滲硅

銅合金滲硅層在實驗室試驗中,反映出很好的耐磨性。那麼,銅合金摩擦件滲硅後能否經受住各廠礦現場苛刻條件的挑戰。大量的應用實踐作了肯定的答覆。但是,滲硅處理之所以能提高耐磨性的機理,尚未見到有關的報導。對此進行論述和分析,作為在選擇更確當的元素和改進化學熱處理工藝,進一步提高銅合金摩擦件表面性能時的參考。

由於機械零件使用壽命延長,不僅節約了很多銅合金材料,而且減少維修,贏得了開機生產的時間,由此各使用廠都取得了顯著的經濟效益 ^[1]  。

360冷軋機軋輥材料為滾動軸承鋼,經熱處理,輥頸硬度大於45HRc。經一週服役後,發現輥頸表面有銅粒子粘附。在軸瓦(材料為ZCu Sn 10P1)上,沿旋轉方向取樣做磨片,用金相顯微鏡可見到磨屑的形成和剝離過程。材料在法向載荷和摩擦力的作用下,表層產生了胞狀結構,胞壁幾乎平行於表面,其平行度隨遠離表面而減弱。胞狀結構層的厚度約190μm,隨載荷的大小而變化。

在摩擦表面上,沿胞壁產生了裂紋核,並沿着胞壁擴展。磨屑分離前的裂紋尾部已存在一些分散裂紋,當裂紋連接時就和母體分離,形成磨屑,磨屑的厚度約50μm。由此看來,磨損磨屑的形成與疲勞裂紋的成核、擴展是很相似的。

銅合金滲硅層的組織,由T相和Cu5 Si相組成,為ZCu Sn 10P1滲硅層在上述同一軋機上服役,經受摩擦磨損後的組織。它由先共析Cu5 Si加共析體組成。表層處的共析體在摩擦力和法向載荷作用下產生剪切變形,共析體團中的T相和Cu5 Si 相都沿着摩擦力的方向產生彎曲,有部分Cu5 Si被剪斷,在相鄰的T相片中留下了滑移線; 表面塑性變形層的深度大多在36μm以下,最深處約66μm; 表面處的T相被磨損而低窪, Cu5 Si相凸出 ^[2]  。

當兩金屬的潔淨表面接近到1nm 時易產生粘着現象,但不同晶體結構的粘着鍵的幾率是不同的,面心立方晶格為1,體心立方晶格為2 /3,稠密立方為1 /2。所以銅和鐵的粘着力較大。當滲硅層的含硅量達w= 0. 046時,開始出現U-Mn型複雜立方晶格的Cu5 Si相,它的原子密度達20,不易產生塑性變形,不易與體心立方的鐵產生粘着,減小摩擦力。

金屬的表面處於高能狀態,溶質原子能自發地向表面擴散。Grabke H. J.等應用離子濺射和俄歇譜分析固溶體材料表層的化學成分時,發現在Cu-Al、Cu-Sn、Cu-Si等合金系中,都相應有Al、Sn、Si等在表面偏聚。實踐證明,鋁在銅合金表面的偏聚會增加粘着力,而錫和硅在表面的偏聚會明顯地降低表面粘着力。所以在錫青銅上進行滲硅處理,能明顯地降低表面粘着力,減小摩擦係數,增加減摩性 ^[3]  。

銅合金在載荷和摩擦力的作用下易產生塑性變形,引發胞狀結構,胞壁是由於位錯的交滑移和攀移造成的位錯纏結和塞積。當位錯纏結或塞積到一定程度時,在胞壁處萌生裂紋核,位錯又在裂紋尖端繼續塞積,導致裂紋沿胞壁擴展。當層錯能越高時,越易形成胞狀結構。為了減弱形成胞狀結構的傾向,應降低層錯能。按Saka N提出的銅基固溶體的層錯能隨溶質含量而變化的曲線可知,當含硅量大於0. 068原子濃度後,在Sn、Zn、Si三種溶質元素中,硅對降低銅基固溶體層錯能的作用最大。當銅合金滲硅層的含硅量達到或超過0. 11原子濃度時,更能明顯地降低層錯能,從而增加了引發胞狀結構所必須的能量,提高了抵抗裂紋成核與擴展的能力。在較大的載荷與摩擦力時,即使形成胞狀結構,其深度較淺,磨屑的厚度必然較薄,提高了耐磨性,延長壽命 ^[3]  。

合金中兩相硬度若很接近,在兩相的交界面處可能成為裂紋的萌生地,對耐磨性是不利的,只有當兩相的硬度相差很大時,對耐磨性才具有很好的作用。青銅在滲硅處理後,滲硅層中都具有T相和Cu5 Si相,並以共析體的形態存在。實際測定,青銅中T相的硬度為60～ 120Hv10(隨溶質的含量而變化) , Cu5 Si的硬度為400Hv10左右。經跑合,T相先被磨損而低窪, Cu5 Si凸出,支撐着載荷體,當存在潤滑劑時,可以充分發揮潤滑的功效,兼有耐磨和減摩的特性 ^[3]  。

由於硅化銅硬脆,提高了滲層的變形抗力。當法嚮應力和剪切應力超越它的強度極限時,Cu5 Si內產生裂紋。當裂紋擴展到固溶體T相時,T相產生塑性變形,使應力得以松馳,裂紋的擴展受阻,直到固溶體內產生位錯交滑移或攀移,形成脆狀結構,產生裂紋,並擴展到Cu5 Si時,又遇到Cu5 Si相的阻礙,提高了材料的斷裂韌性。從而抑制了裂紋擴展。

當摩擦件的硬度提高時,耐磨性會增加,但是隻根據常温下的整體硬度,往往是不可靠的。因為摩擦副工作時,摩擦面上會產生塑性變形,有加工硬化現象;另一方面有一部分的機械功轉變為熱能,或者受環境的影響,在高温下服役,可能使加工硬化的表層產生再結晶軟化,或者可能由於温度升高而產生相變,引起硬度變化,因此必須依據服役時實際温度下的硬度來判定其耐磨性。經測定, ZQ Sn6-6-3及其滲層在室温下的硬度為72Hv10和188Hv 10; 在156℃時,相應地為67Hv10和205Hv10。由此説明未滲硅的ZQ Sn6-6-3的硬度隨温度升高而降低,而滲層的硬度卻隨温度升高而增加。這可能由於温度升高時,T相中的硅在表面的偏聚加劇,也可能是羅斯可衣( Ro scoe R)效應引起; 另外, Cu5 Si在550℃以下不產生相變。所以當温度升高時,硬度提高了,銅合金的耐磨性由此而增加。

總之,為了提高銅合金的耐磨性和減摩性,採用化學熱處理確能取得明顯效果。關於詳細的原因,還有待繼續探討 ^[2]  。