铜合金表面复合渗层的组织与性能研究

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1、硕士学位论文摘要本文以高炉风口为应用背景，采用负压铸渗工艺在ZQAl9--4铜合金表面制各了一层耐磨、耐高温氧化WC／Ni复合耐磨材料、自润滑材料G／Ni和Zr02／Ni和SiC／Ni复合渗层，考察了复合渗层的组织结构、元素分布、相组成、渗层表面和界面的硬度分布、渗层与基体的结合强度以及复合渗层的摩擦性能。结果表明：复合渗层可分为表面复合层、粘结带和扩散层，复合合金粉料在高温铜合金液的作用下可以熔化并与铜合金液熔合。复合渗层与基体之间粘结带的存在，增强了渗层的结合强度，起到缓冲和降低渗层应力作用。增强颗

2、粒分布均匀，渗层组织致密，界厦结合良好。并且合金粉末元素从渗层表面到基体呈明显的梯度变化；渗层组织主要由Ni—Cr固溶体、硬质相CrB、CrB2、Ni3B、Ni3tSil2和增强颗粒组成，将显著的增强渗层的耐磨性能。渗层表面硬度由HBl30增加到HRC53,最大的显微硬度达到HVl687。渗层界面显微硬度从表面到铜合金基体呈连续梯度变化，最大显微硬度位于渗层的次表面。三点弯曲试验结果表明，复合渗层与铜合金基体在一定的位移范围内可保持一定的协同性。当WC含量为50％时，渗层的性能最佳，抗压强度、抗拉强度分

3、别达到180MPa和150MPa(抗压、抗拉最大载荷位移分别为0．84KN、0．7KN和0．2ram、O．25mm)，分别以渗层表面的部分崩塌和表面裂纹的形式失效；对于G／Ni复合渗层在压头位移小于0．25mm时，复合渗层与Cu基体保持着一定的协同性(5％G复合渗层可承受最大载荷为0．5lⅢ)；而Zr02／Ni复合渗层随着渗层中Zr02含量的增加，渗层的断裂强度增加(25％Zr02渗层载荷为0．65KN，15％Zt02渗层载荷为0．4KN)，并且渗层与基体保持着一定的协同性(位移小于0．2mm)．复合渗

4、层明显地增强了铜合金的耐磨性能。在载荷200N、300N和速度0．848m／s的条件下，Ni基渗层的磨损率比基体铜合金降低两个数量级(从6．5X10—4mm3／L和9X10—4mm3／L到1．12X10。2mm3／m和2．85X10。2mm3／m)，主要由于在摩擦过程中，摩擦热导致铜合金基体软化，从而降低其耐磨性能；而在0．848m／s、300N的条件下，WC／Ni渗层的磨损率较Ni基渗层的磨损率降低约一个数量级(从1．5X10-4mm3，L到9．0X10～mm3／L)。而对于G／Ni复合渗层中石墨并不

5、能有效的减小摩擦系数和降低磨损，这主要是在试验过程中，摩擦热导致摩擦环境的变化影响所致；但G的加入可有效的减小摩擦系数的波动和稳定摩擦系数。对于SiC／Ni复合渗层，由于SiC颗粒能与Ni发生反应，生成Ni—Si系列金属间化合物和石墨(C)，从而在SiC颗粒表面到内部形成类似富勒希结构的组织。有效的增强了颗粒与基体的结合强度，同时生成的石墨c在摩擦磨损时，也可起铜合金表面复合渗层的组织与性能研究到减磨耐磨的作用。以预制层毛细管内流动的液态基体金属为分析单元，通过计算分析得出影响渗层形成的因素主要有毛细管

6、两端的压差P、毛细管半径R、液态金属的粘度fl以及金属保持液态的时间t。根据分析以及试验结果可以将渗层的形成可分为四个阶段：第一阶段为液态金属加热预制层；第二阶段为冷却金属液重熔，在铸渗过程结束后形成冶金结合层；第三阶段为毛细效应，在铸渗过程结束后形成表面熔覆层；第四阶段为冶金烧结，在铸渗过程结束后形成表面烧结层。关键词：铜合金；负压铸渗工艺；复合渗层；组织结构；性能Ⅱ硕士学位论文AbstractInthispaper,awear-resistantandhightemperatureoxidation

7、—resistantoftheinfiltratedcompositelayerofWC／Ni，G／Ni，Zr02／NiandSiC／Niwereproducedonthebronzesurfacethroughvacuuminfiltrationtechniqueaccordingtotheworkconditionsofblastfumace．Themicrostructures，elementdistribution，phase，hardnessofsurfaceandCROSS-section，

8、bendingstrengthandwear·resistanthavebeeninvestigated．Theresultshowsthattheinfiltratedlayerwascomposedofthreelayers，thatis，surfacecompositelayer,bondlayeranddiffusionlayerbecausethecompositematerialpowdercouldmeltanddissolv