引用本文:
劉宇寧,王云鵬,祝儒飛,王虎,白依可,婁花芬.耐磨銅合金的研究現狀與發展趨勢[J].機械工程材料,2021,45(1):1-7.
Liu Y N, Wang Y P, Zhu R F, et al. Research Status and Development Trend of Wear-Resistant Copper Alloy[J]. Materials for Mechanical Engineering,2021,45(1):1-7.
DOI:10.11973/jxgccl202101001
機械設備高速度化及高性能化的發展要求耐磨銅合金具備更高的強度和更優異的耐磨性能。傳統的鋁青銅系、錳黃銅系和鉛黃銅系等合金的性能雖已有所提升,但因受材料自身特性、加工工藝、環境保護等因素制約,其應用范圍受限。從制備工藝、性能、應用領域等方面介紹了具備較高開發價值的Cu-Ni-Sn系、Cu-Al2O3系、Cu-Nb系、Cu-C系(包括銅/石墨、銅/石墨烯和銅/碳納米管)和復雜黃銅等5種典型耐磨銅合金的應用現狀和研究進展,對其開發應用中所存在的問題進行了分析,并對其發展前景進行了展望。
Part 1
Cu-Ni-Sn系耐磨銅合金
Cu-Ni-Sn系合金是一種具有高強度、優良耐磨、高彈性和良好耐腐蝕性能的銅合金,特別是Cu-15Ni-8Sn合金,其抗拉強度最高可達1350MPa,在海水或酸性、油氣環境中的耐腐蝕性能以及在高負載條件下的耐磨性能均優于鈹青銅和鋁青銅的。因此,Cu-15Ni-8Sn合金廣泛用于制造在高載荷、高速和高腐蝕條件下使用的軸承、軸套、軸瓦及其他耐磨部件。Cu-Ni-Sn合金具有巨大的市場潛力。
Cu-Ni-Sn系合金存在錫元素反偏析而導致的材料成分不均勻問題,同時在后期冷加工過程中,由于合金中的殘余應力較大易引起開裂。因此,國內外學者對Cu-Ni-Sn系合金的成分偏析與加工性能差等問題進行了大量研究,發現通過添加合金元素細化鑄錠晶粒與改善鑄造過程中熔體流動性,以及采用電磁鑄造法增強熔體流動性并控制鑄錠冷卻速率等手段,可以抑制成分偏析、改善合金加工性能,從而制備出性能優異的Cu-Ni-Sn系合金。
耐磨性能的提高也是Cu-Ni-Sn系合金的研究熱點。目前Cu-Ni-Sn合金的研究重點主要包括硬度、耐磨性能以及摩擦磨損機理等。
Part 2
Cu-Al2O3系耐磨銅合金
Cu-Al2O3合金不僅具有銅的優良導熱性、導電性能和耐磨性能,而且還表現出優越的高溫性能和耐腐蝕性能。目前,Cu-Al2O3合金的生產方法主要為內氧化法,還有一些制備方法,如噴射沉積法、溶膠-凝膠法、復合電沉積法等仍處于實驗室研究階段,存在工藝復雜,不適用于工業化生產等不足。內氧化法通過在銅基體內部發生化學反應原位合成強化相,與直接添加Al2O3顆粒制備Cu-Al2O3合金相比具有如下優點:(1)強化相與基體界面干凈;(2)強化相粒子更加細小且分布更加均勻。因此,采用內氧化法制備的Cu-Al2O3合金具有更優異的性能。
我國Cu-Al2O3合金的產業化晚于國外20多年,且產品成本控制及產品質量與國外相比仍存在一定差距。雖然在產品致密性及成分純凈與均勻性控制方面已取得一定的進展,但內氧化法的制備流程復雜,材料質量控制困難,且成本較高,限制了Cu-Al2O3合金的應用與推廣。
Part 3
Cu-Nb系耐磨銅合金
Cu-Nb系合金通過析出強化獲得優異的力學性能;當銅基體內彌散分布著納米級鈮顆粒時,合金的強度和硬度會得到大幅提高,電導率僅略微降低,因此Cu-Nb系合金是一種很有發展潛力的高強高導銅合金,同時也是性能優異的耐磨銅合金。但由Cu-Nb二元相圖可知,銅與鈮在平衡狀態下基本不互溶,且銅與鈮的熔點相差過大,采用傳統的熔鑄工藝很難實現大規模生產,只能采用形變復合法進行制備。形變復合法分為形變原位法和非原位復合法2種制備工藝。形變原位法是通過快速凝固或粉末冶金法使銅、鈮混合均勻,再經大變形量冷軋或冷拉使銅、鈮同時變形,最終獲得鈮纖維間距為納米級的復合材料,但在應用中可能出現斷裂現象,不利于實際應用。非原位復合法通過反復捆扎、熱擠、冷拉和堆疊獲得具有較大直徑的納米復合材料。
機械合金化法作為一種典型的形變復合工藝,可以增大鈮在銅中的固溶度。機械合金化制備的納米晶Cu-Nb合金是一種兼具高強度、高導電性、良好耐磨性以及抗高溫軟化性能的先進復合材料,具有較廣闊的應用前景。利用機械合金化方法獲得的不同成分Cu-Nb合金的組織與性能如表1所示。關于機械合金化過程中的強化固溶機制以及晶粒細化行為尚有待深入研究。
表1 機械合金化制備不同Cu-Nb合金的組織與性能
Part 4
Cu-C系耐磨銅合金
Cu-C系合金(復合材料)既有銅基體的優良導電導熱性能、高強度、耐電弧燒蝕等優點,又有碳的優良潤滑性能等特點,普遍應用于汽車、航空航天、軌道交通等領域。兼具優良導電性和自潤滑性能的Cu-C系復合材料為制備高鐵受電弓滑板的首選材料;隨著電機轉速的提高,新一代的Cu-C系復合材料電刷應運而生。制備Cu-C系復合材料的工藝方法主要有粉末冶金法、擠壓鑄造法、熱壓固結法、原位合成法等。其中粉末冶金法是一種普遍采用的方法,其燒結類型包括熱壓燒結、無壓燒結、放電等離子燒結、微波燒結和激光燒結等。
銅和碳的潤濕性問題很大程度上制約了Cu-C系復合材料的發展,目前主要通過化學鍍銅或鍍鎳的方式來改善銅和碳之間的界面結合狀態。
碳納米管和石墨烯因具有高強度、高熱導率和良好的減摩特性等,有望大幅度提升Cu-C系復合材料的耐磨性能、導電性能和使用壽命。但碳納米管和石墨烯在銅基體中具有很強的范德華力,在混粉過程中很容易發生團聚,而均勻分散的石墨烯/碳納米管是制備高性能石墨烯/碳納米管增強銅基復合材料的關鍵之一。碳納米管或石墨烯增強銅基復合材料的開發仍處于實驗室階段。總結得到Cu-C系合金耐磨性能的研究成果見表2。
表2 Cu-C系合金耐磨性能的研究成果
Part 5
復雜黃銅
復雜黃銅是指在簡單黃銅中加入鋁、錳、鎳、鐵、硅、錫、鈦等元素的一類黃銅,其中以鋁為第三主元素的合金稱為復雜鋁黃銅,以錳為第三主元素的合金稱為復雜錳黃銅,目前在工程材料中使用較廣泛的主要是以上2種復雜黃銅。添加合金元素可使黃銅具有較高的強度、耐磨性和耐沖擊性能,可用于制造汽車同步器齒環、軸承、軸套和各種高強耐磨鍛壓件等。
目前,常見的復雜鋁黃銅牌號有HAl66-6-3-2、HAl61-4-3-1等。正確地選用合金元素、合理地設計合金成分以及采用一定的形變熱處理工藝可以控制合金中硬質顆粒相的大小、形貌和分布,從而使材料的綜合性能達到最佳狀態。有關耐磨復雜黃銅強化機理的研究受到研究人員的重視,而有關具體應用條件下耐磨復雜黃銅性能的測試、評價和提升的方面則相對空白。
Part 6
結束語
新型耐磨銅合金在開發應用中仍存在一些問題,因此有必要進一步提高其綜合性能。在實驗室條件下采用粉末冶金、機械合金化、快速凝固和真空熔煉等制備方法可有效降低Cu-Ni-Sn系合金中錫元素的偏析程度,然而仍然需要進一步開發低成本、批量化的生產工藝;粉末冶金法制備Cu-Al2O3系合金的流程復雜,制備致密性高、零膨脹率的高性能Cu-Al2O3系合金的成本非常高,因而有必要尋找降低Cu-Al2O3系合金制備成本的方法,使其應用領域從電真空領域擴大到鋁合金汽車點焊電極等其他領域;Cu-Nb系合金具有良好的抗高溫軟化性能,在高溫工況下作為耐磨零部件使用時具有明顯優勢,將鈮均勻析出在銅合金中并在較低鈮添加量下使合金獲得更高的導熱性能,是Cu-Nb系合金開發的重點;Cu-C復合材料在自潤滑零部件領域有較大優勢,但其強度、導熱導電性等仍需提高,Cu-C復合材料中碳與銅界面的良好結合、碳在銅基體中的定向排布和均勻分散是需要攻克的重點技術,而目前增材制造等新技術的應用可能使復合材料獲得更優異的性能;復雜黃銅的成分復雜,其相組成及相變過程仍需要探索,各相在耐磨性能方面所發揮的作用需深入分析,以控制材料綜合性能。
耐磨銅合金的開發需緊密結合各應用場景對性能的需求,在工藝與性能上獲得突破,從而推動相關產業發展。耐磨銅合金的性能與質量直接影響著相關產業的發展進程,開發新型高性能耐磨銅合金材料并實現產業化生產具有重要意義。
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