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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(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].機(jī)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

     Cu-Ni-Sn系合金是一種具有高強(qiáng)度、優(yōu)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(qiáng)度最高可達(dá)1350MPa,在海水或酸性、油氣環(huán)境中的耐腐蝕性能以及在高負(fù)載條件下的耐磨性能均優(yōu)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(dǎo)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(yīng)力較大易引起開裂。因此,國內(nèi)外學(xué)者對Cu-Ni-Sn系合金的成分偏析與加工性能差等問題進(jìn)行了大量研究,發(fā)現(xiàn)通過添加合金元素細(xì)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(qiáng)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(yōu)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(diǎn)。目前Cu-Ni-Sn合金的研究重點(diǎn)主要包括硬度、耐磨性能以及摩擦磨損機(jī)理等。

     Cu-Al2O3合金不僅具有銅的優(yōu)良導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性能和耐磨性能,而且還表現(xiàn)出優(yōu)越的高溫性能和耐腐蝕性能。目前,Cu-Al2O3合金的生產(chǎn)方法主要為內(nèi)氧化法,還有一些制備方法,如噴射沉積法、溶膠-凝膠法、復(fù)合電沉積法等仍處于實(shí)驗室研究階段,存在工藝復(fù)雜,不適用于工業(yè)化生產(chǎn)等不足。內(nèi)氧化法通過在銅基體內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)原位合成強(qiáng)化相,與直接添加Al2O3顆粒制備Cu-Al2O3合金相比具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)強(qiáng)化相與基體界面干凈;(2)強(qiáng)化相粒子更加細(xì)小且分布更加均勻。因此,采用內(nèi)氧化法制備的Cu-Al2O3合金具有更優(yōu)異的性能。

     我國Cu-Al2O3合金的產(chǎn)業(yè)化晚于國外20多年,且產(chǎn)品成本控制及產(chǎn)品質(zhì)量與國外相比仍存在一定差距。雖然在產(chǎn)品致密性及成分純凈與均勻性控制方面已取得一定的進(jìn)展,但內(nèi)氧化法的制備流程復(fù)雜,材料質(zhì)量控制困難,且成本較高,限制了Cu-Al2O3合金的應(yīng)用與推廣。

     Cu-Nb系合金通過析出強(qiáng)化獲得優(yōu)異的力學(xué)性能;當(dāng)銅基體內(nèi)彌散分布著納米級鈮顆粒時,合金的強(qiáng)度和硬度會得到大幅提高,電導(dǎo)率僅略微降低,因此Cu-Nb系合金是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ母邚?qiáng)高導(dǎo)銅合金,同時也是性能優(yōu)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(tài)下基本不互溶,且銅與鈮的熔點(diǎn)相差過大,采用傳統(tǒng)的熔鑄工藝很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn),只能采用形變復(fù)合法進(jìn)行制備。形變復(fù)合法分為形變原位法和非原位復(fù)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(jīng)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(fù)合材料,但在應(yīng)用中可能出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象,不利于實(shí)際應(yīng)用。非原位復(fù)合法通過反復(fù)捆扎、熱擠、冷拉和堆疊獲得具有較大直徑的納米復(fù)合材料。

      機(jī)械合金化法作為一種典型的形變復(fù)合工藝,可以增大鈮在銅中的固溶度。機(jī)械合金化制備的納米晶Cu-Nb合金是一種兼具高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性、良好耐磨性以及抗高溫軟化性能的先進(jìn)復(fù)合材料,具有較廣闊的應(yīng)用前景。利用機(jī)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(guān)于機(jī)械合金化過程中的強(qiáng)化固溶機(jī)制以及晶粒細(xì)化行為尚有待深入研究。

表1 機(jī)械合金化制備不同Cu-Nb合金的組織與性能

     Cu-C系合金(復(fù)合材料)既有銅基體的優(yōu)良導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、高強(qiáng)度、耐電弧燒蝕等優(yōu)點(diǎn),又有碳的優(yōu)良潤滑性能等特點(diǎn),普遍應(yīng)用于汽車、航空航天、軌道交通等領(lǐng)域。兼具優(yōu)良導(dǎo)電性和自潤滑性能的Cu-C系復(fù)合材料為制備高鐵受電弓滑板的首選材料;隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高,新一代的Cu-C系復(fù)合材料電刷應(yīng)運(yùn)而生。制備Cu-C系復(fù)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(jié)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(jié)類型包括熱壓燒結(jié)、無壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)、微波燒結(jié)和激光燒結(jié)等。

     銅和碳的潤濕性問題很大程度上制約了Cu-C系復(fù)合材料的發(fā)展,目前主要通過化學(xué)鍍銅或鍍鎳的方式來改善銅和碳之間的界面結(jié)合狀態(tài)。

      碳納米管和石墨烯因具有高強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率和良好的減摩特性等,有望大幅度提升Cu-C系復(fù)合材料的耐磨性能、導(dǎo)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(qiáng)的范德華力,在混粉過程中很容易發(fā)生團(tuán)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(qiáng)銅基復(fù)合材料的關(guān)鍵之一。碳納米管或石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的開發(fā)仍處于實(shí)驗室階段。總結(jié)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

      復(fù)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(fù)雜鋁黃銅,以錳為第三主元素的合金稱為復(fù)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(fù)雜黃銅。添加合金元素可使黃銅具有較高的強(qiáng)度、耐磨性和耐沖擊性能,可用于制造汽車同步器齒環(huán)、軸承、軸套和各種高強(qiáng)耐磨鍛壓件等。

     目前,常見的復(fù)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(shè)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(zhì)顆粒相的大小、形貌和分布,從而使材料的綜合性能達(dá)到最佳狀態(tài)。有關(guān)耐磨復(fù)雜黃銅強(qiáng)化機(jī)理的研究受到研究人員的重視,而有關(guān)具體應(yīng)用條件下耐磨復(fù)雜黃銅性能的測試、評價和提升的方面則相對空白。

     新型耐磨銅合金在開發(fā)應(yīng)用中仍存在一些問題,因此有必要進(jìn)一步提高其綜合性能。在實(shí)驗室條件下采用粉末冶金、機(jī)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(jìn)一步開發(fā)低成本、批量化的生產(chǎn)工藝;粉末冶金法制備Cu-Al2O3系合金的流程復(fù)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(yīng)用領(lǐng)域從電真空領(lǐng)域擴(kuò)大到鋁合金汽車點(diǎn)焊電極等其他領(lǐng)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(yōu)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(dǎo)熱性能,是Cu-Nb系合金開發(fā)的重點(diǎn);Cu-C復(fù)合材料在自潤滑零部件領(lǐng)域有較大優(yōu)勢,但其強(qiáng)度、導(dǎo)熱導(dǎo)電性等仍需提高,Cu-C復(fù)合材料中碳與銅界面的良好結(jié)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(diǎn)技術(shù),而目前增材制造等新技術(shù)的應(yīng)用可能使復(fù)合材料獲得更優(yōu)異的性能;復(fù)雜黃銅的成分復(fù)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(fā)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(fā)需緊密結(jié)合各應(yīng)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(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。耐磨銅合金的性能與質(zhì)量直接影響著相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程,開發(fā)新型高性能耐磨銅合金材料并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)具有重要意義。