渗硅

将硅渗入工件表层的化学热处理工艺

渗硅是指将硅渗入工件表层的化学热处理工艺。钢铁化学热处理方法的一种。将钢铁制件放入含硅的介质（如硅铁粉或含有四氯化硅的气体）中加热，新生的活性硅渗入钢铁表层，使其表面具有耐热性和耐酸性。其中包括用粉末渗硅介质进行的固体渗硅，用气体渗硅介质进行的气体渗硅。

简介

铜合金渗硅层在实验室试验中,反映出很好的耐磨性。那么,铜合金摩擦件渗硅后能否经受住各厂矿现场苛刻条件的挑战。大量的应用实践作了肯定的答复。但是,渗硅处理之所以能提高耐磨性的机理,尚未见到有关的报导。对此进行论述和分析,作为在选择更确当的元素和改进化学热处理工艺,进一步提高铜合金摩擦件表面性能时的参考。

由于机械零件使用寿命延长,不仅节约了很多铜合金材料,而且减少维修,赢得了开机生产的时间,由此各使用厂都取得了显著的经济效益。

360冷轧机轧辊轴瓦未渗硅时的损坏形式

360冷轧机轧辊材料为滚动轴承钢,经热处理,辊颈硬度大于45HRc。经一周服役后,发现辊颈表面有铜粒子粘附。在轴瓦(材料为ZCu Sn 10P1)上,沿旋转方向取样做磨片,用金相显微镜可见到磨屑的形成和剥离过程。材料在法向载荷和摩擦力的作用下,表层产生了胞状结构,胞壁几乎平行于表面,其平行度随远离表面而减弱。胞状结构层的厚度约190μm,随载荷的大小而变化。

在摩擦表面上,沿胞壁产生了裂纹核,并沿着胞壁扩展。磨屑分离前的裂纹尾部已存在一些分散裂纹,当裂纹连接时就和母体分离,形成磨屑,磨屑的厚度约50μm。由此看来,磨损磨屑的形成与疲劳裂纹的成核、扩展是很相似的。

铜合金渗硅层磨损的形式

铜合金渗硅层的组织,由T相和Cu5 Si相组成,为ZCu Sn 10P1渗硅层在上述同一轧机上服役,经受摩擦磨损后的组织。它由先共析Cu5 Si加共析体组成。表层处的共析体在摩擦力和法向载荷作用下产生剪切变形,共析体团中的T相和Cu5 Si 相都沿着摩擦力的方向产生弯曲,有部分Cu5 Si被剪断,在相邻的T相片中留下了滑移线; 表面塑性变形层的深度大多在36μm以下,最深处约66μm; 表面处的T相被磨损而低洼, Cu5 Si相凸出。

渗硅改变锡青铜的晶体结构

当两金属的洁净表面接近到1nm 时易产生粘着现象,但不同晶体结构的粘着键的几率是不同的,面心立方晶格为1,体心立方晶格为2 /3,稠密立方为1 /2。所以铜和铁的粘着力较大。当渗硅层的含硅量达w= 0. 046时,开始出现U-Mn型复杂立方晶格的Cu5 Si相,它的原子密度达20,不易产生塑性变形,不易与体心立方的铁产生粘着,减小摩擦力。

金属表面发生溶质原子偏聚

金属的表面处于高能状态,溶质原子能自发地向表面扩散。Grabke H. J.等应用离子溅射和俄歇谱分析固溶体材料表层的化学成分时,发现在Cu-Al、Cu-Sn、Cu-Si等合金系中,都相应有Al、Sn、Si等在表面偏聚。实践证明,铝在铜合金表面的偏聚会增加粘着力,而锡和硅在表面的偏聚会明显地降低表面粘着力。所以在锡青铜上进行渗硅处理,能明显地降低表面粘着力,减小摩擦系数,增加减摩性。

降低层错能,使磨损裂纹难于成核和扩展

铜合金在载荷和摩擦力的作用下易产生塑性变形,引发胞状结构,胞壁是由于位错的交滑移和攀移造成的位错缠结和塞积。当位错缠结或塞积到一定程度时,在胞壁处萌生裂纹核,位错又在裂纹尖端继续塞积,导致裂纹沿胞壁扩展。当层错能越高时,越易形成胞状结构。为了减弱形成胞状结构的倾向,应降低层错能。按Saka N提出的铜基固溶体的层错能随溶质含量而变化的曲线可知,当含硅量大于0. 068原子浓度后,在Sn、Zn、Si三种溶质元素中,硅对降低铜基固溶体层错能的作用最大。当铜合金渗硅层的含硅量达到或超过0. 11原子浓度时,更能明显地降低层错能,从而增加了引发胞状结构所必须的能量,提高了抵抗裂纹成核与扩展的能力。在较大的载荷与摩擦力时,即使形成胞状结构,其深度较浅,磨屑的厚度必然较薄,提高了耐磨性,延长寿命。

控制铜合金的金相组织提高耐磨性和减摩性

合金中两相硬度若很接近,在两相的交界面处可能成为裂纹的萌生地,对耐磨性是不利的,只有当两相的硬度相差很大时,对耐磨性才具有很好的作用。青铜在渗硅处理后,渗硅层中都具有T相和Cu5 Si相,并以共析体的形态存在。实际测定,青铜中T相的硬度为60～ 120Hv10(随溶质的含量而变化) , Cu5 Si的硬度为400Hv10左右。经跑合,T相先被磨损而低洼, Cu5 Si凸出,支撑着载荷体,当存在润滑剂时,可以充分发挥润滑的功效,兼有耐磨和减摩的特性。

α相+ Cu5 Si的共析组织能阻碍裂纹

由于硅化铜硬脆,提高了渗层的变形抗力。当法向应力和剪切应力超越它的强度极限时,Cu5 Si内产生裂纹。当裂纹扩展到固溶体T相时,T相产生塑性变形,使应力得以松驰,裂纹的扩展受阻,直到固溶体内产生位错交滑移或攀移,形成脆状结构,产生裂纹,并扩展到Cu5 Si时,又遇到Cu5 Si相的阻碍,提高了材料的断裂韧性。从而抑制了裂纹扩展。

适当控制渗层的硬度,提高耐磨性

当摩擦件的硬度提高时,耐磨性会增加,但是只根据常温下的整体硬度,往往是不可靠的。因为摩擦副工作时,摩擦面上会产生塑性变形,有加工硬化现象;另一方面有一部分的机械功转变为热能,或者受环境的影响,在高温下服役,可能使加工硬化的表层产生再结晶软化,或者可能由于温度升高而产生相变,引起硬度变化,因此必须依据服役时实际温度下的硬度来判定其耐磨性。经测定, ZQ Sn6-6-3及其渗层在室温下的硬度为72Hv10和188Hv 10; 在156℃时,相应地为67Hv10和205Hv10。由此说明未渗硅的ZQ Sn6-6-3的硬度随温度升高而降低,而渗层的硬度却随温度升高而增加。这可能由于温度升高时,T相中的硅在表面的偏聚加剧,也可能是罗斯可衣( Ro scoe R)效应引起; 另外, Cu5 Si在550℃以下不产生相变。所以当温度升高时,硬度提高了,铜合金的耐磨性由此而增加。

总之,为了提高铜合金的耐磨性和减摩性,采用化学热处理确能取得明显效果。关于详细的原因,还有待继续探讨。

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