放電等離子燒結(jié)42CrMo鋼/黃銅雙金屬復合接頭的顯微組織

，姜平，，，，，

(1.長安大學材料科學與工程學院，西安 710061；2.西安交通大學材料科學與工程學院，西安 710049;3.寧波工程學院材料與化學工程學院，寧波 315211)

0 引 言

柱塞泵是工業(yè)生產(chǎn)中應用極為廣泛的一種裝置，其關(guān)鍵零部件如滑靴、配油盤的服役條件較為惡劣。這些關(guān)鍵零部件常用銅合金制造，但往往還未達到預期壽命就因銅合金的嚴重磨損而失效，這既降低了經(jīng)濟效益又造成了材料浪費，因而需要研制一種新型的復合材料以替代傳統(tǒng)銅合金[1]。

銅具有良好的延展性、耐熱性、導熱性，能滿足零部件在高溫、高速工況下的使用要求；42CrMo鋼是一種中碳結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的力學性能。若能將這兩種金屬復合在一起，取長補短使二者產(chǎn)生協(xié)同效應，則有可能滿足不同服役環(huán)境下的要求[2]。但銅與鋼的熔點、導熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)和力學性能等都有很大的不同[3]，采用傳統(tǒng)焊接方法使二者連接后易產(chǎn)生應力集中，導致開裂。真空擴散焊、熔鑄等是常用的異種金屬連接方法，能實現(xiàn)銅鋼之間良好的冶金結(jié)合。然而，真空擴散焊的擴散時間較長，生產(chǎn)效率較低；熔鑄需要較高的溫度，易導致金屬氧化。放電等離子燒結(jié)(SPS)技術(shù)是一種快速、節(jié)能、環(huán)保的材料加工制備新技術(shù)，該技術(shù)集等離子體活化和熱壓為一體，利用壓力使兩種金屬實現(xiàn)機械結(jié)合，利用放電等離子體和導電加熱使金屬升溫，金屬間原子發(fā)生相互擴散，最終實現(xiàn)兩種金屬的冶金結(jié)合[4-5]。和傳統(tǒng)的連接方法相比，SPS技術(shù)能在較短的時間內(nèi)完成燒結(jié)過程，大大節(jié)約了時間，提高了生產(chǎn)效率。

因此，作者采用SPS技術(shù)制備了42CrMo鋼/黃銅接頭，研究了接頭的顯微組織、成分分布、顯微硬度分布以及組織形成過程，為新型鋼銅復合材料的制備提供依據(jù)。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為42CrMo鋼，熱軋態(tài)，實測化學成分見表1；黃銅，擠壓態(tài)，實測化學成分見表2。由圖1可知：42CrMo鋼的顯微組織主要為索氏體和針狀鐵素體，鋼中存在帶狀偏析，這是由熱軋而導致的[6]，這種偏析容易導致42CrMo鋼與黃銅連接時出現(xiàn)裂縫及未焊合現(xiàn)象，在連接前適當增加保溫時間可減少該缺陷；黃銅的顯微組織主要為由鋅固溶在銅中形成的α和β固溶體，中間彌散分布的針狀、圓點狀顆粒為強化相。

表1 42CrMo鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Chemical composition of 42CrMo steel (mass) %

表2 黃銅的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.2 Chemical composition of brass (mass) %

將42CrMo鋼和黃銅分別機加工成φ20 mm×8 mm和φ20 mm×5 mm的圓柱體，將待連接表面用600#，800#，1200#砂紙依次研磨，拋光機拋光后，在丙酮中超聲清洗30 min，用吹風機吹干，待用。

圖1 42CrMo鋼和黃銅的顯微組織Fig.1 Microstructures of 42CrMo steel (a) and brass (b)

如圖2所示，將黃銅和42CrMo鋼試樣放入石墨模具中，置于SPS-1030型真空燒結(jié)爐內(nèi)，抽真空至約0.5 Pa后，用液壓泵在Z軸方向上施加壓力，壓力分別為5，10 MPa，溫度為770 ℃，升溫方式為在3 min內(nèi)升溫到600 ℃，再在2 min內(nèi)升溫到700 ℃，再在3 min升溫到770 ℃，保溫時間為1 h，保溫結(jié)束后，經(jīng)2 h冷卻到室溫，得到42CrMo鋼/黃銅接頭。

圖2 放電等離子燒結(jié)示意Fig.2 Schematic of spark plasma sintering

用DTQ-5型金相切割機將連接后的試樣沿縱向切開，用600#，800#，1200#，1500#的砂紙依次研磨，拋光機拋光后，分別用體積分數(shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕42CrMo鋼，用體積分數(shù)為10%的氯化鐵鹽酸溶液腐蝕黃銅，采用擦拭的方法，時間2～4 s，然后在Axio Observer ZIM型光學顯微鏡上觀察腐蝕前后的顯微組織。利用S-4800型掃描電鏡(SEM)觀察接頭的微觀形貌，用附帶的Bruker-5030型能譜分析儀(EDS)分析微區(qū)化學成分。用扭力扳手沿兩種金屬組織差異明顯的界面處將試樣機械斷開，用D8-AdvanceX射線衍射儀(XRD)分析黃銅側(cè)斷口的物相組成。用MH-5型顯微硬度計測接頭截面顯微硬度，載荷0.98 N，保載時間為10 s，從原始結(jié)合界面處分別向銅鋼兩側(cè)，每隔50 μm取點測試。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖3可知：與熔鑄連接的直線型界面[7]明顯不同，SPS連接42CrMo鋼/黃銅接頭的連接界面呈犬牙交錯狀；在較小壓力(5 MPa)下界面附近出現(xiàn)了一條明顯的縫隙，而較大壓力(10 MPa)下的縫隙消失，在10 MPa壓力下燒結(jié)后，42CrMo鋼的顯微組織與未燒結(jié)原始組織相同，但偏析消失；黃銅側(cè)近界面處出現(xiàn)大面積團狀、島狀組織，且距界面越遠該組織分布越稀疏；在近鋼側(cè)的黃銅中有一個明顯的組織細密的過渡層，寬度為10～20 μm，該層可能是因42CrMo鋼和黃銅接觸部分溫度較高，黃銅熔化而形成的；在縫隙附近發(fā)現(xiàn)一些微小孔隙，這些孔隙應是因鐵、銅擴散速率不同而產(chǎn)生的柯肯達爾空洞，以及銅和鋼因膨脹系數(shù)不同導致燒結(jié)收縮性差異較大而產(chǎn)生的少量空隙。

圖3 不同壓力SPS連接42CrMo鋼/黃銅接頭腐蝕前后的截面形貌Fig.3 Cross section morphology of 42CrMo steel/brass joint by SPS under different pressures before (a-b) and after (c) corrosion

2.2 截面硬度分布

由圖4可知，鋼/銅接頭截面硬度呈梯度變化，在42CrMo鋼和黃銅之間存在一個寬約90 μm的區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)，隨著距42CrMo鋼距離的增大，硬度逐漸降低，直至與黃銅基體的硬度接近。

圖4 在10 MPa壓力下SPS連接后42CrMo鋼/黃銅接頭的截面硬度分布Fig.4 Sectional hardness distribution of 42CrMo steel/brass jointby SPS under pressure of 10 MPa

圖5 在10 MPa壓力下SPS連接后42CrMo鋼/黃銅接頭的截面SEM形貌Fig.5 SEM micrograph showing cross section of 42CrMo steel/brassjoint by SPS under pressure of 10 MPa

2.3 微觀形貌和化學成分

由圖5可見：42CrMo鋼和黃銅之間存在明顯的寬10～20 μm的過渡層和寬約70 μm的島狀組織區(qū)，總寬度約90 μm。結(jié)合圖5和表3分析可知：在距界面20 μm的位置D處主要含有鐵、硅、錳元素，沒有發(fā)現(xiàn)銅和鋅元素；位置E處的化學成分與黃銅的基本一致；在過渡層中的位置B處除了含有位置E處的所有元素外，還含有質(zhì)量分數(shù)約10%的鐵，且銅質(zhì)量分數(shù)從60.85%降低至52.22%；黃銅中的島狀組織(位置A，C)均含有鐵、銅、鋅元素，且鐵元素含量大于過渡層中的，這說明鐵擴散至黃銅中并形成了某種以鐵元素為主的固溶體，這既有利于提高界面結(jié)合強度，也有利于銅合金一側(cè)硬度的提高[1]。

表3 42CrMo鋼/黃銅接頭不同位置(見圖5)的EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù))Tab.3 EDS results at different positions (shown in Fig.5) of42CrMo steel/brass joint (mass) %

由圖6可知：42CrMo鋼中的鐵元素向黃銅中擴散，黃銅一側(cè)的島狀組織鐵含量較高，硅元素也主要集中在島狀組織里，這是因為硅在鐵中的溶解度較高，二者形成了固溶體，這與EDS分析結(jié)果相符；鋁元素分布較均勻，這是因為鋁在鐵和銅中的溶解度都很高。

由圖7(a)可知，在過渡層區(qū)，銅元素含量略高于鐵元素的，當掃描經(jīng)過島狀組織時，鐵元素含量急劇增大而銅元素含量(質(zhì)量分數(shù)，下同)近乎為0，掃描經(jīng)過銅基體組織時，則鐵元素含量近乎為0。

圖6 在10 MPa壓力下SPS連接后42CrMo鋼/黃銅接頭截面SEM形貌和元素面掃描結(jié)果Fig.6 Cross-section SEM morphology (a) and element mapping results (b-e) of 42CrMo steel/brass joint by SPS under pressure of 10 MPa

圖7 在10 MPa壓力下SPS連接后42CrMo鋼/黃銅接頭元素線掃描位置和結(jié)果Fig.7 Element linear scanning position (a) and results (b) of42CrMo steel/brass joint by SPS under pressure of 10 MPa

結(jié)合接頭截面硬度分布可知，在SPS過程中，42CrMo鋼與黃銅發(fā)生元素互擴散[8]，42CrMo鋼中的鐵元素向銅中擴散，擴散深度約為90 μm，銅元素向鋼中的擴散則不太明顯。鐵元素擴散深度比熔鑄連接(40～60 μm)[9]、常規(guī)真空擴散連接(3～5 μm)[10]和澆鑄復合(30 μm)[7]的都要深。由此可見，采用SPS技術(shù)連接鋼和銅時元素擴散得更加充分。此外，SPS時的升溫速率快，可在較短時間內(nèi)完成擴散連接過程。

2.4 物相組成

由圖8可知，在界面處黃銅中生成了Fe3Si和FeMn3相，說明鐵元素向黃銅中發(fā)生了擴散。

圖8 在10 MPa壓力下SPS連接后42CrMo鋼/黃銅接頭界面處黃銅斷口的XRD譜Fig.8 XRD pattern of brass fracture at interface of 42CrMosteel/brass joint by SPS under pressure of 10 MPa

2.5 接頭組織形成過程

在壓力10 MPa下SPS連接42CrMo鋼和黃銅的過程中，在軸向壓力作用下鋼和黃銅局部凸起點首先接觸，同時在SPS低電壓、高電流的脈沖電源作用下，接觸界面的近表層材料瞬間達到高溫熔融狀態(tài)[11-13]，快速冷卻凝固后在靠近鋼側(cè)形成了組織較為細小的寬10～20 μm的過渡層。該過渡層由大量低熔點的銅合金和極少量的鋼熔融混合而成。由于鐵在銅中的溶解度比銅在鐵中的溶解度高一個數(shù)量級[14]，因此在隨后的保溫保壓過程中，過渡層中的鐵元素繼續(xù)向銅合金基體側(cè)發(fā)生固相擴散，結(jié)合界面處的線掃描結(jié)果驗證了這一現(xiàn)象。

一般情況下，固相擴散總是優(yōu)先通過黃銅的晶界或α/β相的相界而實現(xiàn)，鐵元素擴散進入黃銅并長大形成富鐵相，即圖5所示深灰色的島狀組織。隨著距結(jié)合界面距離的增大，溫度降低，鐵元素向黃銅中的溶解擴散變得困難，只能向某些高缺陷部位擴散并長大，因此島狀組織變得越來越稀疏；當溫度降低到鐵向銅中擴散的最低溫度后，擴散不再發(fā)生，此處顯微組織與銅合金的原始顯微組織相同。

此外，鋁、硅元素在鐵中的溶解度較大[14]，因此富鐵的島狀組織中的鋁、硅含量也相對較高。

3 結(jié) 論

(1) 利用SPS技術(shù)制備42CrMo鋼/黃銅接頭，在42CrMo鋼和黃銅之間存在一個寬10～20 μm的過渡層，過渡層中銅含量較高而鐵含量較低，組織較為均勻細密；在近過渡層的黃銅中存在一寬約70 μm的島狀組織區(qū)，島狀組織為以鐵元素為主的固溶體；在較高壓力下，接頭中不存在縫隙，但存在少量孔隙。

(2) 42CrMo鋼/黃銅接頭的顯微硬度呈梯度變化，鐵元素擴散劇烈，擴散深度達到90 μm，銅的擴散不太明顯，42CrMo鋼和黃銅之間為擴散連接。

(3) 在42CrMo鋼/黃銅接頭結(jié)合界面處黃銅斷口上存在Fe3Si和FeMn3相。

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