铝青铜堆焊层抗擦伤性能学习体会

文献概况

本文发表于《沈阳工业大学学报》1990年第12卷第3期，作者温瑾林、赵君来自沈阳工业大学金属材料工程系。研究采用表面轮廓测量方法评定擦伤严重程度，对不锈钢、工具钢及堆焊的铝青铜层在与不锈钢板材摩擦时的擦伤性能进行了系统对比。结论表明堆焊的铝青铜层具有卓越的抗擦伤性能。该文虽已发表三十余年，但其研究方法和技术结论在冲压模具、拉深模具等领域仍具有重要的参考价值。

擦伤机理与铝青铜的抗擦伤优势

擦伤（Galling）的定义与机理

擦伤是一种严重的粘着磨损形式，发生在两个金属表面在相对滑动过程中，由于局部高温高压导致表面膜破裂、金属直接接触、微焊合（cold welding）和材料转移。擦伤一旦发生，会迅速扩展，导致零件表面严重损伤甚至功能失效。在冲压拉深模具中，擦伤是限制模具寿命的关键因素之一。

擦伤的物理过程可分为三个阶段：

接触与膜破裂：两表面在法向载荷下接触，表面氧化膜或润滑膜在局部高压下破裂。
微焊合与剪切：裸露的金属表面在摩擦热作用下发生微焊合，相对滑动时焊合点被剪切断裂，材料从一个表面转移到另一个表面。
材料转移与表面损伤：反复的焊合-剪切过程导致材料大量转移，形成划痕、撕裂和隆起，严重破坏表面完整性。

铝青铜的抗擦伤机理

铝青铜（Aluminum Bronze）是一类以Cu为基体、以Al为主要合金元素（通常5%~14% Al）的铜合金。其抗擦伤性能优异的原因在于：

表面膜特性：铝青铜表面形成的Al₂O₃氧化膜硬度高、稳定性好，不易在摩擦过程中破裂，有效阻止了金属间的直接接触。
低摩擦系数：铝青铜与不锈钢之间的摩擦系数较低（约0.15~0.25），减少了摩擦热和粘着倾向。
适中的硬度匹配：铝青铜的硬度（约HB 200~300）介于不锈钢板材和硬质模具钢之间，既不会因过硬而划伤板材，也不会因过软而自身磨损严重。
良好的热导性：铜基合金的热导率高（约50~80 W/(m·K)），有利于摩擦热的快速散失，降低界面温度。

试验方法与结果分析

表面轮廓测量法

文献采用表面轮廓测量（Surface Profilometry）来评定擦伤严重程度，这是一种定量化的评价方法。通过测量摩擦前后表面的轮廓参数（如Ra、Rz、Rmax等），可以客观地反映表面损伤程度。相比传统的目视检查或重量损失法，表面轮廓测量能更敏感地捕捉早期擦伤特征。

材料组合	擦伤严重程度	表面轮廓变化	适用性评价
不锈钢/不锈钢	严重	明显划痕和材料转移	不适用，需润滑或堆焊
工具钢/不锈钢	中等	可见擦伤痕迹	需优化工艺或堆焊
铝青铜堆焊层/不锈钢	轻微	表面轮廓变化小	优异，推荐应用

结果解读

试验结果表明，堆焊的铝青铜层在与不锈钢板材摩擦时，表面轮廓参数变化最小，擦伤痕迹最轻。这一结果验证了铝青铜作为抗擦伤材料的优越性。

从金相角度分析，铝青铜堆焊层的组织通常为α+δ相（α为Cu-Al固溶体，δ为Cu₅Al₈金属间化合物），δ相以网状或颗粒状分布在α相基体中，提供弥散强化和抗擦伤能力。

工程应用与工艺要点

典型应用场景

铝青铜堆焊层在以下领域具有广泛应用：

冲压模具：在冲头、凹模的工作面堆焊铝青铜层，显著提高模具寿命。
拉深模具：在压边圈、凸模表面堆焊铝青铜层，减少板材擦伤，提高表面质量。
轴承与轴套：在滑动轴承表面堆焊铝青铜层，提高耐磨性和抗擦伤性。
液压缸密封面：在活塞杆或缸筒表面堆焊铝青铜层，减少密封件磨损。

常用铝青铜堆焊材料

材料牌号	典型成分	硬度（HB）	抗擦伤性能	适用温度
QAl5-4-4	Cu-5Al-4Fe-4Ni	200~250	优	≤300°C
QAl10-5-5	Cu-10Al-5Fe-5Ni	250~300	优	≤350°C
QAl9-4-4	Cu-9Al-4Fe-4Ni	230~280	优良	≤350°C
高铝青铜	Cu-12Al-5Fe	280~320	优	≤400°C

堆焊工艺选择

铝青铜堆焊的工艺选择需考虑基体材质、工件形状和使用要求：

SMAW（手工电弧焊）：灵活方便，适用于小面积堆焊和现场修复，但效率低、一致性差。
SAW（埋弧焊）：效率高、质量好，适用于大面积堆焊，但设备要求高。
GTAW（钨极氩弧焊）：热输入小、成形好，适用于精密件和薄壁件堆焊。
等离子堆焊：能量密度高、稀释率低，适用于高要求表面强化。

与不锈钢模具的对比分析

在冲压模具领域，传统的不锈钢模具（如4Cr13、9Cr18等）存在以下问题：

擦伤倾向大：不锈钢与不锈钢之间的摩擦系数高，容易发生擦伤。
润滑依赖性强：需要大量润滑剂来防止擦伤，增加了生产成本和环境负担。
模具寿命短：擦伤导致的模具更换频繁，影响生产节拍。

铝青铜堆焊层的应用有效解决了上述问题。在不锈钢模具表面堆焊铝青铜层后，模具寿命可提高2~5倍，润滑剂用量减少30%~50%，产品表面质量显著改善。

关键疑问与思考

文献发表于1990年，当时的试验条件和测试手段与当前存在较大差距。虽然铝青铜的抗擦伤机理已基本明确，但在实际工程应用中，以下问题仍需深入研究：

堆焊层与基体的热膨胀匹配：铝青铜的热膨胀系数（约17×10⁻⁶/K）与钢基体（约12×10⁻⁶/K）存在差异，在温度循环工况下可能产生热应力，影响堆焊层的长期可靠性。
多层堆焊的稀释效应：多层堆焊时，下层堆焊层作为"新基体"会影响上层堆焊层的成分和组织，需通过过渡层控制稀释率。
现代高速冲压的适应性：当前汽车冲压线的冲压速度已达800~1000 SPM（次/分钟），铝青铜堆焊层在高速冲击下的抗擦伤性能需重新验证。

学习心得

本文虽然年代较早，但其研究方法（表面轮廓测量法）和技术结论（铝青铜堆焊层抗擦伤性能优异）具有持久的科学价值。对于从事模具设计和制造的工程师而言，理解擦伤机理和掌握铝青铜堆焊技术，是提升模具寿命和产品表面质量的有效途径。在"以旧换新"和"再制造"的大背景下，铝青铜堆焊修复技术为延长模具使用寿命、降低制造成本提供了重要的技术支撑。