（固体力学专业论文）铝硅活塞环槽电子束表面改性研究.pdf

摘要 p 3 8 8 西南交通大硕士论文 摘要 本文综合论述了国内外电子束表面改性处理的研究和应 用情况以及发动机活塞环槽所采用的各种提高耐磨性能的手 段，研究了铝硅合金( 主要是z l l 0 9 ) 的电子束快速重熔和合 金化改性处理的工艺方法，测试了不同改性层的表面硬度、 自身和界面的剪切强度、抗压强度和抗疲劳强度。利用光学 显微镜对电子束重熔和合金化改性层的微观组织进行了金相 分析，透射电子显微镜对合金化后的改性层进行了相结构分 析，扫描电子显微镜进行合金化改性层的成分分布分析。在 此基础上，讨论了电子束重熔共晶铝硅合金形成亚共晶组织 的原因，以及固溶和弥散强化重熔层的特点：电子束合金化 处理保留了电子柬重熔的特点，并且增加了新生成的第二相 强化的效果。并说明了合金成分增加到一定量( 1 5 左右) 将形成网状骨骼，超过2 0 后新生相网状骨骼将对合金化层 的综合性能产生不利影响，如硬度增加、改性层变脆，并极 易形成裂纹等。最后着重对电子束改性层的摩擦磨损性能进 行了试验研究，试验对比了电子束重熔层、二种台金化层及 高镍铸铁耐磨性能，分析了摩擦负荷与磨损量，摩擦负荷与 摩擦力矩的关系，提出了临界磨损负荷p 。的概念，并对影响 电子束改性层的耐磨性能的因素进行了分析。 关键词：电子束重熔电子束合金化铝硅合金耐磨性能 临界磨损负荷 a b s t r a c t 疆鬻燮遥大学磷士论文 - h - _ _ w m 一- _ a b 黟啊认c t t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h ei n v e s t i g a t i o n sa n da p p l i a n c e so f d 。c 缸o 娃b e a ms u r f a c et r e a t m e n t ( e b s t ) a n dt h ew a y so f i n c r e a s i n gw e a rr e s i s t a n c ep r o p e r t i e sa b o u tm o t o rp i s t o nr i n gp i t , s t u d i e dt h et e c h n o l o g yo fe b s z 确愆hi sa p p l i e de b s to f r e m e l t i n ga n da l l o y i n ga 1 - s i a l l o y ( m a i n l yz l l 0 9 ) t h e m 意a s u 端拄l e 矬重w a sm a d ef o rt h es u r f a c eh a r d n e s s , s h e a r ，s t r e n g t h ， u l t i m a t ec o m p r e s s i o ns t r e n g t ha n df a t i g u es t r e n g t h f o rt h e d i f f e r e n te b s tl a y e r s m i c r o s t r u c t u r e so fe b s tl a y e r sa r c a n a l y z e d a n dt a k e nb yu s i n go p t i c a lm i c r o s c o p e ，p h a s e s w a c t a r e s8 糟d o n eb yu s i n gt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e ( t e m ) h e m e md i s t r i b u t i o no fa l l o y i n g s u r f a c em a t e r i a l si s d o n eb yu f i n gs w e e pe l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) o nt h eb a s i s o f t h o s e ，t h er e a s o nt h a te l e c t r o nb e a mr e m e l t i n go f e u t e c t i ca i - s i a l l o yf o r m e dh y t x 旧u t e e t i co r g a n i z a t i o na 糟d i s c u s s e d 。e b r e m e l t i n go f a i - s ia l l o yf o r m e dal a y e rw i t haf i n eg r a i ns i z e e x t e n d e ds o l i ds o l u b i l i t y , e l e c t r o nb e a ma l l o y i n go fa 1 - s i a b s l l u 屺叮 西南交通大学硪士论文 a l l o yy i e l dt h ei n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d si n a d d i t i o nt ot h e c h a r a c t e ro fe br e m e l t i n g i ti sc o m p l a i n e dt h a tt h ea l l o y i n g e l e m e n t sa d d i n gu pt o15 w i l lf o r mn e t w o r ks t r u c t u r e s , i fo v e r 2 0 i ti sd i s a d v a n t a g e o u sf o rt h ep r o p e r t i e so fa l l o y i n gl a y e r s , s u c ha si m p r o v i n gh a r d n e s s ，b r i t t l el a y e r s ，a n df o r m i n gc r a c k e a s ya n ds oo n a f t e ra l l ，w c a rr e s i s t a n c eo fe l e c t r o nb e a m t r e a t m e n tl a y e ra r ei n v e s t i g a t e d ，c o m p a r e dw i t he br e m e l t i n g l a y e ga n dt w ok i n d so fe b a l l o y i n gl a y e r s , a n dc o s th i g h n i c k e la l l o yi r o n r e l a t i o no ff r i c t i o nl o a dw i t h w e a ra n d f r i c t i o nl o a dw i t hf r i c t i o nt o r q u ea r ea n a l y z e d ，t h ec o n c e p to f c f i t i c a lw e a rl o a d p ri sp r o p o s e d ，t h ee l e m e n t st h a te f f e c tt h e w e a rr e s i s t a n c eo fe b s tl a y e r sa r ea n a l y z e da l s o k e y w o r d趟s ie u t e e f i ca l l o y e l e c t r o nb e a mr e m e l t i n gt r e a t m e n t ( e b r t ) e l e c t r o nb e a ma l l o y i n gt r e a t m e n t ( e b a t ) w e a rr e s i s t a n c e c r i t i c a lw e a rl o a d 2 第一章 西南交通大学硕士论文 第一章绪论 1 1 高能电子柬表面改性技术概述 1 1 1 高能电子束表面改性技术的分类及特点 人类社会的发展史同时又是一部人类利用与开发能源的历 史。从史前的简单利用机械能、火、风等能源形式，到工业革 命开始时蒸气机的出现，而现代工业完全是建立在电力工业基 础之上的，而人类对于高能束流的认识历史相对较短，高能电 子柬e 1 9 5 8 年，开始进入世界技术行列 2 。这种新形式的能源 开始用于焊接、钻孔和切割，后来才开始用于表面改性处理。 表面改性技术是表面工程中一个主要组成部分，是适应材料科 学与工程发展的产物。为满足现代工业发展的需要，使机械设 备的零部件能在极端的工况下工作，对零部件的表面性能提出 了越来越高的需求，促进了近几十年表面技术的迅速发展，采 用现代表面技术可赋于材料表面以特殊的成份、组织结构和性 能，使零件的表面具有耐蘑、耐蚀和丽寸两温等优异的性能，大 大提高了零部件的使用性能和可靠性。此外，有些表面技术还 能用于零件的修复。表面技术基本分为两大类：第一类是在材 料表面形成一特殊成份，组织结构和性能的覆盖层如沉积、电 镀、喷涂等；第二类是材材料表面进行改性，如热处理、化学 热处理、离子注入、高能束热处理、熔凝和合金化处理等 1 ，1 9 。 自一九七o 年首先应用高能电子束热处理这一技术时，电 子束在高频率条件下，根据l i s s a j o u s 曲线扫描工件的表面产生 了l i s s a b u s 曲线式表面硬化层 1 4 ，随后电子束作为表面技术 的手段在近二十几年里研究越来越深入，应用也越来越广泛a 电子束表面处理技术分类如图卜l 。根据发射到金属材料上聚焦 电子柬不同的能力密度，可实现只使金属材料表面被加热，作 表面固态处理( n d e b t ) ，也可使金属材料熔化一定深度，实现 表面熔化处理( 甚1 1 e b f t ) ，后者还可以添加不同的合金成份， 以满足既耐腐改，又有足够的韧性和塑性等综合技术需求 1 5 。 第荦 蘸南变通大学硕士论交 网1 1 电子京表随处理分类 电子束热处理即电子柬表面相交处理，又旅；举埂处理：茁 空气中能波淬硬的某些金慝材料，如含族量大于0 4 5 的锕r 氐合金钢，具有共晶反应区的铝硅，铁碳( 铬、铝、钨、 钒) ，镍硼等合金，和具育靓晶反应的铝钛，铝铬，铝铁，锅 锰，锱硅镣等合金均可采淆电子柬船热淬硬：1 5 j 。电子束加热 速度鞍快，淬火温度比常撬热处理要裔些，冷去g 速度也裰快， 因为跫叁冷淬火，所以表萄硬度磁常烂热处淫离，晶粒也纲 小。患孑寐热处理钢铁材斟，湿度越过据变点，秘霹表面发生 马氏体相变改善材科表亟硬度韧澍黪提性能。表踅产生的残余 应力改善了材料的疲劳性旋，但研究表明它并不能提高村斟的 耐腐改特性，这种处理最终表面光洁度较好，变形也很小 f l ( ) ，1 6 1 9 ，2 2 ，3 7 ，3 9 j 。自动变速离合器凸轮( 材料s a e s 0 6 0 ) 在表面八处进行蜀部淬火，淬硬疆为1 5 m m ，硬度为h r c 5 8 ，减 少了一般感应淬火籍的校正操作( 1 4 。仅德国采籍电子束稻交 硬化各穰不溺类型的零件1 8 0 多种，年处理t 0 0 万件以上，文献 1 3 裹2 ，列出了电孑柬热处理零件 | 莓况，文献 3 8 对热作工具 钢电子京处理参数、硬化屡深度及表垂粗糙度等作了较详缨的 第一章两南变通大擎硕士论文 论述。 逛子柬表面热处理的能量密度可低于1 0 3 瓦厘米2 ，在处理 过程中尽量避免产生熔化，而电子束寝面快速熔化凝圈处理的 电子柬能量密度为l o 1 0 。瓦匿米： 1 5 。这种裘面熔化处理是 乖j 用商能电子菜菠表面薄痿i 0 1 0 0 u m 快速熔仡，然后通过母材 自身导热以稷离酶冷却遽凄跌液稻凝滔，遥过改变材料衰蟊镌 曼微组织稻糖结梭，在裹瑟形残嚣晶檩，余稳襁，高度过键秘耀及 汲细的曼徽组织。这转工艺技术在有些文献中数之为玻璃化， 上釉，或微晶化工艺。与传统制造金属玻璃的快速凝固技术枢 比，黼畿电子柬表面快速熔化凝固产生了更高的冷却速度，可 达到l o ? j k ，7 s ，比佟统方法的冷却速度高几个数登级，显著扩大 了可获得菲潞态的材料范围。中科院沈阳金褡研究所对t 0 4 铁合 金静电子菜表酹快速熔凝处建，当扫播速度达至1 5 3 5 m 7 s 时，熔 谶屡的冷却速发达到9 1 0 1 u s ，蕾次获得? 5 t 0 0 n m 晶屡，其 要微疆瘦童离达疆、1 0 5 0 ，为母材的2 7 磐1 3 “。麓文献：3 4 ：焉激 光束快遽熔凝处理t c 4 钛台金，熔凝层衰蘑显微硬度达型 h v 9 0 0 ，坦研究结染表明是在表面崖氮化形成t i n 和t i ：n 膜硬化 的结渠。当然利用电子柬熔化处理，被处理和熔化层深度不葡 限予薄威如0 1 8 m m ，也能显著改善金属材料表面j f 寸近的性 能，提高材辩的综合性能。文献 t 5 对一些材辩在电子柬熔化 处遴提高综合性能上给了些黼表数据。文献：5 j 专f - 】论述了铸铁 表蕾在空气中采瑁宅子柬重熔淬火。文献e 4 4 对高速钢的电子 束恢蘧熔凝处璎组织结构的变化进行较纲致的研究。另羚，瞧 子衷焊缝结构与性能的变化为电子束熔凝提镞了许多思路芋丑应 用实铡：l ? ，1 8 ，0 0 ，2 6 ，4 0 j 。 电子束表面合金化是利用高能电子束将一些元素熔入到基 体表层金属内部，从而改变金属表面层的成份。当熔入元素的 含量越过了它的基体金属中的溶熊度盾，即能形成独立的新稻 通常为化合物) ，饺基体金属表面麓的组织结构和性毹发生 根本的交滗，达到对材料表瑟改性盼鼙的，使末孝料表屡具有耐 瘸缓，耐高湿氧纪嵇耐磨损等特殊性熊。这工艺技术级处予 研究发展险段，普遍认为在表瑟改性上发展潜力较大，因为这 第一章 西南交通大学硕士论文 一工艺中冶金过程是在极高的速度加热，极高速度冷却下进 行，其规律有别于常规合金化。电子束合金化处理模具钢 a i s i h l 3 钢表面，其硬度和回火抗力都得到较大提高 3 。对时 效l m l 3 的镍合金化及硅合金化，硬度与耐磨性能都有预期改善 4 。机电部北京机电研究所进行了电子束表面合金化的组织与 性能研究及n ic rw t ic o 等元素在4 5 # 钢中合金化的作用 1 1 。 与传统工艺相比，高能电子束表面改性技术具有如下特 点： 1 ) 电子束可把功率集中在一个很小的区域，功率密度比传统 工艺高3 4 个数量级，工件与电子束之间直接碰撞传送能量， 加热速度极快，能量利用率很高。由于快速加热和冷却而生成 各种非平衡显微组织，如扩展固熔体，介稳晶体相和非晶体金 属玻璃等。 2 ) 电子束表面改性技术补充了传统工艺的不足，能用于处理各 种传统方法很难或不可能处理的复杂零件，且技术经济效益 好。例如，处理大型船舶发动机缸盖，寿命提高2 3 倍，经济 效益很好。 3 ) 工艺范围广，电子束表面改性技术包括表面相变处理，快速 熔凝和玻璃化，表面合金化，电子束覆层等，此外，电子柬蒸 镀、溅射也应属于电子柬改性范围。其中有些技术已进入实用 阶段，而有些处于研究阶段。 4 ) 技术性能好，与传统工艺相比，表面相变硬化工艺中，不需 淬火介质，能发生自淬火，工件处于真空保护状态( 非真空电 子束处理例外) ，几乎不发生气体污染，处理时间短( 与工件 大小有关) ，硬度较高( 约比感应硬化高2 3 h r c ，硬化深度可 从0 2 2 5 m m ，表面产生残余压应力，可细化显微组织，工件 形变小，热影响区小，节能，清洁，工艺灵活，易于计算机精 确控制，易实现自动化，可靠性高，再现性好，易于用到柔性 制造系统中，在表面合金化工艺中，能以低廉的方式在金属基 体表面制造耐磨，耐腐蚀合金，显著节约贵重金属等。 第一常 西南交通大学硕士论文 1 1 2 锈会金菇麓束流表面改性国内外研究情况 在g - a i s i 。合金的基体上，添嬲铁箔，镍籀( 或类氏体不锈 钢箔) ，经电子豪熔化处理后，可显著提熹铝合金表薤挽滑动 摩擦性能或耐蚀性能。添加到基体上的箔层，如用箔板，则采 用般定位焊方法，预先把箔板固定在基体上。箔厚约为熔化 层深度的1 1 0 1 2 0 。也可用电沉积法把膜层沉积到基体上， 膜厚约2 5 u m 。簿度为0 3 5 m m 的铁箔熔至u g a i s i ；。铝纂体上，熔深 挎5 m m ，则接近表面处的硬度可达h v 4 0 0 ，簿度为2 5 微米豹奄沉 积镍膜熔耗到g - a i s i 。铝基体上，熔深为0 4 m 臻，在离表蚕约i 3 熔深处麴平均硬度可达h v 2 0 0 1 5 。p e t r o v 进行了锯合金电子束 重熔与合金化凝究，所班究的铝合金为a i s i l 8 c u n i m g ( 1 8 2 0 s i ，1 1 5 c u ，o 4 0 6 m g ，l i 5 n i ) 。将成份为2 2 c r ， 2 n i ，7 6 f e 合金粉末等离子喷涂在销合金试样表面，厚度超过 i m m ，并利用电子束熔化喷涂层：爵合金熔入基体获得硬化层 2 7 。图1 2 最2 5 0 热处理铝基体，重熔屡及合金纯层的显微 磋度的变化。类敝情况，文献 6 以a i s i 共晶合金淹醑究对 象，其他学裁纷鸯1 0 5 7 s i ，5 ? c 鞋， 1 8 ， 缩短率远远大于延伸率。说明电子柬重熔性能得到显著提 高，四组试样都是沿4 5 。切线方向破坏，如图3 - 2 ，与铸铁抗 压破坏形式类似。 3 1 4 抗疲劳试验 疲劳试验结果见表3 - 6 。所有试样疲劳裂纹扩展至断裂形 表3 6 试样组号最大载负n最小载荷n断裂周次平均值 1 |废 a 中27 0 0 08 0 04 3 6 04 5 6 0 3 7 0 0 08 0 04 7 6 0 l7 0 0 04 0 07 6 5 0 a 上27 0 0 04 0 08 1 7 08 4 6 3 37 0 0 04 0 09 5 7 0 l7 0 0 07 0 03 9 0 b 中26 0 0 06 0 04 1 4 04 3 3 7 36 2 0 06 0 0 。8 4 8 0 16 0 0 03 0 08 2 4 0 b 上26 0 0 0 3 0 01 5 4 06 1 4 7 36 0 0 03 0 08 6 6 0 17 0 0 07 0 03 0 5 4 6 c 中 、 27 0 0 06 0 01 4 6 3 02 7 0 4 7 37 0 0 06 0 0 3 5 9 7 0 16 4 0 03 0 01 7 0 6 0 c 上26 2 0 03 0 01 7 1 1 02 3 0 7 7 36 4 0 0 ： 3 0 0 t 3 5 0 6 0 注：1 ) ：重熔层b ：c r 2 5 n i 2 0 + c u 合金化c ：c r l 8 n i g + c u 台金化 2 ) 中指重熔层居试样中间，其余类推 3 ) 所有试样断裂始于铝合金基体。再延伸至改性层。铝基体与改性层 界面未裂。 第三章 西南交通大学硕士论文 式几乎一样，都是从铝合金基体上开始形成裂纹，沿中间垂 直于改性层的方向扩展至改性层，直至试样疲劳断裂，基体 与改性层界面没有形成可见裂纹，说明在试验负载条件下， 改性层抗疲劳裂纹性能较好。一 3 2 铝硅合金电子束重熔的组织特征及强化机理分析 3 2 1 铝硅合金电子束重熔的组织特征 铝硅合金相图( 图 卜9 ) 可以看出共晶成 分为含硅1 1 7 ，而 z l l 0 9 和l d ll 都处在共 晶成分范围，其组织 应该为金属a l 和非金 属硅的共晶组织。从 图3 3 显微组织看， 共晶组织占住了绝大 部分，但也析出了局 部的初晶硅，反映出 过共晶组织的特点， 对比z l l 0 9 和l d l1 两 种不同工艺韵组织， z l l 0 9 树枝状结晶很 明显，而l d l l 经过锻 造加工的破碎作用， 枝晶被打断，而初晶 硅也被手垡坠导织相图3 3 合金显微组织v d - 7 1 it 、z 。l 1 0 9 要均匀。 ” 经过电子束重熔( 快速熔化凝固) 处理，如图3 - 4 ，熔化 区的组织比处理前细化了几十倍，显微形态也变成了铝硅共 晶体包围着铝基a 固溶体树枝晶的亚共晶组织。从显微组织 分析d 相所占体积约5 0 左右，而根据杠杆定律计算共晶成 分组织的q 相体积应约为9 0 左右，是一种连续的基体相 ( 图3 - 4 a ) 。 第三章西南交姐大学磺士论文 3 2 2 共晶铝硅合金电子束重熔后形成亚共晶组织的原因 从金属材料热力学观 点看，在缓慢冷却条件下， 共晶成分液态合金中结晶 出两种成分与液相完全不 同的a 相和1 3 相时需要组 元原子的扩散过程能充分 进行，才得到平衡组织。 而实际的缝晶过程结晶时 冷却速度舔l j ：较大，1 原子 的扩散过程不能充分进行。 结晶后的组织将与平衡组 织有很大差异，而在不平 衡条件下结晶。由于冷却 速度较快，过冷至共晶温 度以下，则液相对a 相的 饱和极限沿a e 延长线变化。 而液相对b 相的饱和极限 则沿b e 延长线变化，如图 3 - 5 2 1 。假如合金成分 靠近共晶成分，合金过冷 至温度t 。时才开始结晶， 即合金过冷到影线区才开 始结晶，纰耐液体合金中 同时饱和着a 。弱溶体 因此两者将周对绻瀑藏： 体合金将全帮转变为共晶 组织( d + b ) 。所有非 共晶成分的合金如过冷至 影线区才开始结晶，都将 得到这种非共晶成分的共 晶组织，亦即伪共晶组织， 图3 - 4 电子束重熔显微组织 置：， 圈3 - 5 伪共最示意图 图中影线区称为伪共晶区。但是 3 2 第三章西膏变逼大学硪士论文 这种只从热力学角度来考虑铝硅共晶生长的情况却不适用， 而必须从共晶生长动力学的角度考虑。 二元共晶相图中的伪共晶区的形状与a 、b 两相的结晶 速度有关。q 、b 相的结晶速度除与本身的长大速度有关 外还与共晶点的位置有关。 如果共晶点的位置靠近a 相区，则a 相的成分与共晶成 分的差别比b 相小通过扩散， 使液相成分达到n 相的成分 要比达到1 3 相的成分更容易 因此。在液相中d 楣的绪 晶速度将大予b 相，如果a 相本身的长大速度也比较快， 则n 相将优先生长。成为共 晶的初生相。这样。即使是 共晶成分的合金也不能全部 得到共晶组织，在相图中， 伪共晶区就应该偏向b 相， 如霭争6 ( & ) jj 舞黉唠赫点靠 近a 相但乜相本身的长大 速度较小。则伪共晶区将大 体与共晶点对称，如图3 - 6 ( b ) ， 作为上述两者的中间状态， 伪共晶区将如图3 - 6 ( c ) 铝 硅共晶是金属与非金属的共 品，铝的熔点远小于硅的熔 点。共晶成分偏靠近于铝的 一方，如图i - 9 。这样铝硅 共晶合金的伪共晶区( 即影 线区) 就偏离共晶成分的对 称位置，形成图3 - 6 ( a ) 所示 的伪共晶区。当铝硅共晶成 j f 圈3 - 6 兰种伪共最区 第三章 西南交避大学确士论文 分的合金冷却到共晶点温度以下进行结晶时，由于浓度起伏 与扩散的关系，低熔点相比高熔点相易于形核，并且生长速 度也快。因此得到低熔点相铝的n 固溶体为初生晶和细小铝 硅共晶的亚共晶组织。另外，从图i - 9 可以看到平衡条件下， 铝的a 固溶体中硅的最大溶解度为1 6 5 。在液态时。铝硅完 全互熔。当电子柬快速熔化凝固条件下，硅在铝中处于过饱 和状态，这也将进一步导致共晶体数量的减少。 总之，电子束快速熔凝处理形成了亚共晶组织，一并且使 晶粒得到细化，成分得到均匀化，从而使电子柬重熔层实现 固溶强化和弥散强化。 3 3 铝硅合金电子束合金化的组织特征及强化机理分析 3 3 1 铝硅合金电子束合金化元素分布规律 合金元素分布研究的试样见表3 - 7 。 表3 7 。 试样合金化 、 ，处理参数 1 8 #由0 8o c r 2 5 n i 2 0 + 巾0 9 c u l l - - - - 3 3 i1 2 = 3 1 3 2 0 #由i 01 c r l 8 n i 9 + 套0 9 c ull = 3 3 3 1 2 = 3 1 4 3 3 i i1 8 # 样合金元素分布 在1 8 # 样电子束合金化层中心线用扫描电镜扫描0 2 0 1 2 m 秆区域进行成分分析，所测得的合金元素含量见附录 d 。扫描零点已去掉熔池高出部分，每隔0 5 m m 取一点，整个 处理深度为1 1 8 5 ，各种元素分布情况见图3 - 7 。铬元素测量 值几乎为0 ，在图中未画出。铁、镍两元素在中心线上分布很 均，而铜元素在0 5 m m 和5 5 m m 两处产生了急剧下降，在根部 1 1 8 5 m m 处达到母材含量母材中硅的含量受合金元素影响有 所下降。一般维持在1 0 左右。在垂直于中心线方向。合金 元素分布在同一垂直线上还是较均匀的，如图3 8 是距表面 2 5 m m 内的形貌及铜元素面分布。由( b ) 分析，在距表面0 5 i m m p q 面分布亮度较高说明含铜量较高。i m m 以内亮度较 均匀，并且在整个熔化处理区域亮度明显亮于铝硅基体( 基 1 0 0 图3 71 8 # 样改性层中心线合金元素分布 一_ 一 ， 体中仅有零星的亮点) 多了。 无论从中心线 其宏观尺寸都较大 跳变例外) 。但是 出非均匀性了。图 ，说明所加入的合金元素量比基体大 打点测成分分布还是低倍铜元素面分布， ，所以元素分布表面看来是均匀的( 局部 当在高倍下观察组织时，元素分布就体现 3 9 是1 甜样电子柬合金化区，组织与元素 第三章 西南交通大学硕士论文 面分布分割图。左边为五百倍组织图，右边为二千倍。从硅 和铜的面分布看，：，局部存在富集，而镍由于含量较低面分布 不很清楚，难以说明分布情况。关于电子束合金化后形成一 些新相，及合金元素局部富集将在后文谈到，在此需补充说 明的是，电子束处理后的成分相对母材是均匀化了。 图3 - 81 8 # 样形貌及c u 的分布 3 3 1 2 2 0 # 样合金元素分布 2 0 # 样在电子柬合金化区域中心线进行了电镜线扫描分 析。图3 1 0 是铁元素线扫描分布曲线，它是贯穿合金化整个 区域的一条连续曲线，可以看出铁元素通过电子柬合金化后 的变化规律。图3 1 1 、3 1 2 、3 - 1 3 是铜、铬、镍元素沿中心 线分布曲线，与图3 1 0 不同的是由于合金化区域尾部元素变 化平缓。没有将照片照全，从图中看出，在合金化区域表层 i m m 内，铁、铜、铬都有一个峰值，深层变化渐渐平缓，一般 在熔深超过6 一t m m 。合金元素变化就不明显了，由于加入合 金为中0 9 铜丝、m1 o c r l 8 n i 9 不锈钢丝，其中铜、铁加入 量较多，在合金化区域变化也就显著，铬、镍含量少，特别 是镍量的加入不足以影响基体i 0 左右的含镍量，其变化就 不明显了。 垂直于中心线的分布规律也采用电镜线扫描分布，上层 第三章躐赢交通大学颁沦文 图3 - 918 组轵与惩索面分布 第三章西南交通大学硕士论文 船尔辗皿嚣艉恨腰on：-c匝 悟太据职豁龋旧摧。n。ln匝 第三章西南交通大学硕士沦交 图3 - 1 22 0 # 铬元索线扫描分布 图3 1 32 0 # 镍元素线扫描分布 圈3 1 42 0 # 铁元素线扫描分布 第三章 堕幽奎耋堕主堡茎一 怡求辖珥螂髓唳锶答nn匝 悟求提取；蓐粕岷骚*。hn匦 第三章 西南交通大学硕士沦文 图一3 172 0 # 镍元素线扫描分布 图3 一t 82 0 # 硅元素线扫描分布 同3 1 92 0 l 硅元素的面分布 第三章 西南交通大学硕士论文 位置在离表层0 7 o 8 m m 。中层分布铜元素约在铀m 左右深。 其他元素分布约7 m m 深，下层分布只照了铜分布，由于变化不 大，其他元素略去。见图3 1 4 、3 - 1 5 、3 - 1 6 、3 - 1 7 、3 - 1 8 与 中心线分布规律相似，铜、铁出现了较多的峰值。在熔合线 附近衰减后进入母材中曲线平直，而铬、镍仅出现稍高出平 均值的低峰，硅的变化正好相反，由于合金元素的加入，硅 的含量已低于基体平均值。；2 0 t t 面分布规律与1 8 # 类似，由于 组织相结构的成分差异，不同元素分布存在不均匀性，但由 于面分布照片采集效果不好，铜、铁、铬、镍面分布照片都 省略了，图3 一1 9 是硅元素的面分布。 3 3 1 3 合金化区域与母材元素分布对比 图3 - 2 0 是熔合线附近母材与电子柬合金化区域硅元素面 分布和形貌分割图。基体母材中初品硅，在面分布中出现自 亮集中区域，而c i 相区含硅量较少，而成为黑暗区。电子束 合金化区域由于电子束的快速熔凝作用，硅元素明显分散细 化，形成了亮度较均匀的面分布图像，与图3 - 4 ( a ) 对照。这 种分布与组织细化对应的，说明电子柬熔凝对铝硅合金的精 炼作用。 图3 2 0 熔合线附近形貌与硅元素的面分布 荫摩交瀑大学颈士论文 3 3 2 铝硅合金电予束合金化的组织特征及强化机理分析 电子束合金纯对材辩的影响因素较多，如加入合金元素 种类、数量、工艺参数等，袭诧仅就已试验的1 8 # 、2 0 # 样的 馕况佟对比分聿嚣。按奄子束合金化熔池横截瑟瑟积、船入会 金的截垂积计算，1 8 葵加入l o 、2 0 # 热入1 5 左右的合金含 量。在试验过穆中发现加入会金元囊含量超过2 0 ，如采用 巾1 6 c r l 8 n i 9 和由；。6 c r 2 5 n i 2 2 m 0 2 的焊丝，几乎都形成裂纹， 改性层性能非常脆，没有进一步做性能及组织特征试验。 1 8 # 、2 0 # 试样合金元素含量比重不大，其显微组织主体 应保持z u 0 9 窀予柬重络 结构鲡匿3 7 2 1 。1 8 # 基本 保持了重熔状态( 耋熔 组织鳃照3 - 4 b ) ，铝基 q 鳗溶体被共晶体包围， 但由于合金元素的加入， 在n 固溶体中可见到小 黑点，而分割q 固溶体 的共晶体面积也有所增 魏，惑之显檄结构体现 了泛共晶组织特徭，2 0 # 亚共晶组织被一耪更黑 色的网状组织分割戏块 状，在块内与重熔组织 类似，但由予网状组织 的形成。其性能发生了 较丈的变化。 为了对2 0 群试样网 状组织有软深的认识， 在扫攒电镜下对几个特 征区域进行了元素分析， 取点位置见圈3 - 2 2 ，元 素含量见表3 - 8 。a 点对闰3 。2 1 电子束合龛化鳓瞰组织 a b c d 应于金相照片中花状黑区，b 点对应于黑线，c 、d 两点对 应于亚共晶析出区，可以看出铜元素在四个区中含量差别最 小，而铬、铁、镍在不同相中成份差别较大，对于a 区是铁 铬富集区，形成的相将体现出较高的硬度和脆性，网状骨骼 是硅的偏聚区。 ，透射电子束显微镜的衍射 。 分析确定了电子束舍金化后存 在的相结构，a l n i 3 、a i 3 n i 、 一：。c u a l 25 、a t t 3 c r 4 s i 4 、一 a 1 7 c u 2 f e 、f e ( a 1 c r ) 2 、( a 1 、f e 、 s i ) 等许多强化相如图3 2 3 是 a l n i 3 、a 1 3 n i 的衍射花样。 铝硅合金电子束合金化过 程是一个受到熔池冶金热力学 和热物理学的约束的冶金过 圈3 - 2 22 0 # 局部元素含量分析 程，从热力学角度分析，为了 使合金化元素对铝基体能产生强化作用，加入的合金元素必 须与基体合金满足液态互熔、固态有限互熔或完全不熔的热 力学条件，这样才能在屯子束作用后的快速熔化和凝固条件 下达到固溶强化，弥散强化或第二相强化等效果。从热物理 学角度分析，必须尽可能的减小引入合金元素与基体之间的 熔点和蒸气压的区别，同时还需要兼顾合金的热扩散程度。 主要是在快速熔凝细化晶粒，固溶强化和弥散强化的基础是 增加部分新生相的强化作用。 吣啪 1 9 l l 6 o 8 l 3 3 2 4 0 9 4 6 2 o 0 l& 名4 1 1 0 2 8 3 l 4 5 o o o 6 o 2 殳9 7 2 l 5 9 3 3 9 2 1 7 5 6 7 7 8 蔓三童里哩塑垒篓茎堂堡燮 基于目前表面合 金化已研究过的二元 素的互熔情况 2 4 ， a l 、f e 、s i 、c r 、n i 、 c u 等元素在液态下 一般都互熔，根据热 力学的固态有限互熔 的条件，这几种金属 的沸点都在2 5 0 0 3 0 0 0 之间，热物理 学性能相差也较小， 具有较好的合金化试 ? 验基础，从试验所选 择的合金化条件，合 金化磊素食量窭1 0 1 5 ，在快速熔 凝过程中，晶粒得到 细化，同时，部分新 生相的增加对固溶强 鸶繁蹇警强化起到了 图j - z j 透射电镜衍射花样 强化作用。 幽 忍刖“ 本章小结： 铝硅合金电子柬重熔与合金化处理，提高了材料表面的 硬度、剪切强度、抗压强度及抗疲劳强度，改性层与基体属 于冶金结合，优于高镍铸铁与铝硅之间的结合。电子柬快速 凝固使共晶成份的合金形成了亚共晶组织伪共晶，并且由于 晶粒得到细化及均匀化实现了固溶强度和弥散强化，而合金 化在保留快速熔凝的特点下，还有第二相质点的强化，但是 合金元素的增多可能使改性层综合性能下降。 ，。；：i 蔓婴童 酉查銮望盎皇夔望窒 第四章油润滑条件下滑动摩擦试验结果与分析 4 1 试验负荷与磨损量的关系 磨损试验结果参见附录a 。图4 1 是试验负荷与运转五千 圈的磨损量关系图。初始负荷l o o k g 的磨损量，1 。和2 。样大于 l l o k g 负荷磨损量3 。样远大于l l o k g 负荷磨损量。这是由于 初期磨合的缘故，而3 。样更是由于表面未经磨床磨削，光洁 度不够而使磨损量很大。 脚i f o 1 2 0i ，d j 舶脚廊，膨 脚膨 肋 图4 - 1 摩擦量i f i 千圈一负荷关系曲线 1 。和2 。样在磨合期后至负荷小于1 7 5 k g 这段范围。磨损量 维持在1 0 1 9 数量级，摩擦系数都小于0 0 2 ，当负荷为1 7 5 k g 及 以上时，磨损量迅速上升至1 0 。2 9 数量级，摩擦系数处于0 1 4 左右。3 。样是电子束重熔样，在磨合期后至2 0 0 k g 负荷磨损量 一直处于1 0 1 9 数量级，摩擦系数处于0 0 1 水平以下，磨损量 非常微小。而高镍铸铁试样仅仅在l o o k g 负荷下，摩擦系数就 塑璺童目瞪窑堡盔堂塑兰望塞 急剧上升至0 1 7 左右，发生剧烈磨损，磨损量为0 4 4 9 五千 圈，与电子束改性材料在相同条件下几乎相差三、四个数量 级。 由此可看出，在本试验常温，机油润滑等条件相同的情 况下，( 当负荷加至1 7 5 k g 及以上时，l 。、2 。试样磨损发热量增 加，温度急剧上升，可看见冒烟，手感发烫，但由于条件限 制，没有测量温度) 。电予束重熔和合金化改性层的耐磨损 性能远远优于高镍铸铁。而耐磨损规律体现在一定负荷下发 生突变性磨损，在此提出临界磨损负荷来描绘( 具体概念将 在下节提出并讨论) 。 文献 2 3 在进行z u 0 9 复合材料耐磨损试验时提出：“在 试验加载范围内，磨损量近似的随载荷的增加而线性增加” 的结论，图4 - 2 是复合材料油润滑条件下摩擦磨损体积一载荷 的关系曲线。这一结论与本人的研究结果存在本质差别。 图4 。2z l l 0 9 a i ：0 。复合材料油润滑磨损量一负荷关系曲线 4 2 试验负荷与摩擦力矩的关系，临界磨损负荷概念 摩擦力矩是摩擦力与力臂的乘积，当试验过程中磨损量 4 8 第四童西南交通大学硕士论文 较小，对摩擦轮半径影响很小时，力臂可看成是固定值， 1 “、2 。和3 4 试样的试验之后的直径几乎没有变化，只有4 。铸铁 样直径发生了变化，为巾4 4 0 ，所以对于电子束改性处理试 样摩擦力矩可认为与摩擦力等效。传统摩擦理论认为：摩擦 力f 与两接触体之间的法向负荷p 成正比，最 j f = l p 。但这一理 论并未明确法向负荷p 作用情况。在此次试验中体现的结论与 这一理论存在许多差别，下面分几种情况分析讨论并提出临 界磨损负荷概念。 4 2 1 负荷为连续加载，连续卸载的情况 所谓连续加载、连续卸载是指负荷变化时摩擦轮运转圈 数很少，如几十圈甚至二、三百圈以内，为说明这一问题提 出加载或卸载速率概念，在单位时间( 或单位摩擦距离) 内，负载的增量值，称为加载或卸载速率。表4 - 1 是1 4 试样 1 7 5 k g 负荷运转1 5 ) 圈之后卸载测量第一组值，第二组是测 定质量后加载至1 8 5 k g 时开始运转时值，雨三至六组是连续四 次加卸载负荷试验测量值，摩擦系数u 基本稳定在0 1 4 左右。 附录b 是2 。样在不同条件下连续加卸负荷的摩擦力矩实际测量 值。 从试验观察，连续加载、连续卸载，只要摩擦负荷表面 状态条件相同，摩擦系数是较稳定的，基本符合传统摩擦理 论f = l i p ( 或t = aup ) 。 4 2 2 负荷为缓慢加载的情况 表4 2 是3 4 样加载记录，除了在1 6 0 k g 负荷加载停留时间 很短( 1 0 s 左右) ，其余都经过2 3 分钟时间后加至2 0 0 k g 负 荷，摩擦力矩基本维持在3 o 4 0 。从摩擦系数角度看，有 减小趋势。再参考附录a 中1 。和2 。试样，负载小于1 7 5 k g 时，稳 定摩擦力矩，基本维持在3 6 k g c m 之间，而负载达到1 7 5 k g 及 以上时摩擦力矩突变，即摩擦力突变，摩擦系数突变，摩擦 磨损笈生突变，这一突变的负荷就是临乔磨损负荷。 小于临界磨损负荷的缓慢加载( 即加载速率较小时) ， 由于摩擦力矩基本不变，摩擦副的法向负荷与摩擦力不成正 比关系，即摩擦系数不为恒量。 蔓婴笺酉查窒塑塞兰塑主堡皇 表4 - 1 载荷 负荷k g 组别3 05 07 51 0 01 2 51 5 01 7 51 8 51 9 52 0 0 方式 摩擦力矩k g 1 卸载 1 52 02 63 24 05 05 5 2加载1 01 72 53 64 55 25 86 5 3 加载1 l1 92 73 54 25 0 5 86 0 6 56 7 4 卸载 1 11 82 63 54 25 25 86 06 46 5 5加载1 11 72 53 24 25 5 6 0 6 46 7 6 卸载1 11 82 5 3 34 25 0 5 0 6 2 6 56 5 平均 1 1 51 8 22 5 73 3 84 2 25 0 7 5 5 86 1 46 4 56 6 1 6 2 2 1 5 4 0 1 4 4 9 1 4 3 0 ：1 4 2 8 1 4 3 0 1 3 4 91 4 0 31 3 9 91 3 9 6 表4 2 负荷k g1 3 0 k g 1 5 01 6 01 7 51 8 51 9 01 9 5 2 0 0 运转圈数1 8 千2 2 千约5 0 圈2 千2 千l 千1 千 2 7 摩擦力矩 3 04 0 3 0 3 0 4 04 0 4 o4 04 03 5 4 0 4 2 3 临界磨损负荷p 。 材料在润滑摩擦过程，存在着这样一个法向负荷p 。，当实 际负荷p p l 时，摩擦力或摩擦力矩在稳定磨损中处于较恒定 的值：当实际负荷p p l 时，摩擦面急剧破坏，磨损量增加， 摩擦系数增大，引起摩擦力矩急剧增加，这一法向负荷p l 称 为临界磨损负荷。 本试验中1 4 和2 。试样，负荷小于1 7 5 k g 前，经过一定时间 的摩擦运转，摩擦力矩基本趋于稳定，相当于在某一负荷下 进行了磨合抛光，增加的负荷有利于摩擦丽光洁度的提高， 这是由于摩擦力不变，负荷增加而使摩擦系数减小；而负荷 等于或大于1 7 5 k g ，摩擦副接触面性质发生变化，表面光洁度 在摩擦力作用下发生破坏，摩擦系数增大，从而引起磨损量 加大。试样3 4 样摩擦力矩一直较稳定，直至加到最大负荷也 无多大变化，磨损量在1 0 1 9 量级，根据1 。和2 。试样规律推出其 临界磨损负荷p 。大于2 0 0 k g ( 这一点留待以后试验验证) 。4 。 试样在加负荷过程摩擦力矩的变化情况如表4 - 3 。急剧磨损在 l o o k g 负荷时出现。 整婴塞 ：耍塑至望盔芏塑主鲨塞 从这四组不同试样的摩擦结果观察到这样一个现象，在 油润滑磨损过程中，存在一个临界磨损负荷p 。，p l 是摩擦副 表4 - 3 材料摩擦表面发生磨损切削反应的临界条件。当法向负荷小 于p 。时，摩擦副表面接触相当于精磨加工。使摩擦表面保持 光洁度或使光洁度进一步提高；当法向负荷不小于p 。时。摩 擦副表面接触面发生磨损切削反应，使表面光洁度急剧下 降，摩擦系数增加，磨损量加大。假如试验能证明在大于p 。 中摩擦力矩基本趋于稳定值( 试验有此趋势，但由于试验负 荷最大为2 0 0 k g ，无法继续作下去) ，可以假想外推存在第二 组临界磨损负荷p 【i i ，当法向负荷大于p 。1 1 时，磨损规律将有 别于小于p 。i i 的规律，这有待于以后进一步研究。 第p q 章 西南交通大学硕士论文 磨损是非常复杂、系统性能很强的动态过程，它牵涉到 摩擦系数中摩擦副的