Page 21 - 《摩擦学学报》2021年第5期

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the best combination, i.e. the alloy had excellent comprehensive mechanical properties. At room temperature, due to the
good mechanical properties and good abrasion resistance of the hard BCC phase, (CuMnNi) 90 Al 10 high entropy bronze
showed better wear resistance than conventional wear-resistant aluminum bronze C6161, and abrasive wear was the
main wear mechanism.
Key words: high entropy bronze; (CuMnNi) 100-x Al x ; microstructure; mechanical properties; tribological properties
铜合金是工业领域中应用最为广泛的金属材料
之一，其中青铜具有硬度大、强度高，耐腐蚀等良好的
性能，是最为常用的耐磨铜合金，主要用于制造滑动
轴承、蜗轮、齿轮和柱塞泵缸体等耐磨零部件
铜是以Al为主要合金元素的一类青铜材料，通常由
α+β两相组成，具有较高的强度、良好的耐磨性和可加
工性. 研究表明：在铝青铜中添加少量的Fe、Mn、Sn、
Ti、Pb和Si等元素是进一步提高其力学性能和耐磨性
最重要的途径 [4-6] . 一方面，合金元素通过固溶强化作
用使α相形成过饱和固溶体，增加晶格畸变能以提高
对位错的阻碍作用；另一方面，通过扩大β相区，提高
β等硬质耐磨相的含量；此外，合金元素还能形成弥散
分布的金属间化合物，三者共同作用使铝青铜具有优
异的综合力学性能和耐磨性. C6161铝青铜是一种典
型的耐磨铝青铜，对应国内牌号QAl9-4，由Al和Fe元
素形成的FeAl 质点具有细化组织和提升合金硬度及
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耐磨性的作用，该合金常被应用于油气生产中抽油井
[7]
的光杆密封环和阀杆螺母等易磨损部件 . 作为耐磨
铜合金，铝青铜必须包含大量的β相或金属间化合物
以保证其耐磨性，然而过多的β相或金属间化合物必
然会降低合金的韧性和塑性，使工件在重载或强冲击
等苛刻工况下容易发生破碎、断裂等灾难性后果.
[8]
Laws等 在国际上率先提出了高熵铜合金的思
想，即通过采用高混合熵稳定固溶体的设计理念降低
合金原子有序化和偏析的趋势，使其形成仅由简单固
溶体相组成的高熵铜合金. 采用这种设计思想制备的
CuMnNi-Zn/Al/Sn高熵铜合金不仅具有超过常规黄铜
和青铜的强度和硬度，还保持着良好的塑性，克服了
常规耐磨铜合金强度和塑性难以兼顾的弊端. Nagase
等 在Cu ZnMnNi高熵黄铜中引入Sn元素，使合金由
[9]
x
FCC+BCC的两相组织逐渐演变为单一的BCC相，合
金的屈服强度得以大幅提高.
国外的研究表明，提高合金体系混合熵的设计思
路是改善常规铜合金强韧性和耐磨性的有效途径，高
熵铜合金作为一种新型高性能材料在装备制造、汽
车、能源和海洋工程装备等领域极具应用前景，但迄
今为止，关于其摩擦磨损性能的研究还鲜有报道. 因
此，本文作者采用感应熔炼工艺制备了(CuMnNi)
报 第 41 卷
(x＝0, 5, 10, 15)系列高熵铜合金，重点研究Al元素对
CuMnNi高熵合金显微组织、力学性能和摩擦学性能
的影响及其作用机理，揭示高熵铜合金的强韧化机理
[1-3] . 铝青 和摩擦磨损机制，为新型高性能高熵铜合金的设计和
后续工业化应用提供科学依据和技术支持.
1 试验部分
以Cu、Mn、Ni和Al金属粉末的混合物为原料，采
用ZKGY-1.0型真空感应熔炼炉制备高熵铜合金，熔
炼温度为1 500 ℃，保温20 min后随炉冷却，获得合金
铸锭. 合金锭经电火花线切割后表面抛光至镜面级
别，应用Empyrean型X射线衍射仪(XRD，Cu靶)分析高
熵铜合金的物相组成. 合金抛光表面经CuSO ·5H O、
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2
HCl溶液和蒸馏水配制的刻蚀液处理后，利用Carl Zeiss
光学显微镜(OM)分析其组织结构，其中各组织的含量
用显微镜附带的Micro-image Analysis & Process软件
统计. 采用JEM-5600LV型扫描电子显微镜(SEM)分析
N
其微观形貌，并利用X-Max 型能量色散(EDS)分析合
金中各物相的化学成分.
采用排水法测试高熵铜合金的密度，采用HBRV-
187.5型硬度计测定其布氏硬度. 合金的室温压缩力学
性能和断裂韧性采用万能材料试验机(SANS-CMT5205)
测试，试样尺寸分别为Φ3 mm×6 mm和24 mm×5 mm×
2.5 mm. 断裂韧性按国家标准GB/T 7 314-2005采用三
点弯曲法测试，单边切口深度2.5 mm，跨距20 mm，以
0.05 mm/min的速率加载至裂纹失稳扩展，并应用SEM
分析其断口形貌. 高熵铜合金的密度、硬度、压缩性能
和断裂韧性均为多次试验平均值.
采用HSR-2M型往复式摩擦试验机测试室温下
(CuMnNi) Al 高熵铜合金和C6161铝青铜在干摩擦
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条件下的摩擦学性能. 采用球-盘接触方式，盘试样分
别为高熵铜合金和铝青铜，试样尺寸为Φ25 mm×1.5 mm，
对偶试样为Φ6 mm的GCr15钢球，载荷5 N，磨痕长度
5 mm，滑动速度0.04 m/s，试验时间60 min. 摩擦试验
后利用三维轮廓(MicroXAM-3D Surface Profiler)仪测
试样品的磨损体积，并用SEM分析其磨痕形貌及摩擦
磨损机理. 采用MH-5-VM型显微硬度计测试磨痕内
100-x Al x 外的显微硬度，载荷2 N，加载5 s.