铝青铜因其优良的耐磨耐蚀性能而被广泛用于耐磨耐蚀部件人们为提高其性能进行了大量的研究工作以适应益苛刻的摩擦磨损工况稀土素化学性质极为活泼几乎能与惰性气体以外的所有素相互作用它的强化作用在钢铁材料中已获得广泛的应用。但是稀土在C中作用的研究还不是很普遍开发应用的领域也不多。
本试验通过在C-A-N-F-M铝青铜中添加稀土C采用对比试验的方法研究了稀土C对C-A-N-F-M新型铝青铜显微组织和耐磨性的影响。旨在探讨稀土C在铝青铜中的作用获得适应苛刻的摩擦磨损工况的稀土强化新型铝青铜材料。
铝青铜特性的试验
试验原料采用工业纯C-A-N-F-M稀土C采用C-15C中间合金在中频感应炉中熔炼熔炼中严格控制各组的加入温度、加入顺序、加入量、加入方法和熔化速度并采取除氢、脱氧、精炼等措施。浇注进行含气性和弯曲角断口检验以确保获得合格的合金液。合金液在金属型中浇注并按技术要求取样及进行加工。
新型铝青铜材料耐磨性能
磨损试验在磨损试验机上进行用不同C含量的C-A-N-F-M-C铝青铜作为上试样与下试样40C淬火+低温回火组成摩擦副上下试样外径均为40MM转速分别为40O和36O试验润滑条件为用WA电梯油线滴润滑和干摩擦两种。磨损量的测量与计算方法:每个试样先跑合30经拆卸、洗净、烘干用精度为01的电子天平称量并作为初始质量随后每一个规定行程时间的磨损后就拆卸、洗净、烘干、称量一个行程后的质量差就是这一行程的磨损量任一磨损时间试样的质量与初始质量的差值即为这一磨损时间的磨损量。微观组织及磨损试样表面形貌观察分别在金相显微镜和扫描电镜上进行。
新型铝青铜材料试验结果与分析
一、C对铝青铜显微组织的影响
1、C对铝青铜显微组织的影响不同Ce含量的C-A-N-F-M-C铝青铜铸态组织合金的组织由白色的α相(以C为基的置换固溶体属面心立方点阵硬度:HV220-270)、黑色的β′相在金属型铸造条件下共析转变被抑制的过冷β相属密排六方点阵硬度:HV290-407、点状的k相AL志N、F、C的金属间化合物硬度HV≧650组成但可能由于C的加入量相对较少含C合金中未能发现C的化合物。
2、随着C含量的增加合金晶粒逐渐变小。采用平均截线法测定当C含量为005时晶粒尺寸以α相为对象比未加Ce时减小了15%但组织形态基本未变α相呈大块的片状;当C含量为015时晶粒尺寸比未加C时减小了55α相形态变得均匀、圆整β′相细小且分布均匀;当C含量为025时晶粒尺寸比未加C时减小了57这表明晶粒尺寸变化已经不大但此时α相均匀性下降角块状、细片状α增加β′相及晶界增粗。一般认为是较多C原子在此处的聚集造成晶界处原子错排更严重导致晶界粗化稀土致晶界粗化。
3、稀土C对铝青铜晶粒有较好的细化作用这是因为稀土CE与合金中的C、A等素形成细小的高熔点化合物其中一部分悬浮在熔体中并弥散分布在形核过程中成为非均质形核的核心;由于C-15C中间合金在熔体中熔解形成大量过冷微区增大了局部过冷度提高了形核率。
4、在晶体长大过程中富含稀土C的液相被长大的晶体推向晶界并在晶界处析出富C相通过阻碍晶界迁移和原子扩散而阻碍晶粒长大细化晶粒是提高材料强度与塑性的有效手段由于布氏硬度等压入式硬度与强度物理意义相所以对铝青铜晶粒有较好的细化作用这是因为:稀土C与合金中C、A等素形成细小的高熔点化合物其中一部分悬浮在熔体中并弥散分布在形核过程中成为非均质形核的核心。
二、C含量对铝青铜耐磨性的影响
1、不同稀土C含量铝青铜在200N载荷、WA电梯油线滴润滑条件下磨损量与磨损时间的关系。不同稀土C含量铝青铜在载荷200N干摩擦条件磨损05H的磨损量。试验表明无论是油润滑还是干摩擦条件下添加稀土C均明显地提高了材料的耐磨性当稀土C添加量为015时铝青铜耐磨性最好。这一结果证明金属的耐磨性受硬度及枝晶、晶粒大小的影响较大一般情况下晶粒越小的材质其耐磨性越好
2、WA电梯油线滴润滑条件下经过48H磨损后的4种试样表面形貌。C含量为015的试样表面基本保持磨粒磨损的犁沟形貌特征这是因为在摩擦过程中硬质相β′相和k相脱落存在于两试样接触面之间产生磨损由于晶粒细化使β′相细小形成的磨粒亦细小同时由于强度及硬度较高使犁沟边缘无堆积磨痕浅且较光滑平整所以磨损量小。其他3种试样磨损表面的犁沟均不同程度减少表面平滑在磨损方向有扭曲挤出现象。由于强度相对较低材料在磨粒方发生不同程度塑性流动并在压力的作用下在犁沟边缘堆积、挤出特别是未加稀土C的试样犁沟边缘已出现较严重撕裂现象呈较严重的磨粒磨损和疲劳磨损特征。
3、磨损试验结果表明无论是润滑磨损还是无润滑磨损稀土C的加入均能提高其耐磨性其中加入C含量为015时效果最佳。但是当C含量为025时铝青铜的耐磨性则呈下降趋势这主要由于晶界处过多聚集的、分布不均匀的稀土化合物降低了了铝青铜的力学性能及脆性的β′相增多所致。
铝青铜材料耐磨性能测试结论
1、稀土C有较强细化组织和提高铝青铜力学性能作用。随着C的加入铝青铜晶粒尺寸以α相为对象变小强度、塑性及硬度提高。当C含量为015时晶粒圆整、细小铝青铜强度、伸长率及硬度均达到最高分别为735MPA、34、145;但当C含量为025时尽管晶粒继续细化但作用减弱且伴随角块状、细片状α相增加β′相及晶界增粗力学性能降低。
2、稀土C能有效地提高铝青铜的耐磨性并与显微组织有较好对应关系。当加入稀土C后铝青铜的磨损量下降C含量为015时无论是干摩擦还是润滑摩擦铝青铜的耐磨性均表现最好。
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