放電等離子燒結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

柱塞泵是工業生產中應用極為廣泛的一種裝置，其關鍵零部件如滑靴、配油盤的服役條件較為惡劣。這些關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鋼是一種中碳結構鋼，具有良好的力學性能。若能將這兩種金屬復合在一起，取長補短使二者產生協同效應，則有可能滿足不同服役環境下的要求[2]。但銅與鋼的熔點、導熱系數、線膨脹系數和力學性能等都有很大的不同[3]，采用傳統焊接方法使二者連接后易產生應力集中，導致開裂。真空擴散焊、熔鑄等是常用的異種金屬連接方法，能實現銅鋼之間良好的冶金結合。然而，真空擴散焊的擴散時間較長，生產效率較低；熔鑄需要較高的溫度，易導致金屬氧化。放電等離子燒結(SPS)技術是一種快速、節能、環保的材料加工制備新技術，該技術集等離子體活化和熱壓為一體，利用壓力使兩種金屬實現機械結合，利用放電等離子體和導電加熱使金屬升溫，金屬間原子發生相互擴散，最終實現兩種金屬的冶金結合[4-5]。和傳統的連接方法相比，SPS技術能在較短的時間內完成燒結過程，大大節約了時間，提高了生產效率。

因此，作者采用SPS技術制備了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。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為42CrMo鋼，熱軋態，實測化學成分見表1；黃銅，擠壓態，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裂縫及未焊合現象，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(質量分數)Tab.1 Chemical composition of 42CrMo steel (mass) %

表2 黃銅的化學成分(質量分數)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型真空燒結爐內，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內升溫到600 ℃，再在2 min內升溫到700 ℃，再在3 min升溫到770 ℃，保溫時間為1 h，保溫結束后，經2 h冷卻到室溫，得到42CrMo鋼/黃銅接頭。

圖2 放電等離子燒結示意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，分別用體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕42CrMo鋼，用體積分數為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，從原始結合界面處分別向銅鋼兩側，每隔50 μm取點測試。

2 試驗結果與討論

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壓力下燒結后，42CrMo鋼的顯微組織與未燒結原始組織相同，但偏析消失；黃銅側近界面處出現大面積團狀、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；在縫隙附近發現一些微小孔隙，這些孔隙應是因鐵、銅擴散速率不同而產生的柯肯達爾空洞，以及銅和鋼因膨脹系數不同導致燒結收縮性差異較大而產生的少量空隙。

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的區域，在此區域內，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，總寬度約90 μm。結合圖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，沒有發現銅和鋅元素；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，還含有質量分數約10%的鐵，且銅質量分數從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合強度，也有利于銅合金一側硬度的提高[1]。

表3 42CrMo鋼/黃銅接頭不同位置(見圖5)的EDS分析結果(質量分數)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，銅元素含量略高于鐵元素的，當掃描經過島狀組織時，鐵元素含量急劇增大而銅元素含量(質量分數，下同)近乎為0，掃描經過銅基體組織時，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果Fig.7 Element linear scanning position (a) and results (b) of42CrMo steel/brass joint by SPS under pressure of 10 MPa

結合接頭截面硬度分布可知，在SPS過程中，42CrMo鋼與黃銅發生元素互擴散[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[11-13]，快速冷卻凝固后在靠近鋼側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向銅合金基體側發生固相擴散，結合界面處的線掃描結果驗證了這一現象。

一般情況下，固相擴散總是優先通過黃銅的晶界或α/β相的相界而實現，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 論

(1) 利用SPS技術制備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，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/黃銅接頭結合界面處黃銅斷口上存在Fe3Si和FeMn3相。

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