任浩岩等：Cu-(Fe-C)合金中Fe-C相的固态转变对其摩擦磨损行为及机理的影响 ·1191 dissociation surfaces appear on the fracture surface of the quenched alloy.The crack source is located at the interface between the Fe-C phase and the matrix.With an increase in the tempering temperature,the dissociation surface of the fracture surface of the tempered alloy gradually decreases until it disappears,and the crack source gradually transfers to the matrix.The evolution of fracture surface indicates that the bonding between Fe-C phase and matrix in the quenched alloys is poor.With the increase of the tempering temperature,the bonding interface between the Fe-C phase and the matrix is improved.The experimental results of friction and wear at room temperature show that with the increase of tempering temperature,the wear mechanism of the alloy gradually changes from ploughing to adhesion wear and severe plastic deformation,which results in a decrease in the alloy wear resistance.This paper can provide a reference for controlling the friction and wear properties of Cu-(Fe-C)alloys by the solid-state transformation of the Fe-C phase martensitic decomposition. KEY WORDS Cu-(Fe-C)alloy;martensitic transformation;tempering transformation;plough;adhesive wear;severe plastic deformation Cu合金具有良好的自润滑、导热和耐腐蚀性 850℃下固溶4h,然后进行热轧，轧至10mm后 能，在摩擦磨损领域受到广泛关注-刃，主要应用于 冷轧轧至6mm,以细化晶粒.在冷轧板上取4个样 铜基刹车片材料及电接触材料-o其中，Cu-Fe 品进行热处理，具体热处理工艺为：淬火(850℃ 合金由于弥散强化，可显著提高材料力学性能，并 保温1h水淬)，淬火+低温回火(850℃保温1h水 且成本低廉而受到青睐.Cu合金的磨损主要是由 淬+200℃保温1h空冷)，淬火+中温回火(850℃ 于摩擦表面产生高温，表面的微峰产生冷焊的焊 保温1h水淬+400℃保温1h空冷)，淬火+高温回 点，造成表面的大塑性变形和黏着磨损.加入一定 火(850℃保温1h水淬+650℃保温1h空冷).对 量的Fe元素可以提高材料抵抗塑性变形的能力， 热处理后的样品进行摩擦磨损实验 减少磨损，但Fe对Cu合金的耐磨性提升有限图 1.2实验方法 目前在Cu-Fe系合金耐磨性研究中，有研究 光学显微镜(OM)在Nikon ECLIPSELV1:5O型 者通过引入硬质的第二相颗粒（如SiO2、SiC)来提 金相显微镜上进行.F-C相形貌观察采用成分为 高合金的耐磨性，但这种材料的制备方法多局限 “1mL浓硝酸+99mL酒精+100mL去离子水”的 于粉末冶金-)，成本较高.为此有研究者尝试了 试剂对试样进行腐蚀处理，组织观察采用成分为 通过熔铸的方法在Cu-Fe合金中加入C元素， “5 g FeCI3+20mL浓盐酸+120mL去离子水”的试 Fe元素可与C元素结合生成硬度较大的Fe-C 剂对试样进行腐蚀处理.摩擦磨损实验在多功能 相，这种方法不仅引入了硬质的第二相还可以降 摩擦磨损试验机PLINT.-TE92上进行，载荷为50 低成本，是一个重要的发展方向.但目前对 N,速度为500rmin.对不同状态的合金和纯铜 Cu-Fe-C合金的研究主要集中在冷变形过程中组 分别对磨30s,1min,2min,5min,采用失重法测 织性能的演变方面，而对于Cu-Fe-C合金在热 磨损率，利用带有能谱仪(EDS)的ZeissAuriga 处理过程中F-C相相变的研究还很少，然而热处 聚焦离子束场发射电子扫描显微镜(SEM)观察 理过程会对Cu-Fe-C合金中Fe-C相产生显著影 Fe-C相形貌、摩擦表面形貌以及摩擦试样纵截 响，是Cu-Fe-C合金制备过程中的关键环节，因 面.利用三维白光干涉表面形貌仪观察摩擦表面 此本文对热处理过程中Cu-Fe-C合金中的Fe-C 形貌.在HXD-1000T显微硬度计上对试样进行 相相变进行了系统的研究，进而实现了对材料耐 硬度测试.采用DSC法测淬火态合金在室温加热 磨性能的调控，这一研究对材料的摩擦磨损性能 至650℃过程中的相变点.采用Nano Indenter 设计和调控具有重要的参考价值 Ⅱ纳米力学探针检测析出相硬度；采用MTS万能 实验机测试材料的力学性能，拉伸试样加工及拉 1实验 伸实验依据GB/T228一2002《金属材料室温拉伸 1.1实验材料 实验》 采用真空熔炼技术制备了Cu-3Fe-0.18C合 2实验结果 金.实验原材料为：纯度为99.97%的电解铜， Fe-6C中间合金.为了研究热处理温度对C-(FeC) 2.1显微组织 合金组织性能的影响，取o80mm×30mm圆片在 C元素在Cu基体里几乎没有固溶度，在Fe里dissociation surfaces appear on the fracture surface of the quenched alloy. The crack source is located at the interface between the Fe–C phase and the matrix. With an increase in the tempering temperature, the dissociation surface of the fracture surface of the tempered alloy gradually decreases until it disappears, and the crack source gradually transfers to the matrix. The evolution of fracture surface indicates that the bonding between Fe–C phase and matrix in the quenched alloys is poor. With the increase of the tempering temperature, the bonding interface between the Fe–C phase and the matrix is improved. The experimental results of friction and wear at room temperature show that with the increase of tempering temperature, the wear mechanism of the alloy gradually changes from ploughing to adhesion wear and severe plastic deformation, which results in a decrease in the alloy wear resistance. This paper can provide a reference for controlling  the  friction  and  wear  properties  of  Cu –(Fe –C)  alloys  by  the  solid-state  transformation  of  the  Fe-C  phase  martensitic decomposition. KEY  WORDS    Cu –(Fe –C)  alloy； martensitic  transformation； tempering  transformation； plough； adhesive  wear； severe  plastic deformation Cu 合金具有良好的自润滑、导热和耐腐蚀性 能，在摩擦磨损领域受到广泛关注[1−3] ，主要应用于 铜基刹车片材料及电接触材料[4−10] . 其中，Cu–Fe 合金由于弥散强化，可显著提高材料力学性能，并 且成本低廉而受到青睐. Cu 合金的磨损主要是由 于摩擦表面产生高温，表面的微峰产生冷焊的焊 点，造成表面的大塑性变形和黏着磨损. 加入一定 量的 Fe 元素可以提高材料抵抗塑性变形的能力， 减少磨损，但 Fe 对 Cu 合金的耐磨性提升有限[8] . 目前在 Cu–Fe 系合金耐磨性研究中，有研究 者通过引入硬质的第二相颗粒（如 SiO2、SiC）来提 高合金的耐磨性，但这种材料的制备方法多局限 于粉末冶金[11−13] ，成本较高. 为此有研究者尝试了 通过熔铸的方法在 Cu –Fe 合金中加入 C 元素 ， Fe 元素可与 C 元素结合生成硬度较大的 Fe –C 相，这种方法不仅引入了硬质的第二相还可以降 低 成 本 ， 是 一 个 重 要 的 发 展 方 向 . 但 目 前 对 Cu–Fe–C 合金的研究主要集中在冷变形过程中组 织性能的演变方面[12] ，而对于 Cu–Fe–C 合金在热 处理过程中 Fe–C 相相变的研究还很少，然而热处 理过程会对 Cu–Fe–C 合金中 Fe–C 相产生显著影 响 ，是 Cu–Fe–C 合金制备过程中的关键环节，因 此本文对热处理过程中 Cu–Fe–C 合金中的 Fe–C 相相变进行了系统的研究，进而实现了对材料耐 磨性能的调控，这一研究对材料的摩擦磨损性能 设计和调控具有重要的参考价值. 1    实验 1.1    实验材料 采用真空熔炼技术制备了 Cu–3Fe–0.18C 合 金 . 实验原材料为 ：纯度 为 99.97% 的电解铜 ， Fe–6C 中间合金. 为了研究热处理温度对 Cu–(Fe–C) 合金组织性能的影响，取 ϕ80 mm×30 mm 圆片在 850 ℃ 下固溶 4 h，然后进行热轧，轧至 10 mm 后 冷轧轧至 6 mm，以细化晶粒. 在冷轧板上取 4 个样 品进行热处理，具体热处理工艺为：淬火（850 ℃ 保温 1 h 水淬），淬火+低温回火（850 ℃ 保温 1 h 水 淬+200 ℃ 保温 1 h 空冷），淬火+中温回火（850 ℃ 保温 1 h 水淬+400 ℃ 保温 1 h 空冷），淬火+高温回 火（850 ℃ 保温 1 h 水淬+650 ℃ 保温 1 h 空冷）. 对 热处理后的样品进行摩擦磨损实验. 1.2    实验方法 光学显微镜（OM）在 Nikon ECLIPSELV15O 型 金相显微镜上进行. Fe–C 相形貌观察采用成分为 “1 mL 浓硝酸+99 mL 酒精+100 mL 去离子水”的 试剂对试样进行腐蚀处理，组织观察采用成分为 “5 g FeCl3+20 mL 浓盐酸+120 mL 去离子水”的试 剂对试样进行腐蚀处理. 摩擦磨损实验在多功能 摩擦磨损试验机 PLINT–TE92 上进行，载荷为 50 N，速度为 500 r·min−1 . 对不同状态的合金和纯铜 分别对磨 30 s，1 min，2 min，5 min，采用失重法测 磨损率 . 利用带有能谱仪 （ EDS） 的 ZeissAuriga 聚焦离子束场发射电子扫描显微镜（SEM）观察 Fe–C 相形貌、摩擦表面形貌以及摩擦试样纵截 面. 利用三维白光干涉表面形貌仪观察摩擦表面 形貌. 在 HXD–1000T 显微硬度计上对试样进行 硬度测试. 采用 DSC 法测淬火态合金在室温加热 至 650 ℃ 过程中的相变点 . 采 用 Nano  Indenter II 纳米力学探针检测析出相硬度；采用 MTS 万能 实验机测试材料的力学性能，拉伸试样加工及拉 伸实验依据 GB/T 228—2002《金属材料室温拉伸 实验》. 2    实验结果 2.1    显微组织 C 元素在 Cu 基体里几乎没有固溶度，在 Fe 里 任浩岩等： Cu–(Fe–C) 合金中 Fe–C 相的固态转变对其摩擦磨损行为及机理的影响 · 1191 ·