双金属铸件中铜合金层性能的改善
1 性能检测
新、老合金各浇注了两个炉次,分别进行了化学成分分析以及硬度、结合强度、抗磨性能和金相组织的检查。其中抗磨性能试验还进行了台架考核。
2.1 无损检查
无损检查采用CTS-23型宽频探伤仪按企业标准Q/17DYJ-324要求检查。结果表明,钢基体、铜合金层及其结合区均无裂纹、裂缝和孔洞。
2.2 硬度
从距钢基体2 mm的铜合金层中测得的5个试样的平均维氏硬度为:新合金92HV5,老合金58HV5,前者比后者提高了58.6%。
2 分析与讨论
3.1 钢基体与铜合金层的结合强度
钢基体在脱水硼砂和助熔剂铜焊粉的保护下,硼砂和铜合金熔炼覆盖剂(主要成分为SiO2)在高温下与金属氧化物发生反应,生成流动性很好的复合熔渣,从而使钢基体待浇注表面净化,消除了原子扩散屏障,使铜合金层与钢基体达到牢固结合。
3.2 硬度
锡铅青铜是在二元锡青铜的基础上添加铅获得的。铅基本不溶于锡青铜,而以纯组元状态分布于合金中,起改善合金切削性能和降低摩擦系数的作用。铅相质软,合金中含铅量高时硬度便会下降。一般生产条件下,合金的结晶过程是一个非平衡过程。由Cu-Sn二元相图可知,锡青铜含锡量大于7%后,其铸态组织中就会出现(α+δ)共析体,且含锡量越高,其共析体组元的含量也越高。共析体中的δ相是以电子化合物Cu3Sn8为基的固溶体,具有硬度高、耐磨的特点。新合金比老合金的锡含量提高了26%,而铅含量却降低24%,故相比之下,新合金层含有较多的(α+δ)共析体,而纯组元铅却较少;新合金还提高了镍和锌的含量,镍具有强化基体的功能,而锌具有除气和缩小合金结晶温度范围的作用,故使合金层的组织致密度提高;此外,新合金采用高频率机械振动结晶,非自发形核数目大大提高,晶粒细化。因此新合金层具有更高的硬度和强度。
3.3 铅偏析
在锡铅青铜中,铅因密度大、熔点低而易于产生比重偏析和枝晶偏析。新合金利用稀土的强烈活性,降低铅及其它杂质对基体的润湿性能,使铜合金中的铅相由条状、片状转变为主要以点状和球状分布[1];加上晶粒细化,使铅偏析得到显著改善。另外,新合金采用比老合金低200℃的温度去应力,也避免了去应力过程中再次引起铅偏析。
3.4 磨损性能
新、老合金比较,由于新合金层具有更高的硬度和强度,在摩擦磨损过程中产生塑性变形、裂纹萌生以及扩展所消耗的能量就更多[2];另一方面,新合金层组织更致密、铅相分布更均匀,更有利于均匀磨损。所以在工况一定和配对副相同的情况下,新合金具有更高的抗磨性能。