高强耐磨黄铜的制备及其强化工艺研究

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高强耐磨黄铜因具有优良的高强度和高耐磨性被广泛用于制造柱塞泵、汽车同步器齿环等,但随着我国工程机械和汽车工业的快速发展,对作为关键材料之一的高强耐磨黄铜的综合性能要求越来越高。本研究设计了不同成分的高强耐磨黄铜,研究合金元素Si、Al和Ni等对其铸态微观组织、耐磨相生长、力学性能及磨损机理的影响。通过对各高强耐磨黄铜进行形变处理,研究了挤压和冷拉过程中合金的微观组织和性能的演变规律。此外,优选MS-13黄铜为对象,对其进行不同温度固溶和时效处理,研究耐磨相在热处理过程中的生长和演变规律及其对力学性能和磨损机制的影响。研究结果表明:(1)高强耐磨黄铜中随着Si含量的升高,合金中耐磨相逐渐增多,同时尺寸逐渐增大。Si含量为1.3wt%时,合金的力学性能和耐磨性能最佳,磨损机理主要为磨粒磨损。随着Mn含量的升高,黄铜耐磨相数量明显增多,并在晶界和相界偏聚。Al元素在高强耐磨黄铜中以固溶的形式存在,能够细化晶粒并显著提高黄铜的力学性能;Ni元素在高强耐磨黄铜中会与硅锰元素聚集形成一种富Ni相,能够显著提高黄铜的耐磨性能。(2)继续合金化的五种高强耐磨黄铜中,MS-321黄铜的力学性能和耐磨性能最佳,抗拉强度为490MPa,延伸率为7.5%,硬度为147HB。其组织为α+β相基体上分布着条状和块状的耐磨相颗粒,耐磨相有在相界上偏聚的倾向。在本研究的摩擦磨损条件下,其磨损率和摩擦系数分别为2.069×10-14m3/N·m和0.23。(3)经过挤压和冷拉处理后,晶粒得到细化,晶粒沿挤压方向伸长;耐磨相颗粒尺寸明显变小,呈短棒状和细小颗粒弥散均匀分布在基体中,且均沿挤压和冷拉方向生长。综合力学性能和耐磨性能得到提升。(4)随着固溶温度的升高,MS-13黄铜基体中β相的比例增加,Mn5Si3相在基体中的分布更加均匀,颗粒细小;与铸态MS-13黄铜相比,力学性能与耐磨性提高,固溶温度为710℃时力学性能与耐磨性能最佳。在此基础上,进行不同温度时效处理,合金的摩擦系数和磨损率随温度升高而升高,经350℃时效处理后,耐磨性能最佳,硬度提高10%,而抗拉强度基本保持不变。
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