紫铜表面铝系二元共渗层的物相组成与性能研究

王振军，汪国才，程 序，张 诚，潘万钢，尤胜强

（马钢股份特钢公司 安徽马鞍山 243041）

1 实验过程

1.1 样品制备

选用纯度为99.9%的紫铜为共渗基体，尺寸为15 mm×15 mm×5 mm。 渗剂选用200 目的纯Al、Co、Fe、Ti、Cr 和Ni 粉；NH4Cl 粉为催化剂；Al2O3为填充剂。 以直径30 mm、高40 mm、厚3 mm 的圆柱形刚玉坩埚作为渗罐。 各个共渗体系中渗剂的配比见表1，将配好的渗剂使用行星球磨仪球磨2 h，以充分均匀混合。 将混合好的渗剂粉末倒入渗罐中，紫铜基体埋在渗罐的中心位置，然后将渗罐加盖并用耐火泥（加水玻璃）密封。 将密封好的渗罐放入马弗炉中，按照图1 所示的升温制度将试样进行共渗处理。 降温结束后取出试样，并用酒精超声清洗后吹干。

图1 共渗过程的升温制度

表1 各种共渗体系下渗剂的配比（wt. %）

1.2 表征与测试

利用扫描电镜（Scanning Electron Microscope）观察各渗层的微观结构。 利用X 射线衍射仪（Bruker AXS D8 Advance，Germany）分析各渗层的物相组成。

利用HVS－1000M 型维氏硬度计测试样品的显微硬度，试验条件：载荷200 g，保压时间10 s。为了比较不同厚度渗层的硬度，从最外层到最内层平均分为8 个维度，每个维度上横向测试10 个硬度点，取平均值作为这个维度上的硬度值。 磨损试验在MMUD－5B 型高温端面摩擦磨损试验机上进行，试验条件：载荷60 N，磨损时间30 min，转速100 r／min。 测试前，将每个试样的测试面打磨至1500 目。 分别记录测试前后的样品的质量，通过磨损失重来评价各渗层的耐磨性。 采用德国耐驰公司出品的LFA 457 型激光导热仪测量各渗层的导热系数，测试样品尺寸：直径为12 mm、厚度为2.5 mm 的圆柱。

2 结果与讨论

2.1 共渗层物相分析

图2（a）展示了Al－Co 渗层横截面的微观结构。 渗层厚度约950 μm，从渗层表面到铜基体方向可分为三层：附着层、扩散层、固溶层。 分别对附着层和扩散层进行物相分析，结果如图2（b）和（c）所示。 附着层中主要包含Al2O3、AlCo、Cu9Al4和Cu 单质相，与标准的Cu 衍射峰相比，Cu 单质相的峰发生了小角度偏移，这说明渗层中存在Cu 基固溶体。 扩散层中包含AlCo、Cu9Al4和Cu 单质相，说明Al 和Co 原子渗入到铜基体后形成了Al⁃Co、Cu9Al4合金相。

图2 （a）Al－Co 渗层截面微观结构；（b）附着层XRD 图谱；（c）扩散层XRD 图谱

Al－Fe 渗层的厚度约800 μm，附着层和扩散层的物相分析结果如图3 所示。 可以看出附着层中含有Al2O3、AlFe、Cu9Al4和Cu 基固溶体相，而扩散层包含AlFe、AlFe3、Cu9Al4和Cu 单质相。 合金相的形成说明Al、Fe 原子成功的渗入到了铜基体表面。 另外，由于Fe 在Cu 中的固溶度很低（0.3－0.8 wt.%），如果Fe 原子浓度超过此固溶极限就会形成Fe 富集或与Al 原子形成金属间化合物［13］，所以渗层中产生了AlFe 和AlFe3合金相。

图3 Al－Fe 渗层物相分析

Al－Ti 渗层的厚度约900 μm，附着层和扩散层的物相分析结果如图4 所示。 可以看出渗层中除了Cu9Al4以外没有形成任何的合金相，其原因可能是Ti 原子固溶到Cu9Al4中。 根据XRD 分析结果，Cu9Al4金属间化合物的衍射峰确实发生了小角度的偏移。

图4 Al－Ti 渗层物相分析

Al－Cr 渗层的厚度约1420 μm，附着层和扩散层的物相分析结果如图5 所示。 与Al－Ti 渗层类似，渗层中也发现其他合金相，只发现了少量的Cr单质相。 根据Cu－Cr 相图，Cr 在铜中的溶解度很小，大约只有0.03 wt. %，且随着温度的降低而急速降低。 因此，在降温过程中，渗层中可能会析出少量的Cr 原子，弥散的Cr 原子会阻碍位错的移动而形成弥散强化。

图5 Al－Cr 渗层物相分析

Al－Ni 渗层的厚度约1350 μm，附着层和扩散层的物相分析结果如图6 所示。 可以看出附着层的物相包含Al2O3、AlNi3、Cu9Al4和Ni 单质相，其中Ni 单质相的衍射峰发生了小角度偏移，说明渗层中形成了Ni 基固溶体。 而扩散层中含有AlNi3、Cu9Al4和AlNi 三种合金相，同时含有Cu 基固溶体相。 同样地，Cu 单质相的衍射峰也发生了小角度的偏移，说明产生了Cu 基固溶体。

图6 Al－Ni 渗层物相分析

2.2 共渗层性能对比分析

由于各渗层的厚度不一致，采用相对位置来比较相对硬度，结果如图7 所示。 可以看出每种渗层的显微硬度相对于铜基体都大幅度提高，说明通过共渗处理改善了铜表面性能。 总体来看，Al－Ni 渗层的显微硬度较高，附着层硬度最高达到了460 HV。 附着层硬度值较低的是Al－Ti 和Al－Fe 渗层，可能是由于附着层Al2O3颗粒较少。 在扩散层第一个维度上，Al－Ni 渗层和Al－Cr 渗层都达到了350 HV。 而扩散层显微硬度较低的是Al－Fe 渗层，最高仅250 HV，原因可能是扩散层中形成的合金相较少，亦或是AlFe、AlFe3合金相本身硬度就偏低。 各渗层的固溶层硬度基本相差不大，这是因为固溶层内主要都是Cu 基固溶体。

图7 不同铝系渗层的显微硬度对比

图8 为不同铝系渗层的耐磨性测试结果。 从图8（a）中可以看出铜基体的磨损量比各个渗层的磨损量高很多，说明共渗处理极大改善了铜表面的耐磨性。 对比不同渗层发现Al－Ni 和Al－Cr 渗层的耐磨性较好，磨损量分别为7.2 mg 和7.8 mg。Al－Fe 和Al－Ti 渗层的耐磨性稍微差点，磨损量分别为8.8 mg 和9.2 mg。 耐磨性相对较差的是Al－Co 渗层，磨损量达到了10.5 mg。 从摩擦系数的结果可以看出，渗层的摩擦系数比铜基体的低，且更平稳。 对比各个渗层，摩擦系数较小的是Al－Ni 渗层（0.05），摩擦系数较大的是Al－Co 渗层（0.15）。一般来说，摩擦系数越小，耐磨性越好。 耐磨性差的样品更易粘附于摩擦副上而导致高的摩擦系数。

图8 不同铝系渗层的耐磨性测试结果

各渗层的导热系数测试结果如图9 所示。 与纯铜的导热系数（400 W／m·K）相比，渗层的导热系数都明显降低，这是因为这些合金元素导热系数均比铜低，渗入到铜基体中必然降低整体的导热性，区别在于降低程度的大小。 一般认为渗层的导热系数越低，对整体的导热系数影响越大。 从结果中可以看出导热性相对较好的渗层是Al－Co 渗层，300 ℃时导热系数为184.24 W／m·K，而500℃时增到了231.55 W／m·K。 其次是Al－Ti 渗层，在300℃－500℃之间其导热系数在145 W／m·K上下摆动。 Al－Ni 渗层的导热系数比Al－Ti 渗层的稍低，其导热性值在137 W／m·K 左右。 导热系数最低的是Al － Cr 渗层， 在500 ℃时只有92.54 W／m·K。

图9 不同铝系渗层的导热率对比

从以上结果可以看出渗层硬度从高到低依次是Al－Ni、Al－Cr、Al－Co、Al－Ti 和Al－Fe，渗层耐磨性从高到低依次是Al－Ni、Al－Cr、Al－Fe、Al－Ti 和Al－Co，渗层导热性从高到低依次是Al－Co、Al－Ti、Al－Ni、Al－Fe 和Al－Cr。 因此，在所有渗层中，Al－Ni 渗层表现出最好的综合性能。

3 结论

1）通过固体包埋渗的方法制备了Al－Co、Al－Fe、Al－Ti、Al－Cr 和Al－Ni 五种渗层，所有渗层从外表面到铜基体可分为三层：附着层、扩散层、固溶层。 渗层总厚度分别为950 μm、800 μm、900 μm、1420 μm 和1350 μm。

2）各渗层中均含有Cu9Al4以及其它合金相，由于合金相的存在，渗层显微硬度和耐磨性相对于铜基体大大提高。 其中Al－Ni 和Al－Cr 渗层表现出较高的显微硬度和耐磨性。

3）由于合金元素的引入，各渗层的导热系数相对于纯铜均下降，但是Al－Co、Al－Ti 和Al－Ni 渗层的导热系数下降幅度较小。

4）Al－Ni 渗层的综合性能最好，其表面附着层显微硬度为460 HV，导热系数在132.534 W／m·K～142.527 W／m·K 之间（300 ℃－500 ℃）。