铸态和时效态Cu-15Ni-8Sn合金的摩擦磨损性能

刘宇轩，吴 伟，陈 强，罗宗强，张卫文

（华南理工大学机械与汽车工程学院，广州510640）

0 引 言

铜基合金滑动轴承具有较高的强度、良好的耐磨性和耐蚀性，广泛应用于航空、航天、采矿、海洋开发等领域［1-2］。传统的铜基合金轴承所用材料主要有无铅锡青铜、含铅锡青铜、复杂黄铜、铝青铜和铍青铜［3-4］。随着各种机械设备朝着大型化、高载荷等方向发展，对轴承合金的强度和耐磨性能提出了更高的要求，以满足设备更高的承载能力以及更长时间的稳定运行。

Cu-15Ni-8Sn合金于20世纪80年代由贝尔实验室开发出来，是一种调幅分解强化型合金，经调幅分解以及后续的变形加工，其抗拉强度可达1 400MPa，性能可与铍青铜相媲美［5］。Cu-15Ni-8Sn合金最初是作为一种变形铜合金开发的，旨在代替铍青铜用作制造继电器、接触开关、引线框等元件的电工材料。目前，关于Cu-15Ni-8Sn合金的大量研究主要集中在强化机理、制备工艺、强韧化和导电性等方面［6-7］。近年来的研究发现，Cu-15Ni-8Sn合金在重载轴承领域表现出了优良的性能，国外已经开始采用该合金制造各种重载机械的轴承类零件［8］。但是，针对该合金摩擦磨损性能的研究多数是基于变形Cu-15Ni-8Sn合金进行的，而针对铸造Cu-15Ni-8Sn合金摩擦磨损性能的研究并不多，特别是针对不同状态（铸态与时效态）Cu-15Ni-8Sn合金摩擦磨损性能的对比研究还很少见。因此，作者针对铸态和不同时效态Cu-15Ni-8Sn合金开展了摩擦磨损性能对比研究，期望为推动该合金的应用提供参考。

1 试样制备与试验方法

试验原料为电解铜、电解镍和工业纯锡，按铜、镍、锡的质量比为77…15…8配料，并加入质量分数为0.05%的钛做变质剂。采用中频感应炉熔炼，浇注温度为1 250～1 280℃，浇铸到预热至150℃的金属模具中，获得直径约为60mm、高度约160mm的圆柱形铸态毛坯；将铸态毛坯置于电阻炉中，在840℃均匀化退火处理8h，空冷，之后再将其在820℃进行固溶处理，时间为1h，然后在室温的水中淬火，获得固溶态合金铸锭。沿圆柱形铸态毛坯的中线通过线切割制取铸态合金的金相、硬度和摩擦磨损试样，待用。采用同样的方式在固溶态合金铸锭上制取金相、硬度和摩擦磨损试样（试样均取自圆柱铸锭靠外圆约5mm的位置），然后在400℃下分别进行1，2，3，4，6，8，10h的时效处理，得到时效态试样。

先采用1500＃砂纸打磨摩擦磨损试样，用超声波清洗干净后，采用OPTIMOL SRV型摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验［9］。摩擦磨损试样的尺寸为φ16mm×8mm，对磨材料为φ10mm的GGr15钢球，其硬度为62～63HRC。钢球在摩擦磨损试样上做直线往复振动，预加载荷为50N，摩擦开始后预加载荷在60s内加载到试验载荷500N，试验温度为室温，钢球往复运动的频率为50Hz，振动幅度为1mm。为保证试验过程中润滑油的状态一致，且无过热现象以及润滑充分，润滑油选用30＃机油，每隔2min滴入新鲜的机油。每种状态的试样重复3次试验，取3次磨损体积的平均值来计算磨损率。

采用HB-3000B型布氏硬度计测试样的硬度，取五个点的平均值；利用BMT Expert 3D型形貌仪对试样的磨痕进行观察，横向精确度为1μm，垂直精确度接近1nm，然后根据文献［10］的公式计算磨损体积；利用LEICA／DMI5000M型光学显微镜以及FEI Quanta 200型扫描电镜进行微观组织观察。

2 试验结果与讨论

2.1 硬度和摩擦磨损性能

从表1可知，合金在400℃时效处理后，硬度最高达到了296HB，远远高于铸态合金的（176HB）；时效时间为1～2h时，随着时效时间延长，合金的硬度显著增大；时效2～8h后，合金的硬度基本不变，且达到峰值；时效10h后，硬度略有下降，但不是很明显。

表1 不同状态合金的布氏硬度Tab.1 Brinell hardness of the alloy in different states HB

从图1可知，在试验初期，摩擦副存在一个跑合过程，即随时间延长，摩擦因数有一个快速上升的阶段，然后快速下降；随时间进一步延长，摩擦因数逐渐达到平稳阶段。从图中可以看出，铸态合金的摩擦因数要明显高于时效态合金的，而时效2h和8h后的摩擦因数-时间曲线几乎重合。

图1 不同状态合金的摩擦因数-时间曲线Fig.1 Friction coefficient of cast and aged alloy as a function of time

由表2可见，铸态合金的摩擦因数为0.17，时效态合金的基本都在0.153～0.159之内。可见，与铸态合金相比，时效态合金的摩擦因数约降低了10%。

表2 不同状态合金的摩擦因数和磨损率Tab.2 Friction coefficient and wear rate of the alloy in different states

另由表2可以看出，时效态合金的最小磨损率约为铸态合金的43%，时效态合金的磨损率随时效时间延长而先减小后增大，在时效2h后的变化量不是很大。

2.2 显微组织和磨损形貌

由图2（a）可见，铸态合金为典型的树枝晶组织，主要分为三个特征区，一是粗大的呈亮白色的树枝晶，二是亮白色枝晶之间的黑色组织，三是黑色组织中出现的小块状亮白色第二相。大量研究表明，亮白色树枝晶为α相基体，黑色组织为α＋γ交替的层片状共晶组织，小块状亮白色第二相为富锡相γ（CuxNi1-x）3Sn［11］。

由图2（b）～（d）可见，时效处理后，富锡相完全固溶到合金基体中；随着时效时间延长，在晶界处析出了非连续的γ（CuxNi1-x）3Sn相。

由图3可知，磨损铸态合金和时效态合金表面均存在犁沟和合金剥落后留下的凹坑；铸态合金表面的剥落凹坑最为严重，犁沟的宽度和深度均比时效态合金的大；与时效1h相比，时效2h合金表面上的犁沟宽度和深度均明显减小，剥落凹坑的数量也减少；时效时间大于2h后，合金表面的磨损形貌没有显著变化。

图2 铸态和400℃时效不同时间后合金的显微组织Fig.2 Microstructure of the alloy in cast state（a）and aging at 400℃for 1h（b），4h（c）and 8h（d）

图3 铸态和400℃时效不同时间后合金的磨损表面形貌Fig.3 Surface wear morphology of the alloy in cast（a）and aging at 400℃fo1h（b），2h（c）and 4h（d）

2.3 讨 论

铸态Cu-15Ni-8Sn合金经时效处理后的组织和硬度发生了明显的变化，这种变化必然会导致其摩擦磨损性能发生变化。

图4 典型磨痕的SEM形貌Fig.4 SEM micrographs of typical wear tracks：（a）scratches and fatigue pit and（b）cracks

在试验条件下，磨痕主要有两部分构成。一是表面的轻微划痕区，由一条条很浅的犁沟组成，占据了磨痕的大部分面积，其方向是沿着GCr15钢球的移动方向，如图4（a）中的A区所示；二是局部出现的疲劳剥落坑，疲劳剥落坑周围有压扁的片状材料，该区发了明显的塑性变形，如图4（a）中的B区所示。由于对磨GCr15钢球的硬度远比Cu-15Ni-8Sn合金的大，因此，在其与合金对磨的过程中，对合金产生了切削作用，形成了犁沟，严重时会导致合金剥落成为磨屑。此外，在钢球和合金往复对磨过程中，合金表面的局部区域（如材料抗剪切屈服强度较低的地方）容易发生塑性变形，同时伴有变形强化，使合金局部的塑性变差，进而在反复对磨过程中损伤逐步累积，直至其所受外力超过其剪切强度时，就会在合金表层形成裂纹，如图4（b）所示。裂纹形成后，在外力的不断作用下扩展，并可能形成二次裂纹，裂纹扩展到一定程度就会使材料发生剥落，形成疲劳剥落坑；随着摩擦磨损的进行，疲劳剥落坑的面积不断扩大。故合金的主要磨损机制为磨粒磨损和疲劳剥落磨损，两者的综合作用导致材料不断流失，形成疲劳剥落坑和犁沟。

铸态合金的摩擦因数和磨损率均明显高于时效态合金的，这是因为铸态合金的硬度远不如时效态合金的，且其剪切屈服强度也低，因此易在切应力作用下产生裂纹，更容易产生疲劳剥落坑，犁沟也更宽和更深，大量疲劳剥落坑也会使得摩擦因数较高。此外，具有较高硬度的合金对抵抗磨粒磨损具有积极作用。Cu-15Ni-8Sn合金是一种调幅分解强化型合金，经固溶并在400℃时效不同时间可以使其依次发生调幅分解、有序化转变以及非连续沉淀等固态相变，在有序化转变完成后合金的硬度达到峰值，当非连续沉淀相（γ相）大量析出后，合金的硬度将迅速下降［12］。在试验中发现，合金在400℃时效1，2h后，硬度迅速提高，且继续延长时效时间至8h，合金的硬度都没有发生明显的变化，因为只在晶界上析出了少量γ相，少量的γ相不能显著消耗基体的调幅结构，降低合金的硬度。因此，合金在400℃时效2～8h后的硬度相差不大，超过8h后才略有下降。根据合金的磨损机制可知，时效时间对摩擦因数的影响不大，时效2～8h后合金的磨损率较低，超过8h后因合金硬度略有下降而导致磨损率略有增大。

3 结 论

（1）时效时间对Cu-15Ni-8Sn合金摩擦因数的影响不大，时效时间为2～8h时，磨损率较低，超过8h后略有增大。

（2）时效态Cu-15Ni-8Sn合金的摩擦因数比铸态合金的降低了约10%，时效态合金的最小磨损率约为铸态合金的43%。

（3）Cu-15Ni-8Sn合金在油润滑摩擦条件下的主要磨损机制为磨粒磨损和疲劳剥落磨损，时效态合金的硬度显著高于铸态合金的是其摩擦磨损性能较优的主要原因。

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