烧结温度的升高, Pb颗粒明显长大, 这与前面X射线衍射分析的结果一致, 但是由于MA制备的合金粉末具有独特的纳米复合显微结构, 使得其烧结过程中的长大倾向比非机械合金化制备的合金要小得多。 同时, 由于添加了Cu, 可以通过溶质原子拖曳机制和第二相钉扎机制阻碍烧结过程中Pb相的长大。 因此, 即使在550℃后, Pb相的平均尺寸也只 有200nm左右, 保持了良好的组织结构。
2.3 Al-Pb-Cu轴瓦材料的摩擦磨损性能
将MA Al-10%Pb-4.5%Cu合金粉末与钢背轧制复合试样在不同温度烧结1h后, 在不同载荷下(98, 147, 196, 245N)进行摩擦磨损实验, 合金磨 损量与载荷之间的关系如图8所示。 由图可以看出, 当载荷增大时, Al-10%Pb-4.5%Cu合金的磨损性能基本是随烧结温度增加而降低。 这是因为低温度烧结比高温度烧结得到的组织中Pb粒子的平均尺寸更细小, 在合金磨损过程中, 分布更均匀、 晶粒更细小的Pb粒子就相应地能形成更加均匀地铺展在摩擦接触面上的Pb润滑膜, 这层Pb膜使得两摩擦面之间发生的反复冷焊和断裂现象大大减弱[9], 从而提高合金的耐磨性。 但在载荷高于200N的区域, 可以发现400℃烧结的Al-10%Pb-4.5%Cu合金的磨损性能比其它温度烧结的合金稍好。 这可能是由于烧结后合金的强度和Pb相分布的综合作用产生的结果。 在400℃以上温度烧结的合金, Pb相粒子较粗大, 磨损性能相应地较差; 而400℃以下温度烧结的合金, 烧结体欠致密, 强度不够, 当受到大的压力作用时, 合金层易于发生断裂剥落, 从而增加了磨损体积。 由图还可以发现, 在相同的磨损条件下, 与钢背轧制复合后的纳米复合Al-Pb-Cu合金与MA后压制烧结的块体Al-Pb-Cu合金[14]的磨损性能相当。
为了探讨其磨损机理, 对磨损试样表面进行了SEM观察, 结果如图9所示。 由图可见, 400℃烧结后的合金经1h磨损后形成均匀分布的条状磨痕, 证明细小Pb粒子已经较稳定地形成了均匀、 致密的润滑膜, 从而降低了粘着磨损的倾向。 500℃烧结的合金经1h磨损后, 由于较粗大Pb粒子的堆积, 在磨损表面形成了堆叠在一起的絮状结构, 这种组织结构的强度不高, 容易脱落, 形成较大尺寸的磨屑, 增加了磨粒磨损的倾向。
图7 MA Al-Pb-Cu合金轧制坯材在不同温度下烧结后的SEM照片
Fig.7 SEM images of MA Al-Pb-Cu alloy sintered at different temperatures for 1h after cold rolling onto steel matrix
图8 干摩擦条件下MA Al-10%Pb-4.5%Cu合金的磨损量与载荷的关系
Fig.8 Dependence of wear volume of MA Al-10%Pb-4.5%Cu alloy sintered at different temperatures on load applied in wear test
图9 Al-10%Pb-4.5%Cu轴承合金磨损表面的SEM照片
Fig.9 SEM micrographs of wear surface of MA Al-10%Pb-4.5%Cu bearing alloy at load of 196N and wear time of 1h
3 结论
1) 以热喷涂铝钢板作为钢背, 将MA Al-10%Pb-4.5%Cu合金粉末轧制复合到钢背上, Al/钢以及Al/Al-Pb-Cu达到了良好的界面初结合(机械咬合)。 烧结后发生扩散, 原Al/Al-Pb-Cu界面处形成过渡层。
2) 随着烧结的进行, CuAl2相大量增加, 合金中的Pb相仍保持均匀弥散的分布, 其长大速度较慢, 经550℃烧结1h后, Pb的平均晶粒大小只有200nm左右。
3) 在干摩擦条件下, 400℃烧结的Al-10%Pb-4.5%Cu合金具有最佳的摩擦磨损性能。
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基金项目: 国家自然科学基金资助项目(50371027); 广东省自然科学基金资助项目(C036549); 福建省自然科学基金资助项目(E0440001)
收稿日期: 2004-06-24; 修订日期: 2004-11-08
作者简介: 曾美琴(1964-), 女, 副教授.
通讯作者: 曾美琴, 副教授; 电话: 020-87112762; E-mail: mezengmq@scut.edu.cn
(编辑龙怀中)