銅鉻合金的摩擦磨損性能

銅鉻合金的摩擦磨損性能

由于良好的電、導(dǎo)、電、耐、耐、耐，銅鉻合金目前廣泛應(yīng)用于能源、電子、機(jī)械、原子能等行業(yè)。高銅含量的銅鉻合金主要用作真空開(kāi)關(guān)管和高壓電器開(kāi)關(guān)中的觸頭材料、集成電路引線框架、電力機(jī)車架導(dǎo)線、電動(dòng)機(jī)集電環(huán)、電工插頭和開(kāi)關(guān)等。此外,該類合金還被用于制作散熱元件如連鑄機(jī)結(jié)晶器內(nèi)襯以及耐磨材料在軸承、螺栓等中的使用。人們對(duì)銅鉻合金的研究主要集中在該類合金的制備方法,合金的微觀組織及性能的強(qiáng)化等方面。對(duì)該類合金的摩擦磨損性能特別是高銅含量觸頭材料的研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道。熔滲法和混粉壓燒法是這類合金最常用的兩種制備方法。目前一般認(rèn)為這兩種工藝生產(chǎn)的銅鉻觸頭材料技術(shù)性能差別不大,但由于固結(jié)方式不同其微觀結(jié)構(gòu)存在一定的差異。本文作者擬對(duì)這2種工藝制備的銅鉻觸頭材料的摩擦磨損性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,考察其微觀結(jié)構(gòu)的差異對(duì)其摩擦磨損性能的影響規(guī)律,同時(shí)也為更合理地選用該類材料提供相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和參考依據(jù)。1摩擦磨損hv49的檢測(cè)分別采用熔滲法和混粉壓燒法制備實(shí)驗(yàn)用的銅鉻觸頭材料,粉料和燒結(jié)工藝參數(shù)均由浙江省冶金研究院有限公司提供。燒結(jié)后實(shí)驗(yàn)樣品的成分Cu含量為48%～52%,其余為Cr,導(dǎo)電率大于16MS/m。采用數(shù)字式智能顯微硬度計(jì)測(cè)得的平均硬度為:熔滲法合金HV125,混粉法合金HV94。采用DWT-100電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)得的兩種銅鉻觸頭材料的強(qiáng)度:熔滲法合金為890MPa和混粉法合金為780MPa。摩擦磨損實(shí)驗(yàn)在MMW-1型銷-盤式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。上試樣為銷,采用熔滲法制造的銅鉻合金,尺寸為d4mm×15mm,為保證實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)一性,銷的端部加工成半徑為4mm的球形;下試樣為盤,為實(shí)驗(yàn)材料,直徑為30mm。測(cè)試過(guò)程中盤試樣固定不動(dòng),銷試樣作圓周運(yùn)動(dòng),銷的轉(zhuǎn)速在本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中固定為180r/min,磨損半徑為4mm(約75mm/s)。摩擦系數(shù)和磨損載荷等參數(shù)直接由計(jì)算機(jī)采集記錄。實(shí)驗(yàn)載荷分別為20N和40N。實(shí)驗(yàn)前所有樣品表面均拋光至鏡面。實(shí)驗(yàn)樣品每磨損5min稱量其磨損質(zhì)量損失。在精度為0.01μg分析天平上稱量試樣的磨損質(zhì)量損失,取3次平均值。磨損條件為室溫大氣環(huán)境。采用日本電子公司生產(chǎn)的JSM-5610LV型掃描電鏡觀察磨損試樣的表面形貌。2結(jié)果與討論2.1載荷對(duì)摩擦學(xué)性能的影響圖1和圖2所示為2種銅鉻觸頭材料在不同載荷條件下其摩擦系數(shù)隨位移變化的關(guān)系。從圖可見(jiàn),2種銅鉻觸頭材料的摩擦系數(shù)在磨損起始階段隨位移的增加單調(diào)上升,其后其摩擦系數(shù)漸趨穩(wěn)定。載荷較大時(shí)其初始階段的摩擦系數(shù)上升較快。2種合金的摩擦系數(shù)總體相差不大,其平均摩擦系數(shù)在0.32～0.36之間。隨著載荷的增加其摩擦系數(shù)上升,但增加的幅度不大。磨損的初始階段,材料表面由于存在各種污染物如氧化物等,同時(shí)由于接觸面較光滑等原因使其摩擦系數(shù)較低,這與文獻(xiàn)所觀察到的現(xiàn)象相似。隨著磨損的進(jìn)行,其摩擦系數(shù)逐漸上升,同時(shí)由于接觸表面加工硬化使接觸表面的硬度逐漸增加并趨于穩(wěn)定,最終結(jié)果將導(dǎo)致摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定。在本研究中由于2種銅鉻合金的銅含量較高(約50%),硬度比較低,低載荷條件下,材料的磨損機(jī)制主要為粘著和微切削磨損。隨著載荷的增加,在剪切應(yīng)力反復(fù)作用下磨損表面層發(fā)生硬化、破裂、剝落,材料的磨損機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＣ撀浼皦K狀剝落磨損為主,導(dǎo)致材料的摩擦系數(shù)增加。即便是載荷不變,隨著磨損圈數(shù)的增加,材料的磨損表面在銷子的反復(fù)碾壓下其加工硬化程度也將逐漸增加,同時(shí),在磨損表面也會(huì)出現(xiàn)因接觸點(diǎn)溫度升高形成氧化現(xiàn)象,兩者的共同作用使得材料的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)出總體下降趨勢(shì)。2.2銅鉻合金的摩擦學(xué)行為根據(jù)經(jīng)典的粘著磨損理論和Kato的研究表明,金屬材料的磨損率與材料的硬度成反比,與載荷成正比,同時(shí)與材料的磨損破壞機(jī)理相關(guān)。圖3和4所示為混粉法和熔滲法制備的銅鉻觸頭材料磨損質(zhì)量損失與磨損距離之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)條件為:磨損半徑4mm,銷的轉(zhuǎn)速180r/min,每磨損5min稱量一次質(zhì)量損失(即每滑動(dòng)900圈的質(zhì)量損失)。從圖中可見(jiàn),隨著載荷的增加其磨損質(zhì)量損失增加。在起始階段,其磨損質(zhì)量損失較大,隨著磨損距離的增加其磨損質(zhì)量損失逐步減少并趨于穩(wěn)定。在起始階段,銷與盤的接觸面積比較小,磨損接觸區(qū)域承受較大的壓力,此時(shí)的磨損機(jī)理主要以微切削和粘著磨損為主,在磨損表面形成明顯的溝槽,使得材料的磨損質(zhì)量損失較多。Kato等認(rèn)為磨銷嵌入基體越深其材料的磨損率越大。本實(shí)驗(yàn)從一個(gè)側(cè)面征實(shí)了這一結(jié)果。隨著滑移距離的增加和銷子對(duì)磨損表面的反復(fù)碾壓使得磨損表面出現(xiàn)加工硬化并伴隨著磨粒的形成,使得銷子侵入基體的深度減少,導(dǎo)致其磨損率降低并趨于穩(wěn)定。圖5和6所示為2種方法制備的銅鉻合金在載荷分別為20、40N時(shí)的磨損質(zhì)量損失與磨損距離的關(guān)系。載荷為20N時(shí),熔滲法磨損質(zhì)量損失最大,混粉法最小;載荷為40N時(shí),結(jié)果則相反。文獻(xiàn)顯示基體組織、第二相、晶粒及內(nèi)部缺陷是影響合金耐磨性的重要因素。室溫下銅鉻合金是一種偽合金,混粉法制備的銅鉻合金中銅是連續(xù)相,鉻為分散相。熔滲法制備的銅鉻合金中鉻呈網(wǎng)狀連續(xù)分布,銅滲入其中。由于2種合金的銅含量較多,低載荷時(shí),其磨損失效機(jī)制都表現(xiàn)為塑性的微切削和粘著磨損機(jī)制。對(duì)于熔滲法制備的銅鉻合金,當(dāng)脆性的連續(xù)相在犁耕的作用下受到破壞時(shí)易從表面脫落,同時(shí)脫落的顆粒會(huì)形成三體磨粒磨損,使材料的磨損進(jìn)一步加重;對(duì)于混合粉法制備的銅鉻合金而言,雖然磨損變形嚴(yán)重但由于在磨溝兩側(cè)形成隆起且不易脫落,同時(shí),脫落的硬質(zhì)磨屑個(gè)頭較小,結(jié)果導(dǎo)致其磨損質(zhì)量損失反而較低。高載荷時(shí),2種銅鉻合金的磨損失效主要表現(xiàn)為表面硬化層的剝落或顆粒簇的剝落。對(duì)于混粉法制備的銅鉻材料而言,在磨銷的反復(fù)碾壓作用下,磨溝底部由于加工硬化導(dǎo)致層狀的剝落。對(duì)于熔滲法制備的合金,一方面由于其具有較高的硬度,可以承受較高的載荷;另一方面其磨損失效主要表現(xiàn)為顆粒簇的剝落,與層片狀的剝落相比塊頭較小,同時(shí)脫落的碎片在高載荷作用下易焊接在磨損表面導(dǎo)致其磨損質(zhì)量損失較低,但總體上與混粉法相差不大。2.3混粉法制備的銅鉻合金的磨損形貌根據(jù)疲勞磨損理論和剝層磨損理論,在循環(huán)應(yīng)力的反復(fù)作用下磨損接觸區(qū)材料發(fā)生塑性變形,當(dāng)其積累到一定程度時(shí)將導(dǎo)致開(kāi)裂現(xiàn)象并形成磨屑。同時(shí)由于工況條件、材料的組織性能差異以及磨損的不同時(shí)段,材料的失效表現(xiàn)為不同的形式如粘著、微切削、剝層、犁耕等。對(duì)于金屬材料而言,滑動(dòng)磨損首先引起基體材料的流失,使內(nèi)部的增強(qiáng)相或夾雜物暴露于磨損表面。其次,連續(xù)的塑性變形、應(yīng)變硬化以及磨損表面或亞表面的孔洞、位錯(cuò)的集中形成裂紋的共同作用使增強(qiáng)相或夾雜物與基體分開(kāi),并最終影響到其具體的磨損破壞形式。圖7和8所示為2種合金磨損的SEM表面形貌。從圖7(a)中可以觀察到對(duì)于混粉法制備的銅鉻合金在載荷為20N時(shí)其磨損的主要特點(diǎn)有:磨損表面有明顯的淺犁溝、微裂紋以及由于塑性變形產(chǎn)生的滑移舌和薄片狀的磨屑黏附在磨痕表面上。隨著載荷和磨損滑動(dòng)距離的增加磨損表面層的加工硬化現(xiàn)象加重(圖7(b)),表現(xiàn)為滑移軌跡上有更多的微裂紋,塑性變形更嚴(yán)重,層片狀磨屑增多,使其磨損機(jī)理逐漸由粘著和微切削磨損轉(zhuǎn)變?yōu)橐员∑瑺畹膭兟錇橹?這些現(xiàn)象與文獻(xiàn)的研究結(jié)果相似。淺的犁溝主要為鉻顆粒的脫落變?yōu)槟チＰ纬傻?。圖8所示為熔滲法制備的銅鉻合金的摩擦磨損形貌。在20N載荷時(shí)(圖8(a))其磨損形貌與同樣條件下混粉法制備的合金相似,但磨痕上的犁溝更深更寬,表層的剝落更嚴(yán)重,導(dǎo)致其磨損率更大。從圖8(b)中可以觀察到40N載荷時(shí)磨痕表面較光滑,磨痕底部出現(xiàn)了顆粒簇的脆性剝落現(xiàn)象,基本為球形,尺寸明顯小于圖7(b)中剝落片。電鏡觀察表明這種較大面積的顆粒簇剝落并不是一個(gè)普遍現(xiàn)象,使得高載條件下熔滲法合金的磨損率略小于混粉法合金的磨損率?？傊?在本實(shí)驗(yàn)條件下,熔滲法與混粉法2種工藝制備的合金其磨損破壞的形式基本一致。上述的觀察分析表明:雖然2種合金的化學(xué)成分基本相同,但由于其制備工藝的不同導(dǎo)致其微觀組織的差異,致使其磨損破壞的細(xì)節(jié)產(chǎn)生差異。低載荷時(shí),混粉法合金表現(xiàn)為更為明顯得塑性變形;高載時(shí)熔滲法表現(xiàn)為較多的脆性剝落。混粉法合金中鉻為顆粒狀的分散相,熔滲法合金中鉻為網(wǎng)狀的連續(xù)相。磨損過(guò)程中剝落的鉻顆粒在混粉法中較小且大小均勻形成淺而均勻的溝槽;在熔滲法合金中剝落的鉻顆粒大小不均形成深淺不一寬窄不同的磨溝并在高載荷出現(xiàn)較大區(qū)域的脆性剝落。同時(shí)隨著磨損滑移距離的增加以及載荷的不同使其磨損破壞的形式和機(jī)理產(chǎn)生一定的差異并最終影響到其磨損率。3載荷對(duì)銅鉻合金磨損特性的影響在本實(shí)驗(yàn)條件下,同一載荷穩(wěn)定磨損階段時(shí)2種銅鉻觸頭材料的摩擦系