（材料加工工程专业论文）汽车同步器齿环用hal624301合金组织与性能的研究.pdf

摘要 采用立式连铸方法成功制备了h a l 6 2 4 3 0 1 复杂黄铜合金，借助g l e e b l e 15 0 0 l 拟实验机和相应的分析软件，采用压缩法研究了合金的热变形流变力学行为， 合金进行热处理工艺优化f 交实验，利用m h k 5 0 0 型磨损实验机检测了合金 ：同摩擦条件下的摩擦磨损性能，并运用金相显微镜、扫描电子显微镜、微探钊1 、 电子显微镜等分析手段，系统深入地分析了合金不同状态下的显微组织结构和 ! 擦磨损机理。最后得到以下研究结果： 合金高温变形时，流变应力随变形速率的增加而增加，随温度的升高而减小。 在低变形速率时，流变应力曲线呈现单峰状，硬化一软化过程亦较平缓。而在 高变形速率( 高于o 5s 4 ) 下，流变应力很快从峰值降至某一值，然后呈现周期 性波动。以一种包含变形激活能q 和温度t 的双曲正弦形式的本构模型为基础 建立合金高温变形的本构方程，并得到了合金高温变形的材料常数。 合金主要由基体b 相和少量呈魏氏体形貌的。相以及弥散分布的m n s s i 3 硬质 相组成。合金中m n 、s i 主要以m n 5 s i 3 相的形式存在。月+ 在合会中的m n 5 s i 3 相有杆状和立方体状两种形态。合金铸锭在经过7 5 0 6 h 的均匀化处理之后组 织与性能均得到了一定的改善，均匀化效果良好。热处理工艺正交实验结果表 明合会在7 5 0 保温9 0 m i n 后淬火，随后在3 0 0 时效6 0 m i n 后，合金达到最 佳强化效果。 系统研究了自制实验合会在g c r l 5 钢在干摩擦状态下对磨时的摩擦磨损机理， 并与同类复杂黄铜合金磨损情7 兄进行了比较，结果表明：h a l 6 2 4 3 o 合金相 较其它同类合金具有优良的耐磨性能。不同磨损条件下磨损机制以粘着磨损为 主，存在塑性变形、疲劳断裂和磨粒磨损等形式。通过线性回归拟合，指出合 金的摩擦系数u 或磨损率w 与负荷p 间均较好地满足关系式：w ( 或u ) = a + b p + c p 2 + d p 3 。 词：复杂黄铜，高温变形，流变应力，显微组织，m n5 s i3 硬质相 摩擦磨损，粘着磨损。 a b s t r a c t t h eh a l 6 2 4 3 0 1b r a s sa l l o yh a db e e n s u c c e s s f u l l yp r e p 邵e db ym e a n s o fv e r t i c a l c a s t i n gm e t h o d t h ed e f o n n a t i o nb e h a v i o ro ft h i sa l l o yd u r i n gc o m p r e s sp r o c e s sh a s b e e ni n v e s t i g a t e dw i mp h y s i c a ls i m u l a t i o nt e c t l i l i q u e sb yu p s e tt e s t so fa 1 1 0 ys 锄p l e s ， a n dt h eo p t i m u mh e a tt r e a tc d n d i t i o n sw e r ed e t e r m i n e db yo r t h o g o n a lm e t h o d u s i n ga n m h k 一5 0 0t y p et e s t e rm e a s c dt h e i rm c t i o na n dw e a rp r o p e n i e su n d e rd i 疵r e m c o n d i t i o n s ，t h em i c r o s 咖c t u r ea n ds u r f 赴em i c r o g r a p hw e r ei n v e s t i g a t e db ym e a j l so f s e m ，m i c r o p r o b ea 1 1 dt e m t h er e s u l t sa r ea sf 0 1 l o w s ： 1 1 1 l et m es t r e s so fh o td e f b r m a t l o no ta l l o yi n c r e a s e s 也t h em c r e a s eo t h es t r a l n r a t ea n dm ed e c r e a s eo f m e t e m p e r a c u r e a t1 0 w e r 3 t r a i nr a t e s ，t h es t r e s s s t r a i nc u r v e i ss m o o t h ，e x h i b i t i n gn ow e l ld e f l n e dy i e l ds 仃e s s ，b u ta th i g h e rs t r a i nr a t et h et m e s t r e s sv a l u ef e a c h e st h e a p e xr a p i d l y a tm ei n i t i a i s t a g e ，t h e n d e c r e a s e da t l d c o n v e r g e s t oas t e a d yl e v e ld u et om es o r e ne 行b c t t h ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o nf o rh o t d e f o r n l a t i o no fa l l o yi so b t a i n e do nt h cb a s i so fh y p e r b 0 1 i cs i n ef o r mm o d e l ，a r i dt h e m a t e r i a lc o n s t a t l t si n c l u d i n ga c t i v a t i o ne n e 唱y ，s t r e s se x p o n e n ta 1 1 da ，口，a r e a l s oo b t a i n e d 2 t 1 1 em i c r o s t r u c t u r eo f a l l o ys h o w s m a ti tc o n s i s t so f l i g h t - e t c h i n ga r e a so f o p h a s e ， w h i c hh a v eaw i d m a n s t a t t e nm o r p h o l o g y ，ad a r k e r _ e t c h i n gm a t r i xo f0p h a s e ，a n d r o d - s h a p e dm a n g a i l e s e s i l i c i d e p a n i c l e s 埘t ha h e x a g o n a l c r o s s s e c t i o n t h e m i c m s t r u c t u r ea 1 1 dp r o p e n i e so fa s c a s ta l l o yw a si m p r o v c db yh o m o g e n i z i n ga t7 5 0 f o r6 h ，a n dt h ee x p e r i m e n t a ia l l o yc a ng e tt 1 1 eb e s tm e c h a l l i c a lp r o p e r t i e sa f t e r q u e n c h i n g f o r9 0 m i na t7 5 0 a 1 1 d a g i n gf o r6 0 m i n a t3 0 0 3 t 】1 ew e a rm e c h a n i s m so fe x p e r i m e n t a lm a t e r i a la g a i n s tg c r l 5s t e e lu n d e rd r y f r i c t i o nc o n d i t i o nw e r es y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e d ，t 1 1 ew e a rr e s i s t a n c ep r o p e r t yo f t w oo t b e rs p e c i a lb r a s sa 1 1 0 y sw a sc o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t a la l l o y a sar e s u l t ， e x p e r i m e n t a la l l o yh a v ee x c e l l e n tw e a rr e s i s t i b i l i t y t h em a i n w e a rm e c h a l l i s mw a s a d h e r e n c ew e a r ，a n dp l a s t i cd e f o m i n g ，f 缸i g u ef m c t u r e ，a n da b m s i v ew e a ra r ea l s o f o u n di ne x p e r i m e n t a la 1 i o yb yl i n e a rr e g r e s s i o n ，t h er e l a t i o no f f r i c t i o nc o e m c i e n t ， p ，o rw e a rr a t e ，w ，t ol o a d ，rc a nb ed e s 皤i b e d a sw ( o 1 ) = a + b p + c 矿+ d 矿 k e yw o r d s ：s p e c i a lb r a s s ，h o td e f o h n a t i o n ，n 。ws t f e s s ，m i a o s t f t u 犯，m f l 5 s i 3p 瞰i c k w e a r a d h e r e n c ew 明正 中南大学硬 学位论文 第一童文献综述 第一章文献综述 1 1 日i 言 近年来，一些使用环境比较恶劣的场合对工程材料提出越来越高的要求。简单 黄铜、简单铝黄铜及简单锰黄铜已不能满足实际的使用要求，迫使材料设计人员根 据不同的特殊需求来设计出更多的合格新合金。尤其是航空、航海及汽车等工业对 耐磨、耐冲蚀、高强度的复杂黄铜的迫切要求，使得各国对这一领域投入了大量的 人力、物力，相继开发、研制出了一批新牌号的合金。 汽车同步器齿环是汽车变速箱中的个关键零部件，是汽车变速系统技术进步 的个重要标志。它的工作原理( 图卜1 ) 是利用一对锥形摩擦副产生摩擦力，使 得待啮合的一对齿轮的圆周速度达到相等并平稳地进入啮合。由于换档齿轮及相连 接的齿轮要在一两秒内加速、溅速至同步换挡，这种快速多变的摩擦使同步器的螺 纹锥面处于恶劣的工作条件下，因而对同步器齿环材料有很高的性能要求。选择同 步环的材料应考虑如下几个方面：( 1 ) 具备优良的加工性能；( 2 ) 耐磨性能好；( 3 ) 具有高强度、耐高温、抗冲击载荷能力强的力学性能：( 4 ) 相当而匹配的摩擦系数； ( 5 ) 稳定的弹性模数；( 6 ) 金属纤维连续、晶粒细化、金相组织良好。因此，同 步器齿环材料的改进一直是汽车界关注的课题“。4 1 。 晰ri t 一勘峭断蜘圳帖衅橱h 嘶i 即 1 - t 1 1 es y n c h r o n i z e rs l e e v eo f t h es y n c h r o n z e r3 巧y n c h r o n i z e rh u b5 一g e a r7 一s y n e h r o n i z e rr i n g 图l l 汽车同步器齿环工作原理 随着汽车及航空等近代科学技术的飞速发展，对各种特殊用途的材料的需求越 来越强烈。复杂黄铜做同步器的锥环是近年来国际上发展起来的，因此，高强度耐 中南大学硕十学位论文 第一章文献综述 磨黄铜的研究与发展是材料工业为适应使用者的要求而开发的一个新领域。但由于 国内现在对材料本身的组织和性能及热处理工艺缺乏深入的研究，仅是简单的仿制 国外同类产品，因此目前生产的多数产品的性能达不到国外产品的水平。本文即在 大量实验基础上，对合金的组织和耐磨性进行分析和讨论。 1 2 高强耐磨黄铜 1 2 1 元黄铜 以锌作为主要台金元素的铜合金，通常称为黄铜。单纯的铜锌二元合金称普通 黄铜”3 ( 或二元黄铜) 。c u z n 二元相图如图卜2 。由相图可知，铜锌合金有5 个包 晶转变，一个共析转变和一个在4 5 4 一4 6 8 的b ( 无序固溶体) 铮( 有序固 溶体) 转变组成。固态下分别有一定成份范围的n 、o 、y 、6 、e 、r i 等六个相 组成。工业用黄铜的z n 含量一般都在5 0 以下，因此通常只涉及到a 、0 两个相， 有时也可能出现y 相，下面讨论各相的特征。 图i 2e u z n 二元相图 a 相是锌溶于铜中的固溶体，晶格与铜相同，呈面心立方晶格，塑性很好，容 易承受各种冷、热压力加工。其晶格常数随锌含量的增大而增大。锌在固态铜中的 溶解度不像一般合金那样随温度降低而减小。相反，是随温度降低而增大。当温度 降至4 5 6 时，锌在铜中的固溶度增至3 9 进一步降低则锌在铜中的溶解度随温度 降低而减小。 p 相是以电子化合物c u z n 为基的固溶体，具有体心立方晶格。按化合物c u z n 中南人学坝i 学位论文 第一章文献综述 分子式的组成比计算，b 相的含锌量为5 0 7 ，但由于电子化合物中可溶解不同数 量的铜或锌，使0 相的成分在一定范围内变动，亦即b 相在状态图上为一区域。b 相在4 5 4 4 6 8 以下转变为有序相b ( 铜原子占据晶胞顶角，锌原子占据晶胞中 心) 。此有序化转变进行很快，自b 相区淬火亦不能抑制其进行。有序化后，合余 塑性降低，冷加工较困难。高温的无序固溶体0 相，塑性较好，故对含b 相的黄 铜进行压力加工时，应加热至b 相区进行。 y 相是以电子化合物c u 5 z n 8 为基的固溶体，具有复杂立方晶格，硬而且脆， 对合金性能起有害影响，因此，在合金中不希望出现v 相。 e 相和n 相属于锌基合金的组织。6 相是只在高温下才稳定的固溶体，温度降 至5 5 8 时即发生共析转变，分解为y + e 相。 1 2 2 复杂黄铜 为了适应高速、高耐磨、高冲击、低润滑的工作环境，一些零部件需要使用性 能优良的特殊用途材料。普通黄铜由于各方面性能原因达不到要求，因此其使用也 受到了。定的限制。为提高黄铜的强度、硬度、耐蚀性和耐磨性等，在铜锌二元合 金基础上加入少量锰、铝、铁、硅、铅、锡、镍等元素，则构成三元、四元或多元 黄铜合金，称为复杂黄铜m 1 。 在普通黄铜中适量加入一些固溶元素，例如a l 、m n 、f e 、s i 、n i 、n b 等，使 之固溶于基体，会产生固溶强化；或形成金属化合物颗粒，提高材料的抗变形能力 和酬磨性；或使材料的晶粒细化，提高材料的强度。这样就可提高材料的各项性能 指标。满足在不同环境下的使用要求，使之成为一种新的高强度、高耐磨的合金。 高强度耐磨黄铜即为含铝、硅、铁、锰和钛等合金添加元素的o + b 或0 黄铜。 这种材料之所以具有优良的综合机械性能和耐磨损性能，是因为材料中的m n 、f e 或n i 、c o 等元素和s i 或a l 形成显微硬度很高的硅化物或铝化物颗粒，这些颗粒 均匀而弥散分布于b ( 或d + 0 ) 基体上，形成了理想的软基体+ 硬质点的耐磨组 织。f 确地选用合金元素，合理地设计合金成分和采用一定的热处理工艺可以控制 显微组织中硬质颗粒相的粒度、密度和分布，从而使材料的综合性能达到最佳状态。 表l1 列出了西方国家以及我国几个主要汽车厂家一些轻型和中型汽车同步 器齿环材料的成分”。6 。 从表卜l 可以看出除了c u 、z n 这两种基本元素以外，a l 、m n 、s i 、f e 是多数 厂家的齿环材料必加的合金元素，但它们的含量有所不同。 表卜2 中列出了实验所测的部分合盒的常规机械性能和磨损数据。为了便于比 较，表中还列出了普通二元h 6 2 的黄铜的性能指标。 ! 堕叁兰塑主兰些堕兰 塑= ! 兰丛堡些 序 土要化学成分质量备注 呼 c ua lsj m nf ep bn i c o l6 7o7( o3 余量n 奉 26 4 。6 840 5o03 0 余量英国 35 7 ，6 0 】0 2003 13 l5 - 3( o5( 03( o8( 02 余量美国 45 7 ，6 0o5 一，oo5 152 35( 03( 03 5 泉量日本 5余量27 io00 4 余莆h 奉 66 l 七5 55 - 65 ( 0 l( 02( 153o余量 同奉 76 0 1 6 4l9 35o6 - 120 1502 5 u 05 余量n 本 86 235 4505 150 1 5 0325 4oo5 余量l i = | 本 95 7 6 243 - 5220 - 3o 余景德围 1 05 5 5 9j3 - 23ogio2( 05( 081 0 盘章差困 1 l余量1610( o2( 03 美国 1 25 7 ，6 0 07 i l09 一i3 l2 _ 202 i o702 5( 02 5( o3 余量意大利 1 3“，6 65o 6o40 5o03 0620 - 302 0502 一o6 亲量中圈 1 46 0 ，6 235 _ 45o5 1003 一1 325 _ 4005亲量中国 1 56 i 一6 324 04o5 一】027 37余量中国 1 6余量05 - 1505 15 l2 - 25中围 1 75 乳6 2o5 - lo lo 2o( o503中国 表l 一2 部分合余的常规力学性能 台金常规力学性能磨损量 序号 6 1 1 ( m p a )6 0 。( m p a ) 6m ( ) h vd 。( k j c m 2 )m 1 06 9 35 5 02 7 01 21 8 0】22 73 45 0 02 4 02 81 3 03 5 6 56 2 03 5 21 7 11 8 82 5 32 5 8 1 06 4 74 2 81 3 42 3 21 2 06 02 1 26 0 03 3 91 4 41 8 92 5 43 5 2 1 38 0 05 8 01 l _ 32 4 9 2 8 71 2 2 156 5 03 7 01 21 8 02 43 4 0 l1 76 8 44 4 5l o 32 9 4 2 4 22 2 1 ll | 6 23 3 01 1 04 9 3 4 5 2 目前各国使用的各种铜基同步器齿环材料在常规力学性能上的差别不十分显 著。从表1 2 中可见合金元素加入后各合金的抗拉强度6 。显著提高，在 5 0 0 7 0 0 m p a 之间，但塑性比h 6 2 黄铜有所下降。3 。 中南大学倾。卜学位论文 第一章史献综述 1 2 3 锌当量 多年来讨论特殊黄铜组织的一个近似方法，是根据合金元素对c u z n 二元相 图相区的影响，并借助c u z n 二元相图来确定多元黄铜的组织。 加入黄铜中的合金元素铝锰铁硅铅锡镍等，除铅和铁实际上不溶丁铜中以 外，铝锰硅锡镍等都能固溶于铜中，可以近似的认为加入这些元素即相当于用它们 取代了一部分锌，因此，它们使锌在。相或b 相中的溶解度相应地有所变化，对 c u z n ：二元相图的相区位置及组织产生了一定的影响。根据实验，每个合金元素增 加1 都有其各自的代替锌当量，称之为“锌当量系数”。表卜3 为各合金元素“锌 当量系数”的数值。 表卜3 合金元素的锌当量系数 特殊黄铜往往含有多种合金元素，运用“锌当量系数”，就可借助于c u z n 相 冈来综合考虑多种元素对组织的影响，判断各种特殊黄铜的基本组织特征。这时只 需根据合金成分计算出各特殊黄铜的锌当量。 特殊黄铜的锌当量x 可由下式求出： x ：垒髦! ! 1 0 0 x = 圭台f 二一1 0 0 彳+ b + c 叩 f 】一】) 式中a 一特殊黄铜中的含锌量 b 一特殊黄铜中的含铜量 c 一特殊黄铜中各元素加入量 q 一各合金元素的锌当量系数 根据计算出来的锌当量对照铜锌二元相图，即可估计各种特殊黄铜的金相组 织，判断该合金是a 黄铜还是a + 0 或b 相黄铜，组织中。和d 的大致比例，进而 判断它们的机械性能特点；反之，也可以根据己定的组织来确定基本组元的含量或 合金元素的加入量。 随着三元相图的建立和不断完善，可采用三元锌当量来计算特殊黄铜的锌当 量x7 ，公式如下： x + 2 ：i j j 黑l 。 ( 1 2 ) x 2 万而并聂丽蚶0 0 h 。、 式中a 卜特殊黄铜中的含锌量 中南大学硕一+ 学位论文 第一章文献综述 b 一特殊黄铜中的含铜量 d 特殊黄铜中的主加元素的含量 c 特殊黄铜中其它各元素加入量 n 一各合金元素的锌当量系数 总之，铸造特殊黄铜组织上和普通黄铜相似，主要组成仍然是n 和b 两相。 加入合会元素对组织的影响反映在c u z n 二元相图上，主要是使相区分界线的位臀 移动了，改变了组织中0 和a 两柏的组成比例；运用三元相图来确定组织更准确 帕。 1 2 4 添加元素对高强度耐磨黄铜合金组织和性能的影响 自七十年代初，出现第一个高强度耐磨黄铜的专利以后，许多国家的工业界 都致力于高强度耐磨黄铜的研究”。1 。综合分析这类材料的成分配方如表1 1 ，可 将其中的合金元素归纳成以下4 类： ( 1 ) c u 和z n ，这两个是基本元素，各国的配方中c u 和z n 的含量分别控 制在5 7 6 8 和2 5 3 2 范围内； ( 2 ) a 1 是固溶强化元素，加a 1 的主要目的是提高合金的强度和调整n b 两相的体积百分数； ( 3 ) m n 、n i 、t i 、f e 等过渡元素。一般的高强度耐磨黄铜中都加入这些过 渡元素中的l 一2 种，其作用是形成硅化物或其它高显微硬度的颗粒相； ( 4 ) s i ，是提高耐磨损性能的主要元素，s i 加入后和上述的过渡元素形成弥 散分布的硅化物颗粒相，从而获得软基体+ 硬质点的理想耐磨组织。在有些高强度 耐磨黄铜中还加入微量的p b 或s n 以改善合金的切削加工性能。最新的研究表明， 在高强度耐磨黄铜中加入微量稀土元素有利于进一步改善合金的组织和性能。 现对每种添加元素对高强度耐磨黄铜的影响分别说明如下： a l 是高强耐磨黄铜中的重要合金元素。图卜3 是铜一锌一铝系在8 、6 0 0 、4 0 0 、2 0 的等温截面。由这些相图可知：铝显著缩小a 相区。铝的锌当量 系数高形成b 相的趋势大，可提高合金的机械强度。但若添加量超过5 o ，就容 易产生硬而脆的v 相，对合金的性能有害。相反，若添加量不足0 ，l ，也不会出 现强韧效果。 ! 堡堕兰型坐兰竺型坠 笙二皇壅坚堡垡 ( a ) 2 0 等温截面 ( c ) 6 0 0 等温截面 ( b ) 4 0 0 等温截面 ( d ) 8 0 0 等温截面 图l 一3c u z n a i 系在不同温度下的等温截面图 m n 是锰黄铜的重要合金元素。图卜4 表明c u z n m n 系合金的液相西等温线， 在8 0 0 、4 0 0 、3 6 0 、2 0 时的等温截面。由这些相图可知：锰缩小。相区的 作用极其微弱，对黄铜的组织影响不大。锰起固溶强化作用，与s i 相结合，析出 高硬度m n 5 s i 3 化合物，可提高合金的强度、硬度。从相图与s i 的量的比率来说， o 5 5 0 为适当范围，不足0 5 时没有效果，若超过5 0 ，沉渣产生量增多，有 损于铸造性。 ! 堡型塑! 堂堡! 垒墨 苎二妻兰型壁垄 ( a ) ( b ) 图卜4c u z n m n 系的等温液相线及8 0 0 、4 0 0 、3 6 0 的 固溶范围( a ) 和2 0 时的固溶范围( b ) s i 为使生成本合金特有的金属化合物所必需的元素，o 1 、2 o 为适当范围，如 果超过2o 会使合金脆化，不足0 1 则析出物的效果太小。 f e 对晶粒微细化与析出物的均匀分散化有效，但添加量若超过1 o ，析出物 就呈粗大化凝聚，产生相反的效果；若添加量低于o 0 5 则得不到上述的效果。 n i 为强化基材而添加的，但若不足o ，0 1 时则没效果，而超过1 o 时也不会 有那么明显改善的效果。 n b 同上述s i 一样都是会生成本合金特有的金属间化合物，强化基体，根据与 s i 添加量的比例，0 0 l 1 0 范围，显示出最佳效果。低于0 0 1 时无效果，而高 于1 0 时不仅效果小且不经济。 p b 维持铜合金的优良耐磨性能，同时能使机械加工性特别是切削性提高，添 加量0 小。2 0 时为最佳范围，过量会使韧性降低，低于o ，1 时没有起到提高切削 性的效果。 中南大学硕l 学位论文 第一章文献综述 1 3 金属塑性成形物理模拟研究 物理模拟是在实验条件下选取合适的试样，采用合理化的实验工艺，应用先进 的测试和分析手段，尽可能逼真地在现和记录加工生产过程中人们关心的某一过 程，某一环节。它可以避开通过实际生产过程研究问题时情况复杂、影响因素多和 不必要的浪费等诸多不利因素，以小试样迅速精确和有针对性地揭示材料在加工过 程中组织和性能的变化规律，从而预测评定材料在加工过程中出现的问题，为新材 料的研制，新工艺的开发提供科学依据“2 。 物理模拟研究的主要内容包括变形过程中工具和工件之间的摩擦、工件材料的 物理特性以及工件在变形过程中的力学行为和组织演变等。材料变形过程中的变形 条件对金属材料的流动力学行为以及组织演变具有重要影响。所以，要得到一个能 精确地描述变形过程中各参数的变化情况的物理模拟，需要作大量的工作。 金属高温塑性变形行为的研究主要包括探明材料在高温变形过程中的流变应 力行为，获得高温本构关系。，为实际生产工艺的制定提供依据。研究材料高温塑 性变形行为通常借助一些基本的实验方法，常用的方法有三种，即单轴拉伸、扭转 和压缩等。在很多重要的金属成形工艺( 包括锻造、轧制、挤压、拉拔等) 的优化 设计和实施之前，均要求事先借助这些方法了解材料在不周变形条件f 的塑性变形 行为。这些基本的实验方法的采用还有利于塑性加工成形工作者对新材料进行开 发、研制和分类时，建立其有关材料高温塑牲变形特点和成形性的指标。用像拉伸、 扭转和压缩等方法求得应力一应变关系数据，可用于分析变形过程材料的塑性变形 行为。本研究则采用圆柱体压缩法研究高强耐磨黄铜合金的高温塑性变形行为。 1 4 材料磨损原理及其耐磨性 磨损是工业领域和臼常生活中常见的现象，也是造成材料和能源损失的重要原 因。研究磨损的目的就是要针对各种磨损现象尽可能采用有效而合适的方法或工艺 措施，防止或减少磨损。研究内容包括材料在使用过程中产生的摩擦损失和由此而 引起的材料状态变化，同时还要研究材料和表面处理工艺的设计等。材料的摩擦磨 损性能不单单是材料的固有属性，而且受至摩擦学系统中的接触条件、工况、环境、 介质等多方面因素的影响，因此材料磨损是受一系列因素影响的系统工程问题7 。 1 4 1 磨损的分类 目前比较通用的磨损分类方法是以j t b u r w e l l 和c d s t r a n g 提出的按照磨 损机理的分类方法。即将磨损分为：( a ) 粘着磨损、( b ) 磨粒磨损、( c ) 疲劳磨损、 ( d ) 腐蚀磨损。( 如图卜5 所示) 在各个磨损类型中，磨粒磨损和粘着磨损占据最大 比例1 。 9 中南大学碗i j 学位论文 第一帮文献综述 ( a ) 粘着磨损( b ) 磨粒磨损 ( c ) 疲劳磨损( d ) 腐蚀磨损 图卜5 主要磨损类型示意图 1 4 2 金属材料粘着磨损影响因素 粘着磨损是在法向加载下，两个接触表面相对滑动时产生的。由于宏观光滑的 表面上，从微观尺度看总是粗糙不平的，当两个表面贴合时，接触的将只是表面上 的一些比较高的突点。它们支撑着整个载萄，承受很大的压应力，以至使很多微突 体发生了塑性变形。与此同时，实际接触面积增加，一直增加到足以承受全部外加 载荷而不发生变形为止。在这种情况下。有些接触突点间的长程范德瓦尔斯力将显 示作用。而在相聚大约l m 的接触突点间，将出现强烈的短程交互作用力。因此， 如果没有表面膜存在，两个接触表面将通过上述原子间的作用力发生粘着。当这两 个表面相对滑动时，粘合点将被剪掉。如果剪断正好发生在界面上，那就不会发生 磨损；如果剪断是发生在距界面一定距离的部位，则金属就会从一个表面转移至另 一个表面，从而产生粘着磨损“。对于自制实验合金来说，根据磨损实验观察分析 咀及资料参考，证明同步器齿环的磨损形式主要以粘着磨损为主。 金属材料粘着磨损影响因素主要有； 1 金属的互溶性 金属摩擦副双方的互溶性对粘着磨损有很大的影响，互溶性好的摩擦 副，粘着倾向大。相同金属配对，耐磨性差。在元素周期表中，不同周期 不同族的金属，则原子结构不同，性质不同，耐密性好。金属学原理指出， 中南人学硕卜学位论文 第审文献综述 形成固溶体的控制因素主要是原子尺寸、电子浓度、相对熔点等。可见， 用同种金属材料做摩擦副易粘着，相近的金属次之，相远的金属不易粘着。 2 金属的晶体结构 许多研究者指出晶体的点阵形式对粘着磨损有重要的影响。在一般条 件下，面心立方点阵的金属粘着倾向大于密排六方点阵，在密排六方点阵 中，元素的c a 比愈大，粘着倾向愈小。 3 金属的显微组织 材料的微观组织与机械性能有密切的关系。因而它对金属组织状态材 料的耐磨性也有重要影响。 1 5 本论文的研究意义及研究内容 汽车工业是一个国家工业生产能力和科学技术水平的综合象征，汽车产业的发 展和新材料的发展及新技术的应用互相推动，汽车同步器齿环材料的研究与开发也 和我国汽车：l ：业的发展相同步。耐磨黄铜不仅导热性能和耐磨性能好，而且还具有 优良的综合机械性能，8 0 年代初期，世界上多数汽车工业发达的国家都已普遍采 用高强耐磨多元复杂黄铜制造汽车同步器齿环。由于我国汽车工业的快速发展，对 同步器齿环用铜合金管和高性能、高精度的同步器齿环产品的需求量增长迅速，齿 环用铜合金年需求量已达6 0 0 0 t 。近年来我国各大汽车厂也先后从国外引进了一些 名牌车型，但在同步器齿环国产化的过程中，由于对材料本身的组织性能及热处理 工艺缺乏深入的研究，致使目前国内生产的多数齿坏产品寿命达不到国外同类产品 的水平，因此对这类材料组织及耐磨机理进行系统的研究，提出合理的加工及热处 理工艺路线是从基础研究到实际应用的必要工作。 本课题是中南大学与江苏张家港高新张铜股份有限公司共同承担的国家计委 2 0 0 2 年高技术产业化新材料专项项目( 计高技 2 0 0 2 4 2 3 号) ：“汽车同步器齿环及 齿环材料”的子项目之一。实验以材料组织与其各方面性能的关系为依据，创新点 及技术关键在于通过调整合金成分向合金中加入适量稀土元素来细化晶粒、净化晶 界，添加各种微量元素控制强化相从而提高材料的强度及耐磨性能，采用先进的立 式连续铸造法，借助电磁力强化铸坯内未凝固金属溶液的运动，达到细化晶粒、消 除缺陷、改善铸坯质量的目的。成功地生产出优质的管坯，然后直接精锻成齿环。 克服了离心铸造、水平连铸、热挤压等方法的诸多缺点。再通过对铸态材料的加工 及热处理从而得到性能优良的产品。该技术通过了省部级鉴定，并已申请专利，是 目前国际先进的复杂黄铜管坯生产技术。同时该项目也己获国家计委产业化示范工 程资助。对实现高性能、高精度同步器齿环产品国产化和规模化生产，推动我国汽 车 i 、小的发展，增强国际竞争力有极大的作用。 中南人学硕i 。学位论文 第一章义献综述 本文的研究内容大体上可分为三部分，即包括高强耐磨黄铜材料变形行为的物 理模拟，材料的热处理工艺优化以及材料摩擦磨损性能的研究。研究的主要内容有： 1 采用圆柱体压缩实验法，研究高强耐磨黄铜合金高温变形时的力学行 为，确定在实验变形条件范围内应力与应变、应变速率及温度之间的 关系。 2 运用正交实验方法对合金的热处理制度进行优化，寻求最佳的组织性 能，从而制定出合理完善的材料成品热处理工艺方案。 3 系统研究高强耐磨黄铜材料在不同摩擦条件下的摩擦磨损性能，分析 其磨损失效形式，并阐明其磨损机理。讨论材料成份、显微组织、与 性能和不同条件下磨损特性之间的关系。 1 6 本章小结 本章主要介绍：高强耐磨黄铜合金的性能与应用前景，添加元素对复杂黄铜合 余组织与性能的影晌，物理模拟研究技术在金属塑性成形领域的应用和研究状况以 及材料磨损原理及其而、j 磨性能，最后介绍了本研究的研究意义及研究内容。 中南大学碳i 。学位论义第。一章实验方案及过程 第二章实验方案及过程 2 1 实验的工艺流程 为了达到实验研究的目的，采用立式连铸方法制备了h a l 6 2 4 3 一o 1 合金管 坯，对自制合金的高温变形力学行为、组织性能、热处理加工工艺进行了分析，并 通过对比研究，讨论了合金的摩擦磨损性能及磨损机理。实验研究工艺技术路线如 图2 1 所示。 图2 i 实验工艺流程图 中南大学硕士学位论文 第二章实验方案及过程 2 2 实验合金的制各 合金铸锭结晶组织的好坏，不仅影响加工工艺性能，而且影响最终制品的质量。 因此在生产中，在合金成份控制准确的前提下，力求获得晶粒细小、致密度高、均 匀。致的结晶组织。 本实验中合金在江苏张家港高新张铜股份有限公司黄铜铸造车间采用立式连 续铸造法制备。由丁高强度耐磨黄铜台金中所含的元素较多，且高温流动性导热率 均较差，因此需要选择较优的熔炼工艺参数“。 1 根据各合金组元的特性及一些参考文献确定各组元的烧损率( 表2 1 ) ，并根据 合金元素配比及烧损率制备实验合金。 表2 一l 金属烧损率 2 按照( a ) 先加数量较多的炉料：( b ) 先熔化占炉料主要部分的低熔点成分，而难 熔成分用熔解法融入合金中；( c ) 熔解时能产生很大热效应的金属，不作最后一 批料加入，以防金属熔体过热；( d ) 先加较难氧化烷损而较易还原的金属，或 较难与炉气及炉衬相互作用的金属等原则确定熔炼加料顺序：c u 、c u f e 、 c um n 、p b 、a l s i 、s n 、z n 。 3 实验选用木炭作为覆盖剂，精炼剂为5 0 冰晶石( n a 3 a 1f 6 ) + 5 0 小苏打( n a 。c o 。) 。 覆盖剂先加入炉内，而精炼剂是合金全部熔化后分批加入，加入量约为0 1 。 熔炼温度为1 0 5 0 一1 1 5 0 ，保证金属液有一定的流动性，调整立式连铸机停一 拉制度保证铸造过程的f 常进行，防止产生冷隔。夹渣等缺陷。并在铸造过程 中注意以下操作要点：采取低温加锌，高温捞渣，以减少熔炼损耗；按喷火次 数作为实际出炉依据；及时捞净浮渣避免铸锭产生夹渣；最后熔炼铸成o 6 7 5 5 7 5 m m 的黄铜管坯。 2 3 热模拟实验 实验材料选自高强黄铜合金连铸管坯。通过线切割加工成8 m m 1 2 m m ( 直径 长度) 的圆柱体热模拟压缩试样。为了得到比较理想的均匀的内部微观组织，对 试样进行了7 5 0 6 h 的均匀化热处理。 中南人学硕士学位论文 第二章实验方案及过程 吲 2 2 实验压缩示意图 压缩实验在g l e e b l e l 5 0 0 热模拟实验机上进行，压缩是通过将圆柱体试样置于 一对平锤之间然质进行镦粗来实现的( 如图2 之) 。压缩实验开始之前须在平锤表面 均匀涂上润滑剂：7 5 石墨十2 0 4 6 号机油+ 5 硝酸三甲苯脂。这样在压缩时便可很 大程度上减小摩擦对实验结果的影响。热模拟实验的升温速率为5 s ，保温时间 为l m i n 。 本实验为设定范围内一系列不同热变形参数条件下的模拟实验。实验过程中由 g 1 e e b l e 1 5 0 0 热模拟实验机自动采集数据。变形条件的各主要参数为： 变形温度( ) ：6 0 0 ，6 5 0 ，7 0 0 ，7 5 0 ； 变形速率( s o ) ：o 1 ，o 5 ，25 ，l o ； 变形程度为8 0 。 2 4 热处理实验 截取铸锭环坯采用箱式电阻炉进行均匀化退火实验。 合金淬火时效热处理工艺优化采用正交实验法确定，正交法采用五因素四水 平，使用l 1 6 ( 4 5 ) 讵交试验表，如表( 2 2 ) 所示。根据实验需要取样测试材料性能 并观察材料微观组织。 本实验采用箱式电阻炉。型号为s x 2 4 一l o 。 中南大学帧。学位论文笫一章实验方案及过程 表2 2 热处理正交实验设计毒 2 5 摩擦磨损实验 摩擦磨损实验在m h k5 0 0 型环块试验机上进行，f = 下试样的接触方式为环一块 面接触( 如图2 3 所示) 。磨轮( 摩擦副) 为g c r l 5 钢，直径为4 9 2 1 m m ，表面粗 糙度为1 6 3 。实验在1 0 4 0 k g 的负荷，转速为2 0 0 r m i n ，无任何润滑条件下进行。 实验过程中只需直接更换块试样( 其尺寸为l o l o x2 0 m m ) 。其结构原理如图 2 3 所示。 图2 3t i m k e n 试验机结构原理图 中南人学硕士学位论文 第章实验方案及过程 当试验机转动时，由于环块之间的摩擦力作用，使装有试块的试样架产生以0 点为圆心的顺时针转动趋势，带动负荷杆沿切向力s 。方向移动，并由此而使测试 杆产生以e 点为圆心的反时针转动趋势。当测试摩擦力时，是利用( b + r ) 的重 力在测试杆上产生个力矩，其大小与摩擦力造成的力矩m 相等，方向相反。 此时 f = 9 4 5 ( b + r )( 2 - 1 ) 式中f 为摩擦力，b 为测试杠杆的砝码重，r 为测试杠杆的砝码读数。作用在环上 的正压力为 p = 1 0 ( a + c ) 一2 5 ( b + r )( 2 - 2 ) 式中a 为负荷杠杆的砝码重，c 为负荷杠杆的杠杆常数。 材料的磨损是由于接触表面间的摩擦而导致物质不断损耗的现象。本文中采用 质量磨损率表征材料的磨损性能：实验完毕取下样品后用丙酮和酒精除去油污并在 干燥箱中烘干，然后用分析天平( 感量o ，1 m g ) 称其质量( 取3 次平均值) ，通过 支链损失计算材料的质量磨损率。 材料的摩擦是两个物体相对运动时在其接触面上发生的切向阻抗现象。材料的 摩擦性能与接触表面动力学、外界作用的载荷和位移、表面形貌和材料性质都有关， 通常用摩擦系数来表征。对于滑动摩擦而占，由于对摩擦起因的认识差异，如存在 机械互锁学说、分子引力学说、分子一机械学说、粘着学说和变形一粘着综合作用 学说，滑动摩擦系数的定义与计算方法也不同，但均为无量纲量。本文中采用m h k 一5 0 0 摩擦磨损实验机定义的摩擦系数表征材料的摩擦学性能： 摩擦系数= 而函 善 ( 2 - 3 ) 2 6 其它实验方法 2 6 1 金相实验及组织观察 采用光学金相显微镜对合金在不同状态( 铸态、均匀化态、加工态、和时效 态) 下的显微组织进行了观察与分析。金相分析在本学院金相室的n e o p h o t 一2 1 型 卧式金相显微镜上进行。 实验工序： 取样一镶样一研磨( 水磨砂纸、1 号砂纸、3 号砂纸、5 号砂纸、7 号砂纸) 一抛光一化学腐蚀一观察显微组织形貌及照相 所用浸蚀剂为：( 铸态) f e n o 。( 2 9 ) + h c l ( 2 5 m 1 ) + 水余量。 ( 加工态) 浓硫酸( 8 m 1 ) + 重铬酸钾( k c r o 一) 2 9 + 水( 1 0 0 m 1 ) 中南大学坝j ! 学位论文 第= 章实验方案及过程 2 6 2 硬度实验 合金铸态、加工态、时效态样品在经过砂纸粗磨之后，采用本院的b r i n e l l h r d n e s st e s t e rh b e 一3 0 0 0 型布氏硬度计在试样上进行逐点硬度测量，采用钢球 的直径为5 m m ，负荷7 5 0 0 n ，加载时侧3 0 s ，每个样品测量3 个数据，取平均值。 2 6 3 电子显微镜分析 扫描电镜分析在本院k y k y 一2 8 0 0 型扫描电镜上进行的，试样用常规方法制各， 在截取电镜样品之后，经粗磨、细磨和机械抛光后，直接在扫描电镜上成像并进行 能谱分析。 透射电镜分析在洛阳7 2 5 研究所p h i l i p sc m 2 0 0 型分析电镜上进行，微区成分 由d x 一4 型x 射线能谱仪进行分析。样品先用砂纸减薄到o 1 m ，并尽可能消除较 粗划痕，冲剪成中3 m m 圆片后在m t p i i 型双喷电解仪上用3 0 硝酸+ 7 0 甲醇混合 液( 体积分数) 最终减薄。双喷电压为1 0 1 5 v ，电流为6 0 8 0 f f l a ，用液氮冷却，温 度控制在一2 0 以f 。喷好的样品经酒精清洗后用滤纸包好放入干燥器中保存，并 尽快进行观察。 2 6 4 熔点测试 采用本院f 1 本理学差热分析仪一t a s l 0 0 对自制实验合金进行熔点、相变点测 试。升温速度为2 0 分，氮气保护。 2 7 本章小结 本章主要介绍了本研究的工艺流程以及合金的制备方法、常规检测手段、热模 拟与热处理实验的工艺参数，并说明了材料摩擦磨损性能的检测仪器和方法。 中南大学倾士