复杂黄铜表面滚压形变强化及其对表面性能影响

摘要

我国是铜资源消费大国，每年生产的铜制品占全球铜制品总产量的大约50%。然而我国铜矿查明量仅占世界总储量的4.6%，因此需要进一步提高铜合金的综合性能和使用效率。面滚压形变强化技术不改变材料表面的化学成分，直接在基体材料表面上进行冷加工，材料表层组织结构的变化呈梯度连续性变化，不存在结合力不牢脱落的问题，另外材料表面形变强化用到的设备简单廉价、工艺操作方便和效果显著。用该方法提高铜合金的性能具有一定的研究和应用价值。 论文用铜合金中使用最广泛的复杂黄铜为实验材料，通过滚压对复杂黄铜进行表面形变强化，然后利用扫描电子显微镜（SEM）、金相显微镜（OM）、X射线衍射仪（XRD）、白光干涉仪、硬度机、UMT-2多功能摩擦磨损机和电化学工作站等分析测试设备对铜合金表面微观组织结构和各性能进行分析研究，得到以下主要结论： （1）当主轴转速为450 r/min，压入量为1 mm，进给速度为0.14 mm/r时，形变层深度大约180μm,在最表层的90μm内，β和α相晶粒严重碎化，晶界模糊，硅锰强化相镶嵌其中，平行于表面排列。90-180μm范围内β相压扁被拉长，α相和硅锰强化相沿晶界分布。 （2）复杂黄铜表面滚压可以降低表面粗糙度Ra。主轴转速、压入量和进给速度等工艺参数对Ra有显著影响。滚压量不断增大时，Ra值先是减小后又增大，在滚压量为1 mm时，Ra值最小为0.36μm,在滚压量2 mm时急剧上升为1.6μm，并且表层出现剥层和裂纹。进给速度越慢表面滚压越均匀，Ra值越低，进给速度快滚压不充分Ra值升高。主轴转速和Ra值呈类似关系，转速越低Ra值越低。 （3）表层显微硬度和表层显微组织变化相对应，也呈梯度分布，硬度值随层深增加逐渐降低。改变主轴转速，其他参数不变，硬度沿层深分布变化不大，但最表层层度变化显著。硬化层深度随滚压量的增大而增大。 （4）复杂黄铜表面形变强化提高了其在油润条件下的摩擦磨损性能。在油润滑环境下，滚压试样在50 N时磨损率降低大约2倍，75 N时降低1倍,100 N时降低10%，125N时降低40%左右。滚压试样在载荷为50 N和75 N时是轻微的磨粒磨损，载荷为100N时磨损以层状剥落和磨粒磨损为主，125 N时磨损机制为磨粒磨损、氧化磨损少量的疲劳磨损，可能是次表层二次强化和氧化磨粒共同作用磨损率降低。 （5）在质量分数3.5%为NaCl溶液介质中做动电位扫描电化学腐蚀，滚压试样的腐蚀电位为240 mV高于原试样204 mV，腐蚀电流密度2.4×10-6 Acm-2远低于原试样41.2×10-6 Acm-2。滚压强化提高了复杂黄铜的耐腐蚀性。在电化学腐蚀过程中，原试样出现严重的脱锌腐蚀，滚压后试样表面粗糙度的降低，残余压应力和形变织构共同作用下提高了耐腐蚀性能。

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