FSSP制備銅合金改性層耐磨性分析

宋娓娓，郭魂, 汪洪峰

(1.黃山學院機電工程學院，安徽黃山245041； 2.常州工學院航空與機械工程學院，江蘇常州213032)

0 引言

銅合金材料應用廣泛，如汽車的齒輪、軸承、剎車摩擦片、墊圈以及各種接頭等，又如火車的制動器、飛機上的軸承保持器和起落架軸承、鐘表上的小齒輪等[1-2]。這些銅合金零部件的一個共同特點就是長期處于磨損狀態(tài)，會因磨損時間過長、零件磨損量過大而無法工作。為了提高銅合金表面的性能，一些學者嘗試了化學鍍膜、噴丸強化等化學或機械改性方式，但效果并不理想，特別是化學改性方式會造成污染，使用時受到很大限制[3-4]。攪拌摩擦表面加工(FSSP)是一種新的金屬表層改性技術，可以較好地提高銅合金表層的耐磨性。該技術采用高速旋轉(zhuǎn)的無針攪拌頭在銅合金表層攪拌，使其成為半熔化狀態(tài)，并施加一定壓力將其變成晶粒細化的改性層，以此來提高銅合金表層的性能[5-7]。該技術是由英國焊接研究所的攪拌摩擦連接技術發(fā)展而來。本文采用FSSP對H62銅合金表層進行改性，分析不同工藝參數(shù)對改性銅合金表層耐磨性的影響規(guī)律，為實際工程應用提供相應的技術支持。

1 實驗材料

實驗采用尺寸為200 mm×200 mm×12 mm的H62銅合金板材，其化學成分(質(zhì)量分數(shù))見表1。實驗前先用砂紙打磨其表面氧化膜及污垢。

表1 銅合金化學成分 %

2 實驗設備及方法

(a)FSSP設備 (b)攪拌頭圖1 FSSP設備及其攪拌頭

FSSP實驗采用北京賽福斯特技術有限公司生產(chǎn)的型號為FSW-LM-A10攪拌摩擦連接設備(圖1)，其無針攪拌頭軸肩直徑為24 mm。改性過程中攪拌頭逆時針旋轉(zhuǎn)，傾斜角為5°。FSSP工藝參數(shù)如下：攪拌頭轉(zhuǎn)速分別為700、1 000 r/min和1 300 r/min；攪拌頭前進速度為200 mm/min；攪拌頭下壓量固定為0.1 mm。按照不同工藝參數(shù)制備不同的銅合金改性表層，再利用線切割機將其切割成22 mm×10 mm×9 mm的試件。

將試樣表面清洗干凈、烘干，用電子天平稱量其質(zhì)量。用金相顯微鏡分析母材和各參數(shù)下獲得試樣的金相組織。摩擦磨損實驗采用蘭州中科凱華科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的高溫HT-1000型摩擦磨損試驗機。實驗過程中，加載質(zhì)量為800 g，磨損鋼珠直徑為3 mm，加載桿回轉(zhuǎn)半徑為2 mm，磨損轉(zhuǎn)速為560 r/min，磨損時間為5 min。實驗結束后，再次稱量試樣質(zhì)量，并利用日立S-3400型掃描電鏡觀察磨痕形貌,用磨痕測量儀測量磨損量。

3 實驗結果及分析

3.1 金相組織分析

圖2是母材和不同工藝參數(shù)下獲得的銅合金改性表層的金相組織?？梢钥闯?，由于母材是擠壓軋制成型的，晶粒被明顯拉長。圖2(b)試樣的晶粒比母材要小,細化明顯,晶粒分布較為均勻。圖2(c)試樣的晶粒明顯比圖2(b)中晶粒小。圖2(d)試樣晶粒細化最好。這說明應用FSSP對銅合金表層改性過程中，當攪拌頭前進速度和下壓量一定時，隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速增加，改性層晶粒細化程度更好，晶粒分布更均勻。選擇合適的FSSP工藝參數(shù)能夠使銅合金表層晶粒均勻且細化，提高銅合金表層性能。

3.2 銅合金改性表層摩擦系數(shù)分析

圖3為母材和不同工藝參數(shù)下獲得的銅合金改性表層的摩擦系數(shù)曲線。由圖3可見，在攪拌頭前進速度和攪拌頭下壓量一定時，經(jīng)FSSP改性的銅合金表層的摩擦系數(shù)隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的增加而變小，改性表層的耐磨性更好。這與銅合金改性表層金相分析結果相一致，是銅合金改性表層晶粒細化、硬度提高的結果。

圖2 母材和不同工藝參數(shù)下獲得的銅合金改性表層的金相組織

圖3 母材和不同工藝參數(shù)下獲得的銅合金改性表層的摩擦系數(shù)

3.3 銅合金改性表層磨損量分析

利用磨痕測量儀對樣件的磨痕寬度、磨痕深度、磨痕體積進行測量，通過0°、90°、180°的測量取平均值，最終數(shù)據(jù)見表2。由于測量過程中磨損銅屑黏著在表面上沒有脫落，測量結果可能存在誤差。

表2 母材和銅合金改性表層單位面積磨損量

由表 2可以看出，經(jīng)FSSP改性過的銅合金表層單位面積磨掉的體積要比母材少很多，且攪拌頭轉(zhuǎn)速為1 300 r/min、攪拌頭前進速度為200 mm/min、攪拌頭下壓量為0.1 mm時獲得的改性表層磨損量最少。這說明FSSP能夠提高銅合金表層耐磨性，這與前面的摩擦系數(shù)和金相組織分析基本保持一致。

3.4 銅合金表層磨損形貌分析

圖4為母材和不同工藝參數(shù)下獲得的銅合金改性表層磨損形貌SEM(掃描電鏡)照片。從圖4(b)可以看出銅合金改性表面有很深的犁溝出現(xiàn)，并帶有少量的黏著磨損。圖4(c)中銅合金改性表面未出現(xiàn)犁溝，但有少量的黏著和磨粒磨損。圖4(d)中銅合金改性表層出現(xiàn)的犁溝較窄，表面相對平整，帶有少量的黏著磨損。圖4(a)中母材磨損后表面存在較寬的犁溝，有大的磨損顆粒脫落并黏著在表面上，磨痕較深，出現(xiàn)較大的片狀層。從圖4可以看出，當攪拌頭轉(zhuǎn)速為1 300 r/min，攪拌頭前進速度為200 mm/min，攪拌頭下壓量為0.1 mm時獲得的改性表層耐磨性最好。

圖4 母材和不同工藝參數(shù)下獲得的改性表層的SEM照片

4 結論

1)采用FSSP對銅合金表層改性能夠獲得明顯細化的表層晶粒，且晶粒分布較為均勻；當攪拌頭前進速度和下壓量一定時，改性表層晶粒隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的增加而細化得更好。

2)采用FSSP對銅合金表層改性，并對改性表層進行摩擦磨損實驗，結果顯示當攪拌頭轉(zhuǎn)速為1 300 r/min、攪拌頭前進速度為200 mm/min、攪拌頭下壓量為0.1 mm時獲得的改性表層摩擦系數(shù)最小。

3)經(jīng)FSSP改性的銅合金表層磨損形貌較好，磨損主要形式是犁溝型磨損，同時伴隨少量的黏著磨損。