紫銅表面鋁系二元共滲層的物相組成與性能研究

王振軍，汪國才，程 序，張 誠，潘萬鋼，尤勝強(qiáng)

（馬鋼股份特鋼公司 安徽馬鞍山 243041）

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 樣品制備

選用純度為99.9%的紫銅為共滲基體，尺寸為15 mm×15 mm×5 mm。 滲劑選用200 目的純Al、Co、Fe、Ti、Cr 和Ni 粉；NH4Cl 粉為催化劑；Al2O3為填充劑。 以直徑30 mm、高40 mm、厚3 mm 的圓柱形剛玉坩堝作為滲罐。 各個(gè)共滲體系中滲劑的配比見表1，將配好的滲劑使用行星球磨儀球磨2 h，以充分均勻混合。 將混合好的滲劑粉末倒入滲罐中，紫銅基體埋在滲罐的中心位置，然后將滲罐加蓋并用耐火泥（加水玻璃）密封。 將密封好的滲罐放入馬弗爐中，按照?qǐng)D1 所示的升溫制度將試樣進(jìn)行共滲處理。 降溫結(jié)束后取出試樣，并用酒精超聲清洗后吹干。

圖1 共滲過程的升溫制度

表1 各種共滲體系下滲劑的配比（wt. %）

1.2 表征與測試

利用掃描電鏡（Scanning Electron Microscope）觀察各滲層的微觀結(jié)構(gòu)。 利用X 射線衍射儀（Bruker AXS D8 Advance，Germany）分析各滲層的物相組成。

利用HVS－1000M 型維氏硬度計(jì)測試樣品的顯微硬度，試驗(yàn)條件：載荷200 g，保壓時(shí)間10 s。為了比較不同厚度滲層的硬度，從最外層到最內(nèi)層平均分為8 個(gè)維度，每個(gè)維度上橫向測試10 個(gè)硬度點(diǎn)，取平均值作為這個(gè)維度上的硬度值。 磨損試驗(yàn)在MMUD－5B 型高溫端面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)條件：載荷60 N，磨損時(shí)間30 min，轉(zhuǎn)速100 r／min。 測試前，將每個(gè)試樣的測試面打磨至1500 目。 分別記錄測試前后的樣品的質(zhì)量，通過磨損失重來評(píng)價(jià)各滲層的耐磨性。 采用德國耐馳公司出品的LFA 457 型激光導(dǎo)熱儀測量各滲層的導(dǎo)熱系數(shù)，測試樣品尺寸：直徑為12 mm、厚度為2.5 mm 的圓柱。

2 結(jié)果與討論

2.1 共滲層物相分析

圖2（a）展示了Al－Co 滲層橫截面的微觀結(jié)構(gòu)。 滲層厚度約950 μm，從滲層表面到銅基體方向可分為三層：附著層、擴(kuò)散層、固溶層。 分別對(duì)附著層和擴(kuò)散層進(jìn)行物相分析，結(jié)果如圖2（b）和（c）所示。 附著層中主要包含Al2O3、AlCo、Cu9Al4和Cu 單質(zhì)相，與標(biāo)準(zhǔn)的Cu 衍射峰相比，Cu 單質(zhì)相的峰發(fā)生了小角度偏移，這說明滲層中存在Cu 基固溶體。 擴(kuò)散層中包含AlCo、Cu9Al4和Cu 單質(zhì)相，說明Al 和Co 原子滲入到銅基體后形成了Al?Co、Cu9Al4合金相。

圖2 （a）Al－Co 滲層截面微觀結(jié)構(gòu)；（b）附著層XRD 圖譜；（c）擴(kuò)散層XRD 圖譜

Al－Fe 滲層的厚度約800 μm，附著層和擴(kuò)散層的物相分析結(jié)果如圖3 所示。 可以看出附著層中含有Al2O3、AlFe、Cu9Al4和Cu 基固溶體相，而擴(kuò)散層包含AlFe、AlFe3、Cu9Al4和Cu 單質(zhì)相。 合金相的形成說明Al、Fe 原子成功的滲入到了銅基體表面。 另外，由于Fe 在Cu 中的固溶度很低（0.3－0.8 wt.%），如果Fe 原子濃度超過此固溶極限就會(huì)形成Fe 富集或與Al 原子形成金屬間化合物［13］，所以滲層中產(chǎn)生了AlFe 和AlFe3合金相。

圖3 Al－Fe 滲層物相分析

Al－Ti 滲層的厚度約900 μm，附著層和擴(kuò)散層的物相分析結(jié)果如圖4 所示。 可以看出滲層中除了Cu9Al4以外沒有形成任何的合金相，其原因可能是Ti 原子固溶到Cu9Al4中。 根據(jù)XRD 分析結(jié)果，Cu9Al4金屬間化合物的衍射峰確實(shí)發(fā)生了小角度的偏移。

圖4 Al－Ti 滲層物相分析

Al－Cr 滲層的厚度約1420 μm，附著層和擴(kuò)散層的物相分析結(jié)果如圖5 所示。 與Al－Ti 滲層類似，滲層中也發(fā)現(xiàn)其他合金相，只發(fā)現(xiàn)了少量的Cr單質(zhì)相。 根據(jù)Cu－Cr 相圖，Cr 在銅中的溶解度很小，大約只有0.03 wt. %，且隨著溫度的降低而急速降低。 因此，在降溫過程中，滲層中可能會(huì)析出少量的Cr 原子，彌散的Cr 原子會(huì)阻礙位錯(cuò)的移動(dòng)而形成彌散強(qiáng)化。

圖5 Al－Cr 滲層物相分析

Al－Ni 滲層的厚度約1350 μm，附著層和擴(kuò)散層的物相分析結(jié)果如圖6 所示。 可以看出附著層的物相包含Al2O3、AlNi3、Cu9Al4和Ni 單質(zhì)相，其中Ni 單質(zhì)相的衍射峰發(fā)生了小角度偏移，說明滲層中形成了Ni 基固溶體。 而擴(kuò)散層中含有AlNi3、Cu9Al4和AlNi 三種合金相，同時(shí)含有Cu 基固溶體相。 同樣地，Cu 單質(zhì)相的衍射峰也發(fā)生了小角度的偏移，說明產(chǎn)生了Cu 基固溶體。

圖6 Al－Ni 滲層物相分析

2.2 共滲層性能對(duì)比分析

由于各滲層的厚度不一致，采用相對(duì)位置來比較相對(duì)硬度，結(jié)果如圖7 所示。 可以看出每種滲層的顯微硬度相對(duì)于銅基體都大幅度提高，說明通過共滲處理改善了銅表面性能。 總體來看，Al－Ni 滲層的顯微硬度較高，附著層硬度最高達(dá)到了460 HV。 附著層硬度值較低的是Al－Ti 和Al－Fe 滲層，可能是由于附著層Al2O3顆粒較少。 在擴(kuò)散層第一個(gè)維度上，Al－Ni 滲層和Al－Cr 滲層都達(dá)到了350 HV。 而擴(kuò)散層顯微硬度較低的是Al－Fe 滲層，最高僅250 HV，原因可能是擴(kuò)散層中形成的合金相較少，亦或是AlFe、AlFe3合金相本身硬度就偏低。 各滲層的固溶層硬度基本相差不大，這是因?yàn)楣倘軐觾?nèi)主要都是Cu 基固溶體。

圖7 不同鋁系滲層的顯微硬度對(duì)比

圖8 為不同鋁系滲層的耐磨性測試結(jié)果。 從圖8（a）中可以看出銅基體的磨損量比各個(gè)滲層的磨損量高很多，說明共滲處理極大改善了銅表面的耐磨性。 對(duì)比不同滲層發(fā)現(xiàn)Al－Ni 和Al－Cr 滲層的耐磨性較好，磨損量分別為7.2 mg 和7.8 mg。Al－Fe 和Al－Ti 滲層的耐磨性稍微差點(diǎn)，磨損量分別為8.8 mg 和9.2 mg。 耐磨性相對(duì)較差的是Al－Co 滲層，磨損量達(dá)到了10.5 mg。 從摩擦系數(shù)的結(jié)果可以看出，滲層的摩擦系數(shù)比銅基體的低，且更平穩(wěn)。 對(duì)比各個(gè)滲層，摩擦系數(shù)較小的是Al－Ni 滲層（0.05），摩擦系數(shù)較大的是Al－Co 滲層（0.15）。一般來說，摩擦系數(shù)越小，耐磨性越好。 耐磨性差的樣品更易粘附于摩擦副上而導(dǎo)致高的摩擦系數(shù)。

圖8 不同鋁系滲層的耐磨性測試結(jié)果

各滲層的導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果如圖9 所示。 與純銅的導(dǎo)熱系數(shù)（400 W／m·K）相比，滲層的導(dǎo)熱系數(shù)都明顯降低，這是因?yàn)檫@些合金元素導(dǎo)熱系數(shù)均比銅低，滲入到銅基體中必然降低整體的導(dǎo)熱性，區(qū)別在于降低程度的大小。 一般認(rèn)為滲層的導(dǎo)熱系數(shù)越低，對(duì)整體的導(dǎo)熱系數(shù)影響越大。 從結(jié)果中可以看出導(dǎo)熱性相對(duì)較好的滲層是Al－Co 滲層，300 ℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)為184.24 W／m·K，而500℃時(shí)增到了231.55 W／m·K。 其次是Al－Ti 滲層，在300℃－500℃之間其導(dǎo)熱系數(shù)在145 W／m·K上下擺動(dòng)。 Al－Ni 滲層的導(dǎo)熱系數(shù)比Al－Ti 滲層的稍低，其導(dǎo)熱性值在137 W／m·K 左右。 導(dǎo)熱系數(shù)最低的是Al － Cr 滲層， 在500 ℃時(shí)只有92.54 W／m·K。

圖9 不同鋁系滲層的導(dǎo)熱率對(duì)比

從以上結(jié)果可以看出滲層硬度從高到低依次是Al－Ni、Al－Cr、Al－Co、Al－Ti 和Al－Fe，滲層耐磨性從高到低依次是Al－Ni、Al－Cr、Al－Fe、Al－Ti 和Al－Co，滲層導(dǎo)熱性從高到低依次是Al－Co、Al－Ti、Al－Ni、Al－Fe 和Al－Cr。 因此，在所有滲層中，Al－Ni 滲層表現(xiàn)出最好的綜合性能。

3 結(jié)論

1）通過固體包埋滲的方法制備了Al－Co、Al－Fe、Al－Ti、Al－Cr 和Al－Ni 五種滲層，所有滲層從外表面到銅基體可分為三層：附著層、擴(kuò)散層、固溶層。 滲層總厚度分別為950 μm、800 μm、900 μm、1420 μm 和1350 μm。

2）各滲層中均含有Cu9Al4以及其它合金相，由于合金相的存在，滲層顯微硬度和耐磨性相對(duì)于銅基體大大提高。 其中Al－Ni 和Al－Cr 滲層表現(xiàn)出較高的顯微硬度和耐磨性。

3）由于合金元素的引入，各滲層的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)于純銅均下降，但是Al－Co、Al－Ti 和Al－Ni 滲層的導(dǎo)熱系數(shù)下降幅度較小。

4）Al－Ni 滲層的綜合性能最好，其表面附著層顯微硬度為460 HV，導(dǎo)熱系數(shù)在132.534 W／m·K～142.527 W／m·K 之間（300 ℃－500 ℃）。