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83.5C开

始上升，到90c报警。

轴瓦合金材料为巴氏合金(ZSrSbl2Cu6Cdl),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6nun,较厚的位置浇注厚度为10nun,轴承内孔尺寸为。250.75nun。

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乌金块的表面影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处检验结合而处的金相组织，

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。卜瓦: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

整个卜瓦接触而乌金磨损严重,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《汽轮机渴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B'相(SbSn)和六方结构(体的

€相(Cu6Sn5)。

3.4巴氏合金层的cds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FEIQuanta，。。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I」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、灰度利

分布区域的不同可分为：浅灰色基休、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a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8'相

(SnSb),灰色颗粒则均为€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£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卜折断的断口形貌及兀索面分布，由图10nJ以看出，巴氏合金层

断口始终沿£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，B'

相和£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B'相(bnbb)较为集中，由于相(bnbb)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，P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B'+£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B'相和£相均显示白色，

无法将位于方形8'相中间的£相区分出来,也无法区分固溶体基体中的小颗粒哪些是

8'相或£相，因此，在定量金相分析时硬质相仅计算£+8'两相之和的比例，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，由图中可以行出，*(Sb)在9*以下的Sn-Sb合金刚凝固后的组

织为单相的a固溶体，随温度的降低,Sb的质量分数大于3.5%的合金会从a固溶体中析

出第二相一化合物B'相(SnSb)。但在实际生产中，由于合金冷却速度较快，a固溶体一

般不会析出B'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)。

8'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a固溶体中

并使之强化，当Cn的质量分数为0.两〜题时，在凝固过程中首先结晶€(Cn6Sn5),当Ci>的

质量分数超过施时，则在凝固过程中首先结晶出n(Cu3Sn),它在399℃经包晶反应生成化

合物e(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粉时，则B'(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£(Cu6Sn5)存在,使合金

塑性大大降低，因此，£和B'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£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

a,JB'相之间存在密度的差别，液体静置时B'上浮，£不沉，因此，浇铸前需搅拌液

体并尽可能使其快速通过£f勺结晶区域。在离心浇铸时更易已现偏析，£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50〜100C即可。£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二元合金比需(Cu)为6%的合金£初晶温度高

60〜80°C,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，6'相的平均面积为(5〜

8)X10-4cm2时合金的摩擦系数u最小。当滑动速度增大时，B'晶体大的较好;压力增大

时E'晶体小的合金摩擦小。当£+6'对全曲枳的比例为12%〜20%时摩擦系数最小。

有资料报道，在锡基巴氏合金中，£相(Cu6Sn5)和B'相(SnSb)的数量占整个合金体积的

15%〜3