cu-14al-x高鋁青銅合金等離子涂層的制備與性能研究

cu-14al-x高鋁青銅合金等離子涂層的制備與性能研究

鋁銅具有較高的導(dǎo)電性、良好的耐候性和耐粘合性，廣泛應(yīng)用于飲食設(shè)備和家用電器的制造中。為了解決工藝上的難以加工和更換鋁銅龍、三角形鐵砧和大型鋁銅龍的脆性分裂問(wèn)題，采用水弱化法制備了具有自主專(zhuān)利的cu-14al-x高鋁銅龍的合金粉末，采用離子噴焊工藝制備涂層，并研究了cu-14al-x射線、結(jié)合強(qiáng)度和摩擦磨損的性能。1實(shí)驗(yàn)1.1高鋁青銅合金的霧化制備以自主研發(fā)的新型高鋁青銅合金(Cu-14Al-X)為母材,合金的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表1所示,采用惰性氣體保護(hù),快速凝固雙流高壓水霧化技術(shù)制備高鋁青銅合金粉末.霧化制粉噴嘴采用自由降落式,如圖1所示.主要工藝參數(shù)為:霧化介質(zhì)為自來(lái)水,保護(hù)氣體為氮?dú)?噴射頂角為33°,漏包嘴直徑為6mm,熔體流速300~400g/s,過(guò)熱溫度100~150℃,霧化壓力30~50MPa.1.2噴焊速度、溫度采用LUP-300型等離子噴焊設(shè)備制備涂層,主要工藝參數(shù)為:噴焊電流170A;送粉量1~3g/s;噴焊速度2mm/s;噴焊端面至工件距離5~10mm;離子氣流量3~6L/min;送粉氣流量4~8L/min.最終噴焊層厚度1.8~5mm.等離子噴焊后的工件自然冷卻.1.3測(cè)試a、b試件在島津AG-10TA型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn).測(cè)試試樣如圖2所示,拉伸試樣材質(zhì)為A3鋼,涂層厚度為5mm.即將試樣加工成中間有內(nèi)孔的A試件及與之內(nèi)孔為間隙配合的B試件(?10mm),使A與B的兩端面處于同一平面,將此平面進(jìn)行預(yù)處理并制備噴焊層,然后從下面支撐A試件,垂直向下拉伸B試件,當(dāng)B試件從涂層與基體斷裂時(shí),記錄拉斷時(shí)所加載荷大小,最大載荷與B試件端面面積之比即為涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度,同時(shí)觀察試件端面涂層的斷裂情況.1.4磨痕輪廓測(cè)定摩擦磨損試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院化學(xué)物理研究所的UMT-2MT摩擦試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,柱端面涂覆過(guò)涂層的?20mm×15mm鋼柱塊固定不動(dòng).?3mm的304鋼球(硬度為204HB)在上面做往復(fù)運(yùn)動(dòng),試樣在相同滑動(dòng)速度下干摩擦對(duì)磨.磨損量的測(cè)定采用計(jì)算磨損體積的辦法,用2206型表面粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)試噴焊層摩擦表面的磨痕輪廓.1.5噴焊層及布洛維蛋白材料的表征噴焊涂層用FeCl3(25g)+HCl(25mL)+H2O(100mL)試劑腐蝕,用MEF3A型金相顯微鏡對(duì)噴焊層以及噴焊層與基體間結(jié)合層形貌進(jìn)行觀察;用D/MAX2500PC型X射線衍射儀(XRD)進(jìn)行物相分析;用HBRVU-187.5型布洛維光學(xué)硬度計(jì)測(cè)定硬度;用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡結(jié)合EDS能譜儀觀察摩擦表面形貌及測(cè)定試樣微區(qū)成分;用EPMA-1600型電子探針?lè)治鰞x對(duì)熔覆層表面進(jìn)行面分析.2結(jié)果2.1主要物理性能制得的粉末形貌如圖3所示,可見(jiàn)粉末球形度好,表面光潔,主要物理性能:松裝密度3.56g/cm3,流動(dòng)性23.9s/(50g),粒度40~100μm.2.2涂層組織和結(jié)合強(qiáng)度2.2.1噴焊層與抗體的結(jié)合等離子噴焊層光學(xué)金相組織如圖4a所示,由圖可見(jiàn),噴焊層由塊狀和樹(shù)枝狀的黑色相,灰色及白色基體相組成.圖4b為噴焊層與基體結(jié)合形貌,可見(jiàn),噴焊層與基體間有明顯的過(guò)渡區(qū),在噴焊層與過(guò)渡層結(jié)合面上生長(zhǎng)有大量樹(shù)枝晶,呈現(xiàn)冶金結(jié)合特征.經(jīng)X射線衍射分析(如圖5所示)和EPMA面分析(如圖6所示),黑色塊狀相和黑色樹(shù)枝狀組織主要是由富鐵的K相(AlFe等)組成,白色基體為富銅的β相,而分布在基體和K相周?chē)幕疑嘀饕铅?Cu9Al4)+α相.2.2.2綜合強(qiáng)度涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2,可見(jiàn)結(jié)合強(qiáng)度均值達(dá)到302MPa.2.3等離子噴焊層與要體的元素釋放與互溶圖7是噴焊層界面區(qū)域元素成分變化的線分析.可以看出,沿金相圖片中的掃描線,從基材到合金噴焊層(從左到右)各元素含量均呈現(xiàn)逐漸變化的趨勢(shì),這足以說(shuō)明在過(guò)渡層中存在元素的互擴(kuò)散現(xiàn)象.Fe元素從基材至過(guò)渡層呈現(xiàn)緩慢降低的趨勢(shì),并且在高于合金層中原始Fe元素含量值的波動(dòng),掃描曲線不時(shí)伴有尖銳突起出現(xiàn),說(shuō)明從基材到合金層之間有一個(gè)強(qiáng)烈持續(xù)的擴(kuò)散過(guò)程,并在噴焊層K相中富集(如圖6所示),成分偏析較為嚴(yán)重,生長(zhǎng)為發(fā)達(dá)的柱狀晶(如圖4b所示),聚集了大量的Fe元素.Al、Cu等元素的掃描曲線也呈現(xiàn)明顯的過(guò)渡趨勢(shì),在過(guò)渡層左側(cè),這些元素含量開(kāi)始緩慢增加,說(shuō)明合金元素也向基體材料中發(fā)生了少量擴(kuò)散.通過(guò)以上分析,可以推斷,Fe元素對(duì)等離子噴焊層成分稀釋率較高,等離子噴焊層與基材之間存在明顯的元素?cái)U(kuò)散與互溶,屬于典型的冶金結(jié)合,并且結(jié)合牢固.2.4摩擦磨損試驗(yàn)的結(jié)果2.4.1載荷在不同工況下的平均摩擦系數(shù)涂層在干摩擦條件下相同摩擦頻率、不同載荷時(shí)的摩擦系數(shù)隨載荷的增加摩擦系數(shù)有增大趨勢(shì),當(dāng)載荷在40N(實(shí)際工況相當(dāng)參數(shù),壓力15.6MPa,滑動(dòng)速度0.2m/s)時(shí)的平均摩擦系數(shù)為0.08.2.4.2等離子涂層研磨的摩擦學(xué)行為圖8為等離子涂層在不同摩擦條件下干摩擦磨痕掃描電鏡圖片.從圖中可以看出等離子涂層隨著載荷的加大磨痕越來(lái)越明顯,磨道變寬、變深,涂層磨痕的邊緣塑性變形明顯.在高載荷條件下等離子涂層的磨損更為嚴(yán)重,磨痕有較多撕裂痕跡及大塊磨粒,磨痕表面塑形變形及顆粒磨損更顯著.2.4.3載荷對(duì)涂層表面磨痕磨溝的影響圖9為用2206型表面粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)試噴焊層摩擦表面的磨痕輪廓,利用擬合的辦法計(jì)算噴焊層的磨痕橫斷面面積和體積,圖10為不同載荷下的磨損體積,隨載荷增加涂層表面磨痕磨溝變寬,磨損體積增加,當(dāng)載荷增大到25N以后,磨損體積隨載荷增加而增加的幅度減小.磨損量隨載荷增加的趨勢(shì)降緩.3分析與討論3.1準(zhǔn)二元合金的組織等離子噴涂利用等離子射流將噴涂材料加熱到塑性或融化狀態(tài),其溫度高達(dá)數(shù)萬(wàn)度,再將它噴射到經(jīng)預(yù)處理的基體表面形成涂層,屬于非平衡凝固過(guò)程.根據(jù)Cu-Al二元相圖,鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.6%~15.3%的準(zhǔn)二元合金,平衡組織應(yīng)由共析的γ2相和(α+γ)共析體組成,但保持了高溫相的部分特點(diǎn),形成了以β+γ為主相的涂層組織,如圖5所示.又由于噴焊熔融過(guò)程產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的偏析,粉末中的Fe元素與由基材中大量擴(kuò)散進(jìn)來(lái)的Fe元素聚集在一起,和粉末中的Al,Mn等元素形成大量的金屬間化合物(K相),偏析嚴(yán)重的位置形成了黑色的塊狀物.Fe的熔點(diǎn)較高,易在熔液中形成形核核心,偏析較小的位置在涂層凝固過(guò)程中以先生成的K相為核心逐步生長(zhǎng)成了樹(shù)枝狀組織,如圖4所示.由于Al,Mn等元素在K中大量富集,造成K相周?chē)氫X發(fā)生,生成了富銅的β相或少量的α相.3.2cu鍍層涂層的熱性能在噴涂過(guò)程中,粉末通過(guò)熱源的加熱,一般以半熔化狀態(tài)沉積到工件上,重熔是粉末或涂層在基體材料上的熔融過(guò)程,整個(gè)噴焊過(guò)程消除了涂層中的氣孔和氧化物夾雜,并與金屬基材產(chǎn)生焊合的冶金效果,從而大幅度提高了致密度和結(jié)合強(qiáng)度,從圖5可以看出噴焊層與基體間存在明顯的過(guò)渡區(qū),在噴焊層與過(guò)渡層結(jié)合面上生長(zhǎng)有大量樹(shù)枝晶,呈現(xiàn)明顯的冶金結(jié)合特征.又由于等離子噴焊過(guò)程造成基材中的Fe元素大量向涂層擴(kuò)散,使得涂層中的Fe元素含量大幅增加,而Fe元素在Cu合金中具有固溶強(qiáng)化作用,產(chǎn)生強(qiáng)硬化的效果,提高了涂層與基體的結(jié)合層的強(qiáng)度.3.3鋼的剪切強(qiáng)度Cu-14Al-X鋁青銅合金等離子涂層組織是富鐵的K相強(qiáng)化的β+γ基體組織,涂層硬度達(dá)到372HV.其中,β相顯微硬度290~407HV;K相屬體心立方結(jié)構(gòu),顯微硬度大于700HV.較高的硬度使涂層具有良好的耐磨性能.首先,Cu-14Al-X涂層與304鋼球?qū)δ^(guò)程中,在高比壓的作用下發(fā)生塑性變形,接觸應(yīng)力超過(guò)材料流動(dòng)強(qiáng)度,形成粘著或節(jié)點(diǎn)焊合.粘著點(diǎn)的剪切強(qiáng)度一般大于銅的剪切強(qiáng)度而小于鋼的剪切強(qiáng)度,切向力使銅表面產(chǎn)生粘著脫落.用EDS分析可以證明主要粘著物為α相(相中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:Al為3.7%;Fe為0.97%,Cu為94.35%),說(shuō)明該合金與304不銹鋼對(duì)摩過(guò)程中,剪切斷裂多發(fā)生在α相及β相中.但由粘著而產(chǎn)生的磨損并不嚴(yán)重,磨損表面并未形成大塊脫落,其原因是因?yàn)檩^硬的β相、γ相和K相在基體中起著支撐骨架的作用,同時(shí)在光滑承載面的輔助下,阻礙了基體中的α相及β相與304鋼的進(jìn)一步粘著.另外,從圖8中可以明顯看出等離子涂層磨痕表面粘附有許多小顆粒,且在磨道邊緣有塑性變形片狀突起物.這是因?yàn)榈入x子涂層組織結(jié)構(gòu)中存在許多硬質(zhì)K相,在壓應(yīng)力及剪切力作用下脫離等離子涂層表面或在應(yīng)力作用下造成硬質(zhì)K相的“破裂”、部分剝落的β相和γ相,以及帶入的雜質(zhì)粒子都會(huì)被壓入Cu-14Al-X涂層的表面,進(jìn)而在正應(yīng)力和剪切力的作用下沿摩擦力方向產(chǎn)生塑性犁溝.對(duì)摩擦剝落的質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行EDS微區(qū)成分分析證明脫落的硬質(zhì)點(diǎn)為K相(相中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:Al為25.71%,Fe為38.22%,Cu為13.69%).磨粒磨損主要是脫落的硬質(zhì)點(diǎn)相造成的結(jié)果,β相和γ相是高強(qiáng)硬度相,在摩擦過(guò)程中限制了硬質(zhì)顆粒脫落.從而使等離子涂層與304不銹鋼干摩擦對(duì)摩磨損時(shí)有很好的耐磨性.而且隨載荷增大,磨痕磨溝變寬,承載能力加大,磨損量隨載荷增加的趨勢(shì)變緩.3.4涂層配方的epma面分析等離子噴焊過(guò)程中,由于等離子弧的強(qiáng)烈攪拌作用,對(duì)流傳質(zhì)和擴(kuò)散的作用,噴焊層和基體材料之間發(fā)生元素交互作用,基材中的Fe元素大量向涂層中擴(kuò)散,經(jīng)EPMA面分析發(fā)現(xiàn)最終生成的噴焊層中的Fe元素含量遠(yuǎn)高于粉末中的含量.一方面Fe為鋁青銅中的主要強(qiáng)化元素,涂層中Fe的增加細(xì)化了涂層晶粒,增加了涂層的硬度;另一方面,Fe是促進(jìn)鋁青銅中K相生成的元素,等離子弧的強(qiáng)烈攪拌作用使涂層中Fe元素的增加,在涂層基體結(jié)合區(qū)域形成了大量的柱狀晶的K相(如圖4b示),涂層中也形成了大量塊狀及點(diǎn)狀K相質(zhì)點(diǎn)(如圖6所示).高硬度K相的生成,彌散強(qiáng)化了涂層,增加了涂層的硬度和耐磨性.4鐵基材料的等離子體涂層1)水霧化法能夠制備球