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目前人们对铜基形状记忆合金的研究多集中在马氏体稳定化、形状记忆效应等方面,很少研究该合金的耐磨性,实际上铜基形状记忆合金由于具有独特的马氏体相变机制和超弹性而拥有良好的磨损性能。本文对加入了复合稀土的CuZnAl合金在室温下的磨损性能做了系统研究。
对复合稀土CuZnAl合金进行两种方式热处理:800℃固溶60min淬入室温水,再100℃时效30min;800℃固溶60min淬入室温柴油,再100℃时效30min。在M-2000型磨损试验机上对铸态和热处理后的复合稀土CuZnAl合金开展了环一块式油润滑滑动磨损试验。试验选择46#机油为润滑油,滴油速度是30滴/min,以Φ50×Φ16×10mm的45钢钢环为对磨件,对磨件的转速是200rad/min。试验选择了200N、400N、600N、800N四种摩擦载荷及1h、2h、4h、6h、8h五种摩擦时间。对比研究了不同工况下三种状态复合稀土CuZnAl合金的摩擦性能和磨损机理。用精度为0.1mg的电子天平测量合金试样的质量损失,在万能材料试验机上进行室温拉伸实验,用MH-5硬度计测合金显微硬度,在光学显微镜上观察摩擦试验前、后合金的微观组织,通过扫描电镜(SEM)观察磨痕形貌,并利用EDS分析合金成分,XRD分析合金结构。获得实验结果如下:
(1)铸态复合稀土CuZnAl合金组织粗大,为α+β双相平衡组织,两相的硬度值不同,基体β相硬度为172.82Hv,α相较软,硬度只有80.56Hv,合金抗拉强度为520.4MPa;热处理后合金硬度均匀,强度提高,水淬+时效的合金硬度为167.66Hv,抗拉强度为690.6MPa,油淬+时效的合金硬度为156.15Hv,抗拉强度为750.2MPa。
(2)热处理后合金元素固溶完全,合金中产生马氏体组织,合金具有形状记忆效应,其中油淬+时效的合金马氏体更致密、有序;经XRD分析,油淬+时效的复合稀土CuZnAl记忆合金中18R马氏体规则度高于水淬+时效合金。
(3)铸态合金在低载下摩擦时会形成第三体层覆盖整个磨面,减少磨面损坏,提高了合金耐磨性;高载下合金磨损严重,随着载荷增加,磨损机理从单一磨粒磨损过渡到磨粒磨损+粘着磨损+接触疲劳磨损+塑性流变,铸态合金不适用于高载工况。
(4)低载下水淬+时效的合金比油淬+时效的合金耐磨,随着摩擦载荷的增加及摩擦时间的延长油淬+时效合金反而表现出更好的耐磨性,热处理后合金的磨损机理从单一磨粒磨损过渡到磨粒磨损+少量粘着磨损+接触疲劳磨损。
(5)摩擦试验前后复合稀土CuZnAl合金的组织发生了变化,铸态合金α相的形态由摩擦前的团块状向片状转变,随着载荷增加,α相出现破碎,热处理后的合金在摩擦过程中,应力诱发了针状马氏体,并且马氏体择优取向。
(6)热处理后合金具有形状记忆效应和超弹性,使得其耐磨性优于铸态合金;摩擦过程中,马氏体易发生协调变形,减少应力集中(裂纹源)产生,并且当磨面温升超过Af后合金处于超弹性,发生伪弹性变形而非塑性变形,降低了摩擦质量损失;合金组织越细密耐磨性越好,马氏体相(M相)比母相(β相)耐磨。