工艺因素对CuZnAl(RE)形状记忆合金干滑动磨损性能影响.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年5 期 4 7 D O I 1 0 ．3 9 6 9 ／J ．i s s n ．1 0 0 7 - - 7 5 4 5 ．2 0 1 1 ．0 5 ．0 1 2 工艺因素对C u Z n A l R E 形状记忆 合金干滑动磨损性能影响 司乃潮1 ，刘光磊1 ，司松海2 ，徐桂芳1 ，李玉祥1 1 ．江苏大学材料科学与工程学院，江苏镇江2 1 2 0 1 3 ； 2 ．镇江忆诺唯记忆合金有限公司，江苏镇江2 1 2 0 0 9 摘要采用不同热处理工艺、不同载荷、不同磨损时间对两种成分 不同相变点 的C u Z n A l R E 形状记 忆合金进行了于滑动磨损试验。用T E M 和X R D 对磨损表面和合金相组成进行了观察与检测。试验 结果表明时效处理的合金耐磨性能优于分级淬火处理的合金，合金相变温度对磨损性能的影响受摩擦 副温度与载荷的制约，随载荷增加合金翅性变形增大，使合金表面层破坏而失重，外应力越大，合金理性 变形越大，磨损失重也越大。形状记忆效应和超弹性以及合金的晶粒细化能够明显提高C u Z n A I R E 形状记忆合金的耐磨性。 关键词C u Z n A l R E ；形状记忆合金；耐磨性；晶粒细化；马氏体相变 中图分类号T G l 3 9 ．6文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 1 0 5 0 0 4 7 0 6 E f f e c to fT e c h n o l o g yo nD r yS l i d i n gW e a rP r o p e r t i e so f C u Z n A IS h a p eM e m o r yA l l o y S IN a i c h a 0 1 。L I UG u a n g l e i l ，S IS o n g h a i 2 ，X UG u i f a n 9 1 ，L IY u x i a n 9 1 1 ．S c h o o lo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，J i a n g s uU n i v e r s i t y 。Z h e n j i a n g2 1 2 0 1 3 C h i n a 2 ．Z h e n j i a n gI n n o vA l l o yC o ．L t d ．，Z h e n j i a n g212 0 0 9 。C h i n a A b s t r a c t T w ok i n d so fC u Z n A l R E s h a p em e m o r ya l l o y s w i t hd i f f e r e n tp h a s e - t r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e s w e r et e s t e di nt h ec o n d i t i o no fd r ys l i d i n gu n d e rd i f f e r e n tl o a d s 。t e s t i n gt i m e sa n dh e a t - t r e a t m e n t s ．T h e w o r ns u r f a c eo ft h ea l l o ya n di t sp h a s ec o n s t r u c t i o nw e r eo b s e r v e db yT E Ma n dX R D ．T h er e s u l t si n d i c a - t e dt h a tt h ew e a rp r o p e r t yo fC u Z n A I R E a l l o ya f t e ra g e i n gw a sb e t t e rt h a nt h a t o ft h ea l l o y st r e a t e db y s t e pq u e n c h i n g ．T h ew e a rp r o p e r t yw h i c hw a se f f e c t e db yp h a s e - t r a n s i t i o nt e m p e r a t u r eo fC u Z n A I R E a l l o yw a sr e l a t e dt ot h et e m p e r a t u r eo fr u b b i n gc o u p l e sa n dl o a d s ．T h ep l a s t i cd e f o r m a t i o no fa l l o y sw a se n l a r g e dw i t ht h ei n c r e a s eo fl o a d sw h i c hc a u s e dt h es u r f a c ed a m a g ea n dt h ew e i g h tl o s so ft h ea l l o y s ．T h e w e a rr e s i s t a n c eo fC u Z n A l R E s h a p em e m o r ya l l o y sc o u l db ei m p r o v e do b v i o u s l yb yt h es h a p em e m o r y e f f e c t ，h y p e r e l a s t i c i t ya n dg r a i nr e f i n e m e n t ． K e yw o r d s C u Z n A I R E ；S h a p em e m o r ya l l o y ；W e a rr e s i s t a n c e ；G r a i nr e f i n e m e n t ；M a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o n 在C u 基形状记忆合金方面，人们关注较多的 是合金的形状记忆机制、原理及热弹性马氏体、形状 记忆效应与马氏体稳定化、晶粒细化、力学性能 等n _ 4 。，而对C u Z n A I 形状记忆合金的磨损性能的 报道不多。国内一些研究普遍认为- 8 3 ，传统材料 的硬度和加工硬化等机械性能直接决定材料的耐磨 基金项目江苏省科技硬中小企业技术刨新资金项目 B C 2 0 0 7 1 4 4 ；镇江市工业科技攻关项目 G Y 2 0 0 7 0 2 3 作者简介司乃潮 1 9 5 5 一 ，男．浙江杭州人．教授，博士生导师． 万方数据 4 8 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年5 期 性。工况不同时，这些机械性能指标对材料耐磨性 的影响也不同。而马氏体的择优取向和超弹性效应 使得形状记忆合金具有良好的耐磨性。关于影响 C u Z n A l 形状记忆合金耐磨性的工艺因素的报道不 多。对于采用复合R E 细化方法提高了C u Z n A l 形 状记忆合金的机械性能和防止马氏体稳定化【9 叫0 。， 本课题组研究了C u Z n A I 形状记忆合金的滚动磨损 性能L I 卜1 2 ] 。在干滑动磨损条件下，不同热处理工 艺、载荷、磨损时间和相变温度对C u Z n A l 形状记忆 合金磨损性能的影响等研究都未曾有过报道。本文 选择采用R E 复合细化、机械性能有较大提高之后 的C u Z n A I 形状记忆合金作为研究对象，探讨该合 金在一定条件下的磨损状况和规律，对其磨损机理 作一些分析。 1 试验条件及方法 试验采用以电解铜、0 8 锌和0 0 8 铝为原材料， 经中频感应电炉熔炼，加入0 ．0 8 ％的复合细化剂 R E ，浇注成①8 0m m X1 5 0m m 的铸锭，退火处理是 加热到8 2 0 ℃保温2 4h 后随炉冷却，然后去除表面 2 “ - - 3m m 的脱锌层，再锻打至1 1m m 厚的板材。相 变点测试采用自制的电阻一温度测试装置，磨损试验 采用M M 一2 0 0 磨损试验机，称重采用万分之一光 电天平，测温采用C T S R 型固定式红外测温仪。 相组成分析采用D 一5 0 0 0 X 衍射仪，磨屑进行X 衍 射试验时，先压成薄片再进行。磨损面观察采用 J A X 一8 4 0 0 扫描电镜和M M 6 卧式显微镜。合金热 处理工艺分为两组第一组8 5 0 ℃ 1 5 0 ℃ 1 0 0 ℃ 5 0 ℃时效热处理；第二组8 5 0 ℃ 1 5 0 ℃ 1 0 0 ℃ 分级淬火。通过这样的热处理工艺可以防 止合金发生马氏体稳定化L l3 。。对磨件采用①4 6 r a m 1 0m m 的4 58 钢环，钢环经淬火、回火处理 后，H R C 为5 2 ．5 ～5 3 ．5 ，磨损试验期间室温在2 5 “ - “ 3 5 ℃，每组试验数据均经过2 ～3 轮的磨损试验。 合金化学成分采用两种，一种相变点M 。为1 6 ～2 4 ℃，另一种为6 4 , - - ．7 4 ℃ 表1 。 表l 试样相变温度 T a b l e1T h es a m p l e sp h a s et r a n s f o r m a t i o n t e m p e r a t u r e ／℃ 2试验结果 2 ．1 热处理工艺对合金磨损性能的影响 热处理工艺对C u Z n A l R E 形状记忆合金的室 温相组成有影响。X R D 结果表明，8 5 0 ℃ 1 5 0 ℃ 5 0 ℃时效热处理的合金，室温组织全部是M 1 8 R 马氏体；而8 5 0 ℃ 1 5 0 ℃分级淬火热处理的合金， 室温组织以M 1 8 R 马氏体为主，加少量的D O 。p 相， 合金的室温组织不同对合金的磨损性能会产生一定 的影响。表2 为高温相变合金在不同载荷作用下不 同磨损时间内的失重测试结果，表中未经过热处理 合金的成分与高温相变合金相同。 表2 不同热处理工艺条件下高温相变合金在不同载荷下的磨损失重 T a b l e2W e a rl o s tw e i g h to fh i g hp h a s et r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea l l o y u n d e rd i f f e r e n tl o a da td i f f e r e n th e a tt r e a t m e n tp r o c e s s ／m g 表2 数据表明，在1 9 ．6N 载荷的作用下，环境 温度中，摩擦副之间基本没有温升，因此合金的室温 组织基本不变。同样成分的合金，形状记忆合金的 ’耐磨性要优于未处理的普通合金。同样的保温时效 温度，时效处理的形状记忆合金其耐磨性要优于同 样条件下分级淬火处理的合金，这是因为1 5 0 ℃时 效处理的合金其组织全部为M 1 8 R 马氏体。1 0 0 ℃ 与1 5 0 ℃时效处理的同样热处理方式的合金耐磨性 相差不大，这与它们在常温下的室温组织基本相同 是一致的。由此可以得出1 9 ．6N 载荷下，R E 细化 后的C u Z n A l 合金不仅可以提高机械性能与防止马 氏体稳定化，同时也能提高耐磨性，M 相比口相耐 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年5 期 4 9 磨，形状记忆合金的耐磨性优于同种成分的普通铜 合金。 4 9N 载荷下，合金磨损过程中温度虽有所上 升，但温升不超过4 0 ℃。表2 的试验结果表明未 经热处理的C u Z n A I R E 合金的耐磨性不如其它相 同成分的形状记忆合金；时效处理的合金耐磨性优 于分级淬火，这与1 9 ．6N 条件下得出的结论是一样 的。随磨损时间的增加，1 5 0 ℃保温时效处理的合 金耐磨性优于1 0 0 ℃保温时效处理的合金，这一点 与1 9 ．6N 下合金的磨损规律有差别，这是因为1 5 0 ℃保温时效处理的合金得到的全部是马氏体组织， 组织为有序分布，1 0 0 ℃保温时效处理的合金得到 的组织中有少量B 组织，当载荷较小时，这两种时效 处理方法对耐磨性反映不敏感。1 0 0 ℃分级淬火与 1 0 0 ℃时效处理的合金，由于两者淬人油中的温度 相差不如1 5 0 ℃保温时效处理时大，因此两者形成 的马氏体量相差不是很大，所以两者的磨损性能相 差不是很大，在4 9N 干磨损试验时温度有所上升的 情况下，时效处理的合金耐磨性优于分级淬火，但差 别没有1 5 0 ℃保温时效时大。 1 4 7N 载荷下，在相同的磨损时间内，合金材料 的失重比4 9N 载荷下的失重要多，这是由于载荷变 化引起的。此载荷下，合金材料摩擦生热很快，摩擦 副温升迅速，温升在7 0 ℃以上，一般在8 5 ℃左右。 由表2 可看出，1 5 0 ℃分级淬火与1 5 0 ℃时效处理 的合金在同样的磨损时间内磨损失重相差不多。但 时效处理略优于分级淬火。而1 0 0 ℃时效处理的合 金，随磨损试验时间的增加，两者之间差距加大，到 1h 时两者相差最大，随后随着磨损时间的增加，两 者之间的差距缩小。这与摩擦副间的温升有关，随 着温度升高，M 相转变为8 相，在同样的载荷下，磨 损失重量相差不大。1 4 7N 载荷下，未经过热处理 合金的耐磨性优于1 5 0 ℃时效处理的合金，而差于 1 0 0 ℃时效处理的合金，这与1 9 ．6N 和4 9N 载荷 作用下其磨损性能最差有较大的区别。由此可见， 较大载荷作用下摩擦副的温升对合金的磨损性能有 直接的影响。一旦磨损条件复杂，合金的磨损规律 也就变得复杂起来。 由于随载荷的增大，磨件温度上升，磨损条件变 得复杂起来，合金磨损失重的规律与无温升或温升 不大时的失重规律相比发生了变化。在试验过程 中，我们曾把载荷增加到9 8 0N ，在这种条件下，合 金经3m i n 磨损试验后，合金表面温度达到3 7 0 ℃。 在用扫描电镜观察合金磨损表面时，除看到一般的 剥离和犁沟现象外，还发现合金摩擦表面有晶间断 裂。C u Z n A l 形状记忆合金中存在着o 、S 等有害元 素，加入复合稀土后并不能完全去除，这些少量有害 元素的化合物聚集在晶界，削弱了晶界的结合力。 在应力的作用下，这些薄弱处首先产生裂纹，应力诱 发马氏体相变不足以抵消此处的应力，因此裂纹扩 展，从而产生沿晶脆性断裂。由此可见，磨损过程是 一个多因素综合作用的过程，合金失重受多因素控 制。 2 ．2 相变温度对合金磨损性能的影响 C u Z n A I R E 合金的相变温度与成分密切相 关，同时受热处理工艺的影响。本文研究的高温相 变点的合金在常温下以M 相为主，而低温相变点的 合金在常温下以母相8 相为主，两者的常温组织不 同对磨损性能的影响不同。图1 为不同载荷作用下 合金相变温度与磨损性能关系。 由图1 a 可看出，1 9 ．6N 载荷作用下，摩擦副间 无温升，在短距离内，由于受外界的影响较大，同种 热处理工艺，高低温相变合金的磨损规律不太强。 随着磨损时间的增加，高温相变合金的耐磨性要优 于低温相变合金，即M 相比8 相耐磨，同种合金时 效处理的试样耐磨性优于分级淬火。因此，摩擦副 无温升条件下，合金M 相比B 相耐磨。由图1 b 可 以看出，在4 9N 载荷下，高温相变合金不论是时效 处理还是分级淬火处理都比低温相变合金耐磨，且 随磨损时间的增大，差距越发明显。由前面的分析 可知常温下高温相变合金分级淬火与时效处理后耐 磨性有差异的原因。而对于低温相变合金，常温下， 理论上应全部为p 相，但在实际试验中还会形成部 分的M 相。时效处理的合金中所含的M 相多于分 级淬火中所含的M 相，因此前者比后者耐磨。在 1 4 7N 载荷下，摩擦副迅速升温，温度在7 0 ℃以上。 合金的组织在此种情况下会发生变化，组织的变化 必然影响到合金的磨损性能。由图l c 可看出，不论 是低温相变合金还是高温相变合金，时效处理的合 金耐磨性好于分级淬火，这一点与1 9 ．6N 条件下的 磨损规律相一致。但同样的热处理工艺，低温相变 合金的耐磨性优于高温相变合金。在1 4 7N 载荷 下，摩擦副迅速升温，使M 相转变为B 相，同时又有 少量应力诱发马氏体相变，但它们之间不可能是一 样的。再者，分级淬火处理的合金热滞较大，热滞是 马氏体正转变和逆转变过程中的摩擦阻力，是一个 消耗能量的过程。因此，分级淬火处理的合金发生 相变时，消耗的能量大于时效处理的合金。合金在 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年5 期 这种复杂条件作用下，其磨损规律与196N 、4 9N载荷作用下的磨损规律有较大差别 _ - H i n ⅧⅢp ㈣ 一。 1 Ⅳ●t ㈣“ q - H l n l 目■∞嘶p } 糍酬“ l | 止’呻q ∞㈣l ⋯H i g h ㈣ I Y ℃⋯a S d n g 廿L 删∞m F ～衄u f d ㈣曲“ 1 日r c w c * №B 围1 合金相变温度与磨损失I 的美景 F i g ．1 T h em l a t i o n s h i pb e t w e e nt r a n s f o m a t i o nk m Ⅳn t ⋯e n drI ∞tw e i g h t 2 ．3 藏荷对合金塑性变形的影响 前面的试验结果表明，载荷越太、磨损时问越 长，合金的失重就越太。合盒在外应力作用下，首先 产生弹性变形．这种变形是可恢复的，外力一旦撤 去，合金就恢复原样。当外应力超过一定的数值 m 后，合金产生塑性变形，载荷越大，塑性变形程 度越高。图2 为合金经2h 磨损试验后的合盒横断 面的塑性变形形貌。由照片可看出，在1 4 7N 载荷 作用下．合金的塑性变形量要太于4 9N 载荷作用下 台金的塑性变形量。离磨损表面距离越远，变形量 越小。塑性变形是合金失重的一个重要原园。塑性 变形过程产生的位错会堆积，形成镦裂纹，在外应力 的继续作用下，徽裂纹扩展，使台金表层破坏而失 霞。 圈2 不同载荷台盒的塑性变形形貌 F i g , 2 T h ep l a s t i cd e f o r m a t i o np a l t 唧o fa l l o y su n d e rd i f f e 咖tl o a d 3 形状记忆舍金耐磨性分析 任何两个紧密接触而相对滑动的摩擦副都可以 看戚是徽凸体之间的接触。C u Z n A I R E 形状记忆 合金的马氏体具有不同于1 ．般金属材料的形状记忆 性和超弹性，形状记忆合金的这种特性可以改善徽 凸体的接触状态。形状记忆台盘的马氏体在接触应 力作用下发生马氏体变体的择优取向．接触表面产 生可回复的形状记忆变形，应力去除井对材料加热 到A r 点吼上，变形又会消失。形状记忆合金的8 母 相在应力作用下可发生应力诱发马氏体相变．表现 出恒应力下的超弹性，应力去除，变形回复。这种可 珊瑚蝴瑚㈨m j }、●g m ㈣∞∞Ⅲo }～目∞ 帅洲驯㈣㈣o }～■Ⅲ罩* 万方数据 有色盘届 冶炼部分 2 0 1 1 年5 期 №I 复的形状记忆坐形和超弹性小会引起火重，却大 大增加了实酥接触面粤{ ．降低了接触应力，或战小了 螭性变形体积。} 氏体组纵在发生逆棚变时．还能 吸收摩攘生热，降低裘面温度，减少过热引起材料的 粘着和转移，从而提高含金的耐廓性。这种特．f 『的 摩攥加热相变是马氏体耐磨性优于口剌的重要原 田。 形状记忆变形和超弹性变形还对弧表面裂纹的 形成和扩艇巽右抻槲作用。对于一般，5 寸料．捌对滑 动微凸体前方基体处于甥性压缩状态．压应力无助 于裂纹的形成和扩展t 而后方基体处于弹性} 证应力 状态，拉应力使裂纹尖端应力集中并扩展．对于 C u Z n A l 形状记忆台盒来说．情况就不同了。对于 已形成的弹性区裂纹，尖端处象中的麻力．封弓氏体 可发生择优取向反应．从而碱少裂纹尖端区域的应 力集中- 降低鄂里的应变能．饨化r 裂纹．使裂纹的 扩展受到抑制。裂纹尘端钝化作用的马氏体的掸优 取向机制和J 直力诱发马氏傩机制可以降低材料的剥 离磨损，从而使形状记忆台金具有良好的耐磨性。 晶粒细化是C u Z n A I R E 形状记忆合盘耐磨性 提高的卫哪索。稀土的加入．不但消除丁杂质的 危害．净化r 幕体和品界．而且形成的高熔点物质． 在凝闻初期起肆质品核作j Ⅱ，在凝同中、后期机械地 阻碍晶粒长大．细化，晶粒。图铀和3 b 分别为未 细化处理和稀上细化址理的组织，可咀看出稀土细 化处理后．组织明显细化。从图3 c 刚显看到晶界处 有析出物 从而阻碍品齄长大。由于品转细小，所以 晶界接触面軎{ 坩大．界瓶能量高．金具有鞍高的屈 服强度，在同样的应力条件下，台盘的糍性变形程赝 小，使台台有较好的耐磨性。同时．稀土与其它基体 元素发生反府生成的物质起微台金他的作用。在井 加应力下，合盘发生塑性变形时，晶界需绕过这些细 小的粒了．从而需要更大的驱动力．遮就提高了合金 抵抗变形的能力．提高台盘的耐磨性。阿样．在外加 应力下，太晶粒的位错塞积所造成的应力集中激发 相邻晶粒发生塑性变形的机会比小品丰j _ 大得多。小 品粒的应力集中小，则需较大的外加血力下_ 能使 扣邻曲牲发生蛾性变形。造就意味着品粒的细化． 吐小r 戊力集中，减小r 裂纹产生的概率．提高了台 金抗塑性变形的能力．也即提高了台金的耐磨性。 4 结论 a - 米目m “ 目 I O O l b r R E 目化* 日 1 0 0 【 c 镕mR E 目8 t ∞* ＆目 田3 台金盒相组织 H m 3M 咖t r 毗t Ⅱmo fa l l o t s a ，W i l h o u lg r a i a i e [ i n i n g t r c a t m e n l 1 0 0 ；‘b Tr e a t e dw i t hg r o i nr e f i n e ro fR E f l 0 0 x { c P h ⋯⋯m l e do u l { Ig l a i n b u n d a r l e sw i t h t h ea d d 】1 i o no fR E 1 在无温升或温升不大的情挝r ．相同成分． C u Z n A l R E 形状记忆台盘的耐磨性优于普通锕合 金．C u Z n A I R E 形状记忆台盘M 相比D 耗耐磨。 热处理工艺对合金的磨损性能盲影响．时效处理的 台金耐l } f 性优于分缀淬火； z 相交温度对合叠的彤响是摩擦副无温升， 时技处理的台金酎麝性优于分级淬火；摩擦剐温升 低于4 0 ℃．高温相变合金耐磨性优于低温相瘦台 盒；摩擦科报升大于7 0 ℃．同样热处理T 艺．低温相 变台金耐磨性优千高温相变合台。外应力越大．合 金埋性变形越太．磨莓1 失重也越大。 毒考文献 [ 1 jD O N GG u ⋯．C - UN a | r j u ．W A NGB a “q LI m ㈣ o n 嗣c u ] a l i e no f ⋯s 他№曲咖m 刊o g I 刊t h ￡o r 7 口] P r o g r 螂●nN u 哪辅∞c e t2 。0 3 1 3 ， 5 3 2 - - 5 3 5 [ 2 ] G UN a “1 ”．I x N GG u i L I NX i a 十p i n g ＆∞n td } “ l o p m e n tmc r y s I M I o g r a p h i ci n v ．1 ‘g Ⅲi o no fm a n e n 5 I l _ i cI r a n s k r m a o l o n [ J ] Pr o g [ e s sl nN ’u ”1 ＆{ e n c e 下转第5 5 面 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年5 期 5 5 参考文献 [ 1 3 稀有金属材料加工手册编写组．稀有金属材料加工 手册[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 8 4 ． [ 2 ] 屈乃琴，陈久录．钽及钽合金的应用[ J ] ．世界有色金 属，1 9 9 9 5 3 7 4 1 ． [ 3 ] 胡忠武，李中奎，张廷杰，等．钽及钽合金的新发展和应 用[ J ] ．稀有金属与硬质合金，2 0 0 3 ，3 1 3 3 4 3 6 ． [ 4 ] 魏忠梅，杨明杰，李麦海．冷压一轧制工艺对钽板组织与 性能的影响[ J ] ．稀有金属与硬质合金，2 0 0 0 3 1 4 1 7 ． [ 5 ] 胡亚明，何怀波，牟小云，等．摆动辗压工艺及模具设计 [ M ] ．重庆重庆大学出版社，2 0 0 1 ． 上接第5 1 页 [ 3 ] 张进。林晓娉，王宏伟，等．C u - 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