宣布时间：2021-11-03点击：1965
摘要：接纳熔铸复正当制备了高铅青铜CuPb15Sn7/45钢双金属层状复合质料 ，研究了加热条件和冷却速率等工艺参数对铜钢复合界面和组织性能的影响纪律。结果标明 ，当装炉温度为900℃ ，保温温度为1 015℃ ，保温时间为5 min并接纳氮气冷却时 ，铜钢界面具有优异的冶金结合性能 ，界面拉伸断裂强度抵达200 MPa；铜合金区铅颗粒漫衍较均匀 ，铅元素烧损量低于1%；钢基体的组织和晶粒尺寸漫衍合理 ，体现出优异的熔铸复合效果。
随着对工程质料综合性能的要求越来越高 ，接纳简单金属质料制造的零部件越来越难以满足其全方位性能需求。加之贵金属资源逐渐稀缺 ，使得双金属层状复合质料逐渐获得工业推广和应用。层状金属复合质料在坚持各层金属原有特性的基础上 ，整体性能获得显著提高 ，其制备工艺也越来越受到重视。
高铅青铜具有良好的导热性、耐磨性、耐攻击性和抗咬合性 ，广泛用于制造柱塞泵缸体等液压零部件。同时 ，由于铜和铁的晶格类型、晶格常数和外电子原子数很是接近 ，具有良好的复合冶金相容性。以钢为基体层、高铅青铜为复合层制备的铜钢双金属层状复合质料兼具两种质料的优异性能。目前 ，制备铜钢双金属层状复合质料的常用要领包括爆炸复正当、轧制复正当、扩散复正当、离心铸造法、熔铸法和粉末烧结法等。其中 ，爆炸复正当、轧制复正当主要用于制备双金属层状板材；扩散复正当制备周期长 ，长时间保温易造成严重的铅元素氧化烧损 ，本钱也较高；离心铸造法易导致铅元素宏观偏析；粉末冶金法涉及工序多 ，制备周期长 ，本钱高。
而两种质料同时加热的熔铸复正当 ，在制备铜钢双金属层状复合质料方面具备明显的技术和本钱优势 ，本文将通过熔铸复合试验研究具体工艺参数对铜钢双金属质料组织性能的影响纪律 ，为制订合理的铜钢双金属熔铸复合计划提供理论依据。
1 试验计划
1.1 试验质料
试验接纳的质料包括高铅青铜CuPb15Sn7和45钢 ，两种质料的化学身分如表1所示。试验前 ，将45钢加工成Φ42 mm×45 mm的圆柱体 ，并在一端加工出Φ32 mm×7 mm的凹槽 ，将铜合金加工成Φ30 mm×6 mm的圆片�；庸ず� ，需要经过砂纸打磨、碱洗、酸洗、80℃饱和硼砂水浸泡等外貌处理工艺 ，并凭据图1所示组装后进行熔铸试验。
1.2 试验办法
接纳配合加热熔铸复合工艺制备高铅青铜/45钢双金属复合质料。熔铸试验在型号为SG-XQL1400的电阻加热炉中进行 ，试验历程中炉膛内通入高纯氮气作为�；て�。当炉膛内温度升至900℃时 ，将组装好的试样放入炉膛 ，随炉加热至保温温度并保温一段时间 ，取出试样后通过一定的冷却方法制备出铜钢复合试样。
熔铸试验中主要控制保温温度、保温时间和冷却方法三个工艺参数 ，以研究各工艺参数对高铅青铜/45钢的组织和性能作用纪律 ，特别是界面复合效果和铜合金中铅元素的漫衍状态。其中 ，保温温度划分设为1 000℃、1 015℃和1 030℃ ，保温时间设为0、5 min和10 min ，冷却方法划分接纳炉外空冷、氮气冷却和水冷三种方法。
1.3 微观组织视察与性能测试
试验后获得的铜钢双金属试样 ，经机加工切取出金相试样 ，接纳3%的硝酸酒精溶液对45钢基体进行腐化 ，接纳型号为Axio Imager M 2m的光学显微镜视察复合质料各区域的组织形貌以及铅元素颗粒巨细和漫衍状态。接纳型号为iCAP7600的光谱仪剖析试验前后铜合金中铅元素的含量变革。通过单向拉伸试验进行力学性能测试 ，以评估铜钢复合试样的界面结合效果。凭据制备的铜钢熔铸试样并参考金属质料拉伸试验国家标准GB/T 228.1—2010 ，设计的拉伸试样尺寸和拉伸夹具如图2所示。将拉伸试样牢固在夹具上 ，在型号为SANS CMT5305（MTS）的万能试验机上进行拉伸试验 ，以测试复合质料界面结合强度。其中 ，拉伸速度设置为1 mm/min ，试验结束后凭据试样断口直径和载荷盘算拉伸断裂强度。
2 试验结果与剖析
2.1 显微组织剖析
当装炉温度为900℃ ，保温温度为1 000℃ ，保温时间为10 min时 ，制备获得的铜钢熔铸试样 ，其结合界面和铜合金区域显微形貌如图3所示。从图3a可以看出 ，与扩散法等复合工艺相比 ，由于熔铸试验保温时间较短 ，在铜钢结合界面处并未形成性能较差的元素过渡区。在熔铸历程中 ，45钢外貌的齿状间隙和凹坑形貌完全填充熔融的铜合金液体 ，在试样冷却后形成较好的冶金结合效果。研究标明 ，这种结合形貌能增加界面处结合面积 ，减小界面的相对滑移从而提高复合质料的结合强度。
从图3b可以看出 ，熔铸后铜合金区域铅元素漫衍较为均匀 ，形态呈颗粒状或条带状 ，铅颗粒尺寸规模为20～100μm。在熔铸复合的铜合金凝固冷却阶段 ，Cu元素以树枝晶凝固析出 ，Pb元素由于熔点低则填满树枝晶间隙 ，从而形成条带状的漫衍特征。
2.2 保温条件对组织性能的影响
当装炉温度为900℃ ，保温时间为5 min ，冷却方法为空冷时 ，差别保温温度条件制备获得的铜钢熔铸试样界面结合形貌如图4所示。由图4可以看出 ，在差别的保温温度下 ，经过一准时间的保温 ，铜合金均能完全熔化并与45钢在界面处形成良好的冶金结合。由于接纳的高铅青铜理论液相线温度为986℃ ，当铜合金温度凌驾液相线温度后 ，良好的导热性增进铜合金快速熔化 ，熔融的铜合金液渗入45钢外貌的微小漏洞从而实现冶金结合。这标明接纳配合加热的熔铸复合工艺 ，可以实现钢铜界面获得优异的冶金结合状态。
值得注意的是 ，图4中三种界面结合形貌 ，其形成的冶金结合效果保存细微差别 ，这可从拉伸测试结果体现出来 ，三组试样的拉伸断裂强度如表2所示。综合剖析表2的测试结果 ，与保温温度1 015℃相比 ，当保温温度为1 000℃和1 030℃时 ，试样界面拉伸断裂强度均有一定水平降低。剖析钢铜界面结合状态和形貌可以发明 ，冶金结合的形成首先需要铜合金完全熔化 ，当保温温度偏低时 ，较短的保温时间无法包管铜合金完全熔化 ，由于过热度低 ，其在界面形成的冶金结合并不牢固。随着保温温度的升高 ，过热度增加 ，铜合金完全熔化 ，有利于增进合金元素扩散并增强界面的冶金结合效果。但当保温温度过高时 ，由于铅元素快速聚集长大 ，且铅自己质地较脆硬 ，大尺寸的铅颗粒在拉伸变形历程易在界面处爆发疏散而爆发微孔洞 ，导致铅颗粒在拉伸断裂历程会优先断裂脱落 ，进而造成拉伸断裂强度的下降。
为进一步研究保温温度和保温时间对铜合金组织形貌的影响 ，划分在保温温度1 000℃和1 015℃ ，保温时间为0并空冷条件下制备了复合试样 ，两组试样的界面结合形貌如图5所示。其中 ，图5a所示试样中的铜合金未完全熔化 ，结合界面处保存明显的孔洞形貌；而图5b中的铜合金试样完全熔化 ，界面完全冶金结合。结合前述差别保温温度下试样均完全熔化的结果可以推断 ，在1 000℃保温0～5 min的历程恰好是铜合金逐步熔化的历程。然而 ，较低的保温温度和较短保温时间意味着较低的过热度和较短的传热时间 ，铜合金无法完全熔化 ，这导致界面处已熔化合金流失而形成细小孔洞缺陷。此时 ，铜钢界面在宏观尺寸仍能形成冶金结合 ，但拉伸断裂强度偏低。当保温温度提高至1 015℃后 ，尽管在差别的保温时间下均会形成冶金结合 ，但保温时间过短也会造成类似的结合强度偏低现象。因此 ，只有在适当保温温度和保温时间的综相助用下 ，才华实现良好的界面冶金结合效果。
当保温温度为1 000℃ ，保温时间划分为0和5 min并空冷而制备的铜钢复合试样 ，其铜合金区域的组织形貌如图6所示�？梢苑⒚� ，相关于铅颗粒尺寸较为细小均匀的6a试样 ，6b试样中保存较多大尺寸铅颗粒 ，体现出明显的铅元素富集长大现象。前述试验结果已经标明 ，在1 000℃保温0～5 min的历程是铜合金逐步熔化历程。因此 ，在铜合金熔化历程 ，铅元素由于熔点低会较早完成熔化 ，继而快速聚集长大 ，而保温时间的是非直接影响铅元素的尺寸和漫衍状态。在熔铸复合工艺历程中 ，铅元素的聚集长大是一个要害技术问题 ，这也是判断熔铸工艺参数是否合理的因素之一。
保温时间的是非同样影响铜合金完全熔化后的铅元素尺寸和漫衍状态 ，在1 015℃保温差别时间并空冷制备了三组试样 ，其组织形貌如图7所示。其中 ，7a试样未完全熔化 ，结合界面处保存较宽较长的孔洞间隙 ，铅元素尺寸较为细小。7b试样和7c试样完全熔化 ，界面处均形成冶金结合。然而 ，7b试样的铜合金区域保存较多大尺寸铅颗粒 ，而7c试样中的铅颗粒尺寸相对较小 ，主要体现为条带状。三个试样的ICP测试结果标明 ，7a、7b试样的铅元素含量与原质料相差不大 ，均为14.8%左右 ，而7c试样的铅元素含量仅为9% ，氧化烧损了约40%。
凭据上述试验结果可以总结铜合金组织及铅元素在熔铸历程中的变革纪律。***阶段 ，在加热至铜合金熔化前 ，由于铅元素不溶于铜合金基体 ，也不与其他元素形成化合物 ，低熔点的铅元素较早熔化 ，在固态铜合金的束缚和外界热量的不绝输入下 ，熔融的铅元素处于较为活跃状态。第二阶段 ，在铜合金逐步熔化历程中 ，熔融的铅元素快速聚集长大 ，并趋向于形成较大尺寸的铅颗粒 ，但这一阶段并未泛起铅元素烧损。第三阶段 ，随着保温时间的延长 ，大尺寸的铅颗�？挤浩鹕账鹣窒� ，并转化为条带状和点状漫衍形貌 ，其含量也由于烧损快速降低。
2.3 冷却方法对组织性能的影响
与钢材热处理工艺相类似 ，冷却速率关于接纳熔铸工艺制备的复合质料组织性能有显著影响。当保温温度为1 015℃ ，保温时间为5 min时 ，差别冷却方法制备的铜钢复合质料铜合金区域组织如图8所示�？梢钥闯� ，三组试样的铜合金区域铅元素漫衍均较为均匀。
宏观来看 ，相比于8b和8c试样 ，接纳空冷方法制备的8a试样铅颗粒尺寸较小 ，更多泛起细小点状漫衍。测试三组试样的铅元素含量发明 ，8a试样的铅元素含量为12% ，较试验前下降约20% ，而8b和8c试样的铅元素含量均在14%以上。三个试样从炉内取样至冷却到室温所用时间差别 ，因此可以推断 ，接纳空冷方法 ，冷却速率相对较低 ，意味着较长高温阶段停留时间 ，造成一定水平的铅元素烧损 ，而接纳氮气冷却及水冷方法 ，冷却速率较大 ，能够有效制止铅原始的烧损。
图8中三组试样的45钢基体组织形貌 ，如图9所示。接纳空冷方法制备的试样 ，其组织主要为珠光体和铁素体 ，并含有少量魏氏体组织。接纳氮气冷却的试样主要为珠光体、铁素体及少量奥氏体 ，晶粒巨细与试验前相近。接纳水冷方法制备的试样 ，由于取出温度在1 000℃左右 ，水冷温度在奥氏体单相区 ，***终水冷后为晶粒尺寸较大的奥氏体与马氏体组织。
因此 ，关于以45钢为基体、高铅青铜合金为复合层制备的双金属层状复合质料及其零件 ，在包管铜合金中铅元素含量和尺寸的前提下 ，应将冷却速率控制在适中水平 ，提高冷却后钢基体中珠光体和铁素体的比例 ，从而包管冷却后45钢的晶粒尺寸和复合质料整体的力学性能。
2.4合理的熔铸工艺参数
通过对铜钢复合质料的显微组织视察和界面结协力学性能测试 ，剖析了保温条件和冷却速率对复合质料界面结合情况和铜合金区域组织形貌的影响 ，凭据上述结果和剖析 ，关于本次试验的铜钢试样尺寸 ，接纳配合加热熔铸复合工艺制备铜钢双金属复合质料的合理工艺参数为：当炉膛温度为900℃时试样装炉 ，保温温度为1 015℃ ，保温时间为5 min ，试样接纳氮气冷却。接纳合理的熔铸复合工艺参数制备的铜钢复合质料 ，铜合金基体铅颗粒漫衍均匀 ，铅元素含量为14.6% ，烧损量低于1%。铜钢结合界面的拉伸断裂强度凌驾200 MPa ，能够包管优异的冶金结合效果。
3.结论
（1）当铜钢试样尺寸确定后 ，装炉温度、保温温度、保温时间和冷却方法是要害的熔铸复合工艺参数 ，直接影响铜钢复合质料的组织性能和界面冶金结合质量。关于本次铜钢试样 ，合理的熔铸工艺参数为：装炉温度900℃ ，保温温度1 015℃ ，保温时间5 min ，冷却方法为氮气冷却。
（2）接纳合理的熔铸工艺参数制备的铜钢复合质料 ，铜合金基体铅颗粒漫衍均匀 ，铅元素含量为14.6% ，烧损量低于1%；钢基体的微观组织和晶粒尺寸漫衍合理；铜钢界面具有优异的冶金结合性能 ，界面的拉伸断裂强度抵达200MPa ，体现出良好的熔铸复合效果。
来源:铸造杂志
