劉宇軒，吳 偉，陳 強，羅宗強，張衛(wèi)文

（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州510640）

0 引 言

銅基合金滑動軸承具有較高的強度、良好的耐磨性和耐蝕性，廣泛應用于航空、航天、采礦、海洋開發(fā)等領域［1-2］。傳統(tǒng)的銅基合金軸承所用材料主要有無鉛錫青銅、含鉛錫青銅、復雜黃銅、鋁青銅和鈹青銅［3-4］。隨著各種機械設備朝著大型化、高載荷等方向發(fā)展，對軸承合金的強度和耐磨性能提出了更高的要求，以滿足設備更高的承載能力以及更長時間的穩(wěn)定運行。

Cu-15Ni-8Sn合金于20世紀80年代由貝爾實驗室開發(fā)出來，是一種調(diào)幅分解強化型合金，經(jīng)調(diào)幅分解以及后續(xù)的變形加工，其抗拉強度可達1 400MPa，性能可與鈹青銅相媲美［5］。Cu-15Ni-8Sn合金最初是作為一種變形銅合金開發(fā)的，旨在代替鈹青銅用作制造繼電器、接觸開關、引線框等元件的電工材料。目前，關于Cu-15Ni-8Sn合金的大量研究主要集中在強化機理、制備工藝、強韌化和導電性等方面［6-7］。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，Cu-15Ni-8Sn合金在重載軸承領域表現(xiàn)出了優(yōu)良的性能，國外已經(jīng)開始采用該合金制造各種重載機械的軸承類零件［8］。但是，針對該合金摩擦磨損性能的研究多數(shù)是基于變形Cu-15Ni-8Sn合金進行的，而針對鑄造Cu-15Ni-8Sn合金摩擦磨損性能的研究并不多，特別是針對不同狀態(tài)（鑄態(tài)與時效態(tài)）Cu-15Ni-8Sn合金摩擦磨損性能的對比研究還很少見。因此，作者針對鑄態(tài)和不同時效態(tài)Cu-15Ni-8Sn合金開展了摩擦磨損性能對比研究，期望為推動該合金的應用提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗原料為電解銅、電解鎳和工業(yè)純錫，按銅、鎳、錫的質量比為77…15…8配料，并加入質量分數(shù)為0.05%的鈦做變質劑。采用中頻感應爐熔煉，澆注溫度為1 250～1 280℃，澆鑄到預熱至150℃的金屬模具中，獲得直徑約為60mm、高度約160mm的圓柱形鑄態(tài)毛坯；將鑄態(tài)毛坯置于電阻爐中，在840℃均勻化退火處理8h，空冷，之后再將其在820℃進行固溶處理，時間為1h，然后在室溫的水中淬火，獲得固溶態(tài)合金鑄錠。沿圓柱形鑄態(tài)毛坯的中線通過線切割制取鑄態(tài)合金的金相、硬度和摩擦磨損試樣，待用。采用同樣的方式在固溶態(tài)合金鑄錠上制取金相、硬度和摩擦磨損試樣（試樣均取自圓柱鑄錠靠外圓約5mm的位置），然后在400℃下分別進行1，2，3，4，6，8，10h的時效處理，得到時效態(tài)試樣。

先采用1500＃砂紙打磨摩擦磨損試樣，用超聲波清洗干凈后，采用OPTIMOL SRV型摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損試驗［9］。摩擦磨損試樣的尺寸為φ16mm×8mm，對磨材料為φ10mm的GGr15鋼球，其硬度為62～63HRC。鋼球在摩擦磨損試樣上做直線往復振動，預加載荷為50N，摩擦開始后預加載荷在60s內(nèi)加載到試驗載荷500N，試驗溫度為室溫，鋼球往復運動的頻率為50Hz，振動幅度為1mm。為保證試驗過程中潤滑油的狀態(tài)一致，且無過熱現(xiàn)象以及潤滑充分，潤滑油選用30＃機油，每隔2min滴入新鮮的機油。每種狀態(tài)的試樣重復3次試驗，取3次磨損體積的平均值來計算磨損率。

采用HB-3000B型布氏硬度計測試樣的硬度，取五個點的平均值；利用BMT Expert 3D型形貌儀對試樣的磨痕進行觀察，橫向精確度為1μm，垂直精確度接近1nm，然后根據(jù)文獻［10］的公式計算磨損體積；利用LEICA／DMI5000M型光學顯微鏡以及FEI Quanta 200型掃描電鏡進行微觀組織觀察。

2 試驗結果與討論

2.1 硬度和摩擦磨損性能

從表1可知，合金在400℃時效處理后，硬度最高達到了296HB，遠遠高于鑄態(tài)合金的（176HB）；時效時間為1～2h時，隨著時效時間延長，合金的硬度顯著增大；時效2～8h后，合金的硬度基本不變，且達到峰值；時效10h后，硬度略有下降，但不是很明顯。

表1 不同狀態(tài)合金的布氏硬度Tab.1 Brinell hardness of the alloy in different states HB

從圖1可知，在試驗初期，摩擦副存在一個跑合過程，即隨時間延長，摩擦因數(shù)有一個快速上升的階段，然后快速下降；隨時間進一步延長，摩擦因數(shù)逐漸達到平穩(wěn)階段。從圖中可以看出，鑄態(tài)合金的摩擦因數(shù)要明顯高于時效態(tài)合金的，而時效2h和8h后的摩擦因數(shù)-時間曲線幾乎重合。

圖1 不同狀態(tài)合金的摩擦因數(shù)-時間曲線Fig.1 Friction coefficient of cast and aged alloy as a function of time

由表2可見，鑄態(tài)合金的摩擦因數(shù)為0.17，時效態(tài)合金的基本都在0.153～0.159之內(nèi)?？梢?，與鑄態(tài)合金相比，時效態(tài)合金的摩擦因數(shù)約降低了10%。

表2 不同狀態(tài)合金的摩擦因數(shù)和磨損率Tab.2 Friction coefficient and wear rate of the alloy in different states

另由表2可以看出，時效態(tài)合金的最小磨損率約為鑄態(tài)合金的43%，時效態(tài)合金的磨損率隨時效時間延長而先減小后增大，在時效2h后的變化量不是很大。

2.2 顯微組織和磨損形貌

由圖2（a）可見，鑄態(tài)合金為典型的樹枝晶組織，主要分為三個特征區(qū)，一是粗大的呈亮白色的樹枝晶，二是亮白色枝晶之間的黑色組織，三是黑色組織中出現(xiàn)的小塊狀亮白色第二相。大量研究表明，亮白色樹枝晶為α相基體，黑色組織為α＋γ交替的層片狀共晶組織，小塊狀亮白色第二相為富錫相γ（CuxNi1-x）3Sn［11］。

由圖2（b）～（d）可見，時效處理后，富錫相完全固溶到合金基體中；隨著時效時間延長，在晶界處析出了非連續(xù)的γ（CuxNi1-x）3Sn相。

由圖3可知，磨損鑄態(tài)合金和時效態(tài)合金表面均存在犁溝和合金剝落后留下的凹坑；鑄態(tài)合金表面的剝落凹坑最為嚴重，犁溝的寬度和深度均比時效態(tài)合金的大；與時效1h相比，時效2h合金表面上的犁溝寬度和深度均明顯減小，剝落凹坑的數(shù)量也減少；時效時間大于2h后，合金表面的磨損形貌沒有顯著變化。

圖2 鑄態(tài)和400℃時效不同時間后合金的顯微組織Fig.2 Microstructure of the alloy in cast state（a）and aging at 400℃for 1h（b），4h（c）and 8h（d）

圖3 鑄態(tài)和400℃時效不同時間后合金的磨損表面形貌Fig.3 Surface wear morphology of the alloy in cast（a）and aging at 400℃fo1h（b），2h（c）and 4h（d）

2.3 討 論

鑄態(tài)Cu-15Ni-8Sn合金經(jīng)時效處理后的組織和硬度發(fā)生了明顯的變化，這種變化必然會導致其摩擦磨損性能發(fā)生變化。

圖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

在試驗條件下，磨痕主要有兩部分構成。一是表面的輕微劃痕區(qū)，由一條條很淺的犁溝組成，占據(jù)了磨痕的大部分面積，其方向是沿著GCr15鋼球的移動方向，如圖4（a）中的A區(qū)所示；二是局部出現(xiàn)的疲勞剝落坑，疲勞剝落坑周圍有壓扁的片狀材料，該區(qū)發(fā)了明顯的塑性變形，如圖4（a）中的B區(qū)所示。由于對磨GCr15鋼球的硬度遠比Cu-15Ni-8Sn合金的大，因此，在其與合金對磨的過程中，對合金產(chǎn)生了切削作用，形成了犁溝，嚴重時會導致合金剝落成為磨屑。此外，在鋼球和合金往復對磨過程中，合金表面的局部區(qū)域（如材料抗剪切屈服強度較低的地方）容易發(fā)生塑性變形，同時伴有變形強化，使合金局部的塑性變差，進而在反復對磨過程中損傷逐步累積，直至其所受外力超過其剪切強度時，就會在合金表層形成裂紋，如圖4（b）所示。裂紋形成后，在外力的不斷作用下擴展，并可能形成二次裂紋，裂紋擴展到一定程度就會使材料發(fā)生剝落，形成疲勞剝落坑；隨著摩擦磨損的進行，疲勞剝落坑的面積不斷擴大。故合金的主要磨損機制為磨粒磨損和疲勞剝落磨損，兩者的綜合作用導致材料不斷流失，形成疲勞剝落坑和犁溝。

鑄態(tài)合金的摩擦因數(shù)和磨損率均明顯高于時效態(tài)合金的，這是因為鑄態(tài)合金的硬度遠不如時效態(tài)合金的，且其剪切屈服強度也低，因此易在切應力作用下產(chǎn)生裂紋，更容易產(chǎn)生疲勞剝落坑，犁溝也更寬和更深，大量疲勞剝落坑也會使得摩擦因數(shù)較高。此外，具有較高硬度的合金對抵抗磨粒磨損具有積極作用。Cu-15Ni-8Sn合金是一種調(diào)幅分解強化型合金，經(jīng)固溶并在400℃時效不同時間可以使其依次發(fā)生調(diào)幅分解、有序化轉變以及非連續(xù)沉淀等固態(tài)相變，在有序化轉變完成后合金的硬度達到峰值，當非連續(xù)沉淀相（γ相）大量析出后，合金的硬度將迅速下降［12］。在試驗中發(fā)現(xiàn)，合金在400℃時效1，2h后，硬度迅速提高，且繼續(xù)延長時效時間至8h，合金的硬度都沒有發(fā)生明顯的變化，因為只在晶界上析出了少量γ相，少量的γ相不能顯著消耗基體的調(diào)幅結構，降低合金的硬度。因此，合金在400℃時效2～8h后的硬度相差不大，超過8h后才略有下降。根據(jù)合金的磨損機制可知，時效時間對摩擦因數(shù)的影響不大，時效2～8h后合金的磨損率較低，超過8h后因合金硬度略有下降而導致磨損率略有增大。

3 結 論

（1）時效時間對Cu-15Ni-8Sn合金摩擦因數(shù)的影響不大，時效時間為2～8h時，磨損率較低，超過8h后略有增大。

（2）時效態(tài)Cu-15Ni-8Sn合金的摩擦因數(shù)比鑄態(tài)合金的降低了約10%，時效態(tài)合金的最小磨損率約為鑄態(tài)合金的43%。

（3）Cu-15Ni-8Sn合金在油潤滑摩擦條件下的主要磨損機制為磨粒磨損和疲勞剝落磨損，時效態(tài)合金的硬度顯著高于鑄態(tài)合金的是其摩擦磨損性能較優(yōu)的主要原因。

［1］COLLYEAR J.有色金屬與滑動軸承［J］.中國有色金屬學報，1993，3（4）：88-92.

［2］尹延國，焦明華，解挺，等.滑動軸承材料的研究進展［J］.潤滑與密封，2006，177（5）：183-187.

［3］GLAESER W A.Wear properties of heavy loaded copperbased bearing alloys［J］.Journal of Metals，1983，35（10）：50-55.

［4］戴安倫，嚴高闖，朱治愿，等.熱處理對新型高鋁青銅合金摩擦磨損性能的影響［J］.機械工程材料，2013，37（12）：16-20.

［5］宋練鵬，葉江，尹志民，等，等.高強耐磨Cu-15Ni-8Sn合金的研究［J］.湖南有色金屬，2001，17（4）：29-31.

［6］王艷輝，汪明樸，洪斌，等.Cu-15Ni-8Sn導電性材料的研究現(xiàn)狀與進展［J］.材料導報，2003，17（3）：24-26.

［7］張少宗，江伯鴻，丁文江.國內(nèi)Spinodal分解Cu-Ni-Sn系合金研究進展［J］.材料導報，2006，20（8）：84-86.

［8］CRIBB W R，GRENSING F C.Spinodal copper alloy C72900-new high strength antifriction alloy system ［J］.Canadian Metallurgical Quanterly，2011，50（3）：232-239.

［9］夏偉，李風雷，唐正強，等.滾壓對6061鋁合金微動磨損性能的影響［J］.華南理工大學學報：自然科學版，2011，39（1）：85-89.

［10］閻逢元，周惠娣，張澤撫.球-盤微動摩擦件磨損體積的測量與計算［J］.摩擦學學報，1995，15（4）：145-151.

［11］從善海，韓芳，汪旭超.超高強Cu-Ni-Sn合金的熱處理工藝與組織性能［J］.金屬熱處理，2010，35（6）：43-47.

［12］WANG Yan-hui， WANG Ming-pu，HONG Bin.The strengthening of Cu-15Ni-8Sn alloy［C］／／Transactions of Materials and Treatment Proceedings of the 14thIFHTSE Congress.［S.l.］：［s.n］，2004.