巴氏合金组织的偏析及分异

巴氏合金组织的偏析及分异

1轴类微生物在油系统及阀检查中出现的异物在b级维修中，一家国有部队在汽车座压板上进行了脱落试验。#1吨瓦上的乌金表面有小裂缝和坠落。切换下瓦后，发现整个下瓦的接触面有严重磨损。瓦两侧的乌金明显断裂，乌金表面没有找到其他异质结。检查主轴轴颈表面完好,没有明显划痕。对油系统做相应检查后发现主机润滑油回油滤网及进油滤网完好无破损,未发现异物,同时对#1轴承进油节流阀解体检查未发现异物,阀后管道到轴承进油口用压缩空气进行吹扫未发现异物,阀前管道用内窥镜检查未发现异物。查运行记录,该瓦在检修前曾有瓦温升高现象,从83.5℃开始上升,到90℃报警。轴瓦合金材料为巴氏合金(ZSnSb12Cu6Cd1),钢背内表面加工成燕尾槽状,合金层较薄的位置浇铸厚度约为6mm,较厚的位置浇注厚度为10mm,轴承内孔尺寸为∅250.75mm。为了解轴瓦合金层的浇铸质量,同时积累巴氏合金的相关数据,为其他超超临界机组轴瓦的监督检查和今后同类部件订货提供技术依据,对该轴瓦进行检测分析。2乌金块的表面形貌观察分析方法主要从以下3个面(1)化学成分检验。对下瓦取样进行化学成分分析。(2)现场复膜金相组织检验。下瓦:根据现场观察情况选择8处检验结合面处的金相组织,观察结合情况,并观察合金脱胎位置的裂纹扩展方向。上瓦:4点,2个弧面侧边每边2点。(3)金相组织检验。下瓦:取2个截面金相样,进行金相组织检验,判断金相组织是否有明显偏析、分层及明显铸造缺陷,并进行定量金相分析,判断各相的比例。(4)扫描电子显微镜/能谱仪(SEM/EDS)分析。对脱落的乌金块表面形貌进行观察分析,对2个截面金相样进行EDS分析,分析各相的成分。(5)对所取的金相样进行X射线衍射仪(XRD)分析,判断物相类型。3试验结果3.1下瓦的宏观形状整个下瓦接触面乌金磨损严重,如图1所示,瓦两侧乌金有明显碎裂脱胎现象,乌金表面未发现异物。3.2轴瓦质量分数对#1轴瓦下瓦取样进行化学成分分析,结果见表1。对比GB/T1174—92《铸造轴承合金》和JB/T4272—1994《汽轮机锡基合金轴瓦技术条件》的要求,由表1可知,Cu,Pb和Zn质量分数超出了标准要求,Sb质量分数基本满足标准要求。3.3下瓦合金层组成#1轴瓦剥落的巴氏合金块状试样经抛光后做XRD分析,分析结果显示,下瓦合金层主要由3种相组成:四方结构(T)的锡(固溶体)、菱面体结构(R)的β′相(SbSn)和六方结构(H)的ε相(Cu6Sn5)。3.4巴氏合金层的eds分析对下瓦巴氏合金层取样,为避免热镶嵌影响合金的组织,对样品进行冷镶嵌,经精细磨抛制成金相样品。利用FEIQuanta400型扫描电镜和OxfordINCAX-sight能谱仪对样品的各相成分及巴氏合金靠近钢背处的形貌和成分进行分析,观察各相分布情况,确定是否存在挂锡层。分析挂锡层的成分,并在SEM下观察人为折断后的下瓦合金层断口形貌。图2～图4为巴氏合金层靠近钢背处的背散射电子像,由于背散射电子像可显示成分信息,即平均原子量高的位置较亮、平均原子量低的位置较暗,因此,从背散射电子图像上可以区分不同相。由图2、图3、图4可以看出,在巴氏合金层金相组织中各相根据形貌、灰度和分布区域的不同可分为:浅灰色基体、白色方形块、白色小颗粒、浅灰色基体中分布的深灰色颗粒、白色大块中分布的深灰色颗粒。对以上各类物质进行EDS分析,结果见图5～图9及表2～表6。由EDS分析可知,浅灰色的基体为α固溶体(Sb在Sn中的固溶体),其中分布的白色大块和白色小颗粒均为β′相(SnSb),灰色颗粒则均为ε相(Cu6Sn5)。图4中,巴氏合金层靠近钢背一侧的边缘处有厚度不均匀的深灰色层+厚度不均匀的浅色层。图9和表6为对该处进行的EDS分析结果,其中深灰色层(图9中测点2)为ε相(Cu6Sn5),而浅色层(图9中测点1)则为过渡层,即挂锡层,其作用是促使巴氏合金与钢壳牢固结合。图10为巴氏合金层在常温下折断的断口形貌及元素面分布,由图10可以看出,巴氏合金层断口始终沿ε相(Cu6Sn5)的边缘开裂。3.5金相组织测试3.5.1低倍金相组织分析在下瓦的巴氏合金层取2块试样做金相检验,编号分别为#1和#2,其中#1取样方向为纵向,#2取样方向为横向。样品的低倍金相组织如图11所示,从低倍金相照片中可以看到,β′相和ε相比较均匀地分布在基体内,没有明显的偏聚和分层现象。在#1样巴氏合金与钢背的界面处β′相(SnSb)较为集中,由于β′相(SnSb)硬而脆,这可能会对巴氏合金与钢背的结合力产生一定影响。在#2样巴氏合金与钢背的界面处,β′相(SnSb)的分布则相对较少。3.5.2定量金相分析观察发现#1样品和#2样品的β′+ε相总含量没有明显差异,因此,仅对#2样品进行定量金相分析。在#2样品的金相面上随机选取10个区域拍摄50倍率照片,利用CarlZeiss图像分析软件,对10个选区进行定量金相分析,由于金相照片中β′相和ε相均显示白色,无法将位于方形β′相中间的ε相区分出来,也无法区分固溶体基体中的小颗粒哪些是β′相或ε相,因此,在定量金相分析时硬质相仅计算ε+β′两相之和的比例,结果得到两相之和比例的平均值为39.5%。3.5.3复膜金相检验对#1轴瓦进行现场复膜金相检验,上瓦两侧各取2处,下瓦两侧各取4处进行检验,在裂纹尖端进行复膜金相检验,可以在#2膜和#3膜的金相照片中观察发生脱胎处的裂纹走向。对每个覆膜金相点的结合面处、远离钢背侧和靠近钢背侧各拍1组金相照片,对所有复膜金相照片形貌进行统计,结果见表7。4分析与讨论4.1cu-ssn合金的动态图12为Sn-Sb合金平衡相图,由图中可以看出,w(Sb)在9%以下的Sn-Sb合金刚凝固后的组织为单相的α固溶体,随温度的降低,Sb的质量分数大于3.5%的合金会从α固溶体中析出第二相—化合物β′相(SnSb)。但在实际生产中,由于合金冷却速度较快,α固溶体一般不会析出β′相(SnSb)。当Sb的质量分数超过9%而小于21.5%时,合金首先结晶析出SnSb相(呈方形结晶)。β′相(SnSb)易产生比重偏析,故在合金中常加入一些Cu。微量的Cu能溶入α固溶体中并使之强化,当Cu的质量分数为0.8%～8%时,在凝固过程中首先结晶ε(Cu6Sn5),当Cu的质量分数超过8%时,则在凝固过程中首先结晶出η(Cu3Sn),它在399℃经包晶反应生成化合物ε(Cu6Sn5),呈针状或星形结晶。图13为Cu-Sn合金平衡相图。在Sn基巴氏合金中,随着Sb和Cu的加入,强度亦随之增加,塑性下降。当Sb的质量分数大于7%以后,强度增加的情况减弱;Sb的质量分数过高(>20%)时,则β′(SnSb)结晶相互接触,合金变得极脆;Cu的质量分数大于6%时,由于多量的脆性晶体ε(Cu6Sn5)存在,使合金塑性大大降低,因此,ε和β′脆性晶体的含量对冲击韧性有显著的影响。随着Cu,Sb质量分数的增加,合金耐疲劳极限显著上升,耐磨性能也增加。此外,Sb和Cu的加入将促进熔化时液体的氧化并显著降低合金的热膨胀系数。在下瓦取样进行化学成分分析,结果发现Sb的质量分数基本满足要求,但Cu,Pb,Zn的质量分数明显超标,结果使ε相比例增加,合金强度增加、塑性降低,对合金抵抗交变和冲击载荷作用的能力有一定影响。4.2降低铸造温度铸造条件(温度、冷速)对于铸造后合金的冷却收缩率及合金的组织有本质的影响。由于α,ε,β′相之间存在密度的差别,液体静置时β′上浮,ε下沉,因此,浇铸前需搅拌液体并尽可能使其快速通过ε的结晶区域。在离心浇铸时更易出现偏析,ε聚集在外侧,从而妨碍与钢背的粘结。铸造温度应尽可能降低,一般高出初晶温度50～100℃即可。ε相(Cu6Sn5)结晶温度随Cu的质量分数而变化,所以铸造温度也应由Cu的质量分数决定。以Cu-Sn二元合金为例,w(Cu)为10%的Cu-Sn二元合金比w(Cu)为6%的合金ε初晶温度高60～80℃,因此,Cu的质量分数高铸造温度也要相应提高。Cu的质量分数超标使得根据名义成分确定的浇铸温度可能显著低于实际成分对应的最佳浇铸温度,从而影响合金层的浇铸质量。4.3锡基巴氏合金的合金合金的耐磨性能与各相的分布、大小、数量有关。一般认为,β′相的平均面积为(5～8)×10-4cm2时合金的摩擦系数μ最小。当滑动速度增大时,β′晶体大的较好;压力增大时β′晶体小的合金摩擦小。当ε+β′对全面积的比例为12%～20%时摩擦系数最小。有资料报道,在锡基巴氏合金中,ε相(Cu6Sn5)和β′相(SnSb)的数量占整个合金体积的15%～30%为宜。硬相过少,骨架作用较差,合金较软,机械强度不足,受压时合金易于变形甚至被压塌;硬相过多,合金变得硬而脆,塑性韧性不足,在交变和冲击载荷作用下,合金容易碎裂和剥落,使轴瓦使用寿命缩短;另外,硬相过多,还会给合金与钢背的粘结质量带来不良影响。#1下瓦的定量金相分析结果显示,ε+β′两相之和的含量达到39.5%,大大超过了资料中介绍的最佳比例15%～30%。5关于重点难点(1)下瓦化学成分分析结果显示,Sb的质量分数符合GB/T1174—92的要求,Cu,Pb,Zn的质量分数均超过了GB/T117