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中北大学学位论文 复杂铝黄铜止推轴承件性能研究 摘要 在g l e e b l e - 1 5 0 0 热模拟试验机上，采用高温等温压缩法，研究了i i a l 6 0 - 1 1 铝黄铜在6 5 0 8 0 0 c 温度范围及0 0 1 ，0 1 ，l ，i o k l 应变速率范围内压缩 变形时流变应力的变化规律，利用删z - 5 0 0 型磨损实验机检测了合金在不同摩擦 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、微探针、透射电 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。最后 得到以下研究结果： 结果表明，应变速率和变形温度对合金流变应力的影响很大，流变应力随应 变速率的提高而增大；随着变形温度的升高，消除硬化所需要的时间缩短，合金 变形表现出越来越明显的动态回复现象。 合金主要由基体b 相和少量呈魏氏体形貌的q 相以及弥散分布的m n , s i ，硬 质相组成。合金中，s i 主要以姗1 6 s i ，相的形式存在，且在合金中的5 s i s 相 有杆状和立方体状两种形态。合金铸锭在经过5 1 0 ( 2 、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。合金屈服强度o 。m p a 与铸态合 金相比有一定的改善，延伸率也有了明显的提高。 系统研究了铝黄铜眦l 6 0 卜l 合金干摩擦状态下对磨时的摩擦磨损机理，结 果表明：等温挤压态l i a l 6 0 - 卜1 合金较铸态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。 在以上研究工作的基础上，选择坯料的形状，设计挤压模具，按照成形工艺 参数，进行实验挤压出止推轴承板。挤压结果表明，金属流动均匀，表而质量和 力学性能符合设计要求。 关键词：复杂黄铜，高温变形，流变应力，显微组织，摩擦磨损。 中北大学学位论文 t h es t u d yo r lr s d i a ib e a r i n g c o w ) i e xs l u m i r l u r ib r s s sa ii o yp r o p e r t i e 毫 h 磷i 砒屺i f l o ws t r e s so fh a l 6 0 一1 1a l u m i n u mb r a s sa l l o yi nt h et e m p e r a t u r e r a n g eo f6 5 0 8 0 0 a n ds t r a i nr a t er a n g eo f0 0 1 ，0 1 ，l a n d1 0 s 1w a s s t u d i e db yi s o t h e r m a lc o m p r e s s i o nt e s tw i t hg l e e b l e 一1 5 0 0m a c h i n e u s i n g a n 姗( 一5 0 0t y p et e s t e rm e a s u r e dt h e i rf r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e su n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n s t h em i c r o s t r u c t u r ea n ds u r f a c em i c r o g r a p hw e r e i n v e s t i g a t e db ym e a n so fs e m ，m i c r o p r o b ea n dt e m t h er e s u l t sa r ea s f o l l o w s ： t h er e s u l t ss h o wt h a tf l o ws t r e s si sc o n t r o l l e db ys t r a i nr a t ea n d d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e ，t h ef l o ws t r e s si n c r e a s e sw i t h s t r a i nr a t e i n c r e a s e ，w i t ht h ed e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r er a i s e ，t h et i m er e d u c t i o n w h i c ht h er e l e a s eo fw o r kh a r d e n i n gn e e d s ，t h ea l l o yd i s t o r t i o nd i s p l a y s t h em o r ea n dm o r eo b v i o u sd y n a m i cr e c o v e r yp h e n o m e n o n t h em i c r o s t r u c t u r eo fa l l o ys h o w st h a ti tc o n s i s t so fl i g h t e t c h i n g a r e a so fap 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 g m a t r i xo fbp h a s e a n dr o d s h a p e dm a n g a n e s es i l i c i d ep a r t i c l e sw i t ha h e x a g o n a lc r o s s s e c t i o n t h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fa s c a s t a l l o yw a si m p r o v e db yh o m o g e n i z i n ga t5 1 0 f o r6 h ，a n dt h ee x p e r i m e n t a l a l l o yc a ng e tt h eb e s tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a 1 l o yy i e l ds t r e n g t ha l s o h a sc e r t a i ni m p r o v e m e n tc o m p a r e dt h ec a s tc o n d i t i o na l l o y ，t h ee l o n g a t i o n r a t i oa l s oh a dt h ed i s t i n c te n h a n c e m e n t t h ew e a rm e c h a n i s m so fh a l 6 0 1 1a l u m i n u mb r a s sa ll o yu n d e rd r y f r i c ti 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 f e d ，a sar e s u l t ，u n i f o r m t e m p e r a t u r ee x t r u s i o nc o n d i t i o na l l o yh a v ee x c e | l e n tw e a rr e s i s t i b i l j t y 中北大学学位论文 t h a nc a s tc o n d i t i o n t h em a i nw e a rm e c h a n i s mw a sa d h e r e n c ew e a r ，a n d p l a s t i cd e f o r m i n g ，f a t i g u ef r a c t u r e ，a n da b r a s i v ew e a ra r ea l s of o u n di n t h ea l l o y a tt h eb a s i so fa b o v er e s e a r c h w o r kf o u n d a t i o n 。t h ec h o i c e s e m i f i n i s h e dm a t e r i a l ss h a p e ，t h ed e s i g ne x t r u s i o nm o l d ，a c c o r d i n gt ot h e f o r m e dc r a f tp a r a m e t e r ，c a r r i e so nt h ee x p e r i m e n tt oe x t r u d et h eb e a r i n g d i s k t h ee x t r u s i o nr e s u l ti n d i c a t e dt h a t ，t h em e t a lf l o w i n gi se v e n ，b u t t h et a b l eq u a li t ya n dm e c h a n i c sp e r f o r m a n c ec o n f o r mt ot h ed e s i g n r e q u i r e m e n t k e y w o r d s ： s p e c i a l b r a s s ，h o td e f o r m a t i o n ， f l o w s t r e s s ， m i c r o s t r u c t u r e ，w e a r 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：力毒以日期： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 签 名：盗亚遂 导师签名：墨乏越! 日期：竺9 争帼二! ! e t l i ! ； 氏缸班皿 中北大学学位论文 第一章综述 1 1 引言 近年来，车用柴油机涡轮增压技术发展迅速，涡轮增压柴油机的使用越来越广泛， 但是由于涡轮增压器工作转速高，工作环境恶劣，其可靠性的问题也越来越突出。经调 查，增压器故障中有相当一部分是由于止推轴承失效引起。因此，对增压器止推轴承材 料进行性能分析具有重要意义 1 止推轴承的功能是承受高速旋转的涡轮增压器转子交变的轴向载荷其工作止推轴 承组成两个摩擦副，润滑油经主油道和止推轴承上的油孔在摩擦副的楔形间隙内形成油 膜。在转子运转情况下，由速度效应形成稳定的压力油膜，以承受转子的轴向力 2 。 由于涡轮增压器工作转速高。工作环境恶劣，工况复杂，这就要求轴承的承载能力强， 抗突变甚至短期干摩擦能力强，由于叶轮在高速旋转时产生离心拉伸和高温蠕变，因此 对转子摆动间隙控制非常严格，不但要控制转子与径向轴承的间隙，同时也要严格控制 止推轴承的轴向问隙。另外由于增压器的润滑油起着润滑和冷却的双重作用，润滑油油 温随增压器负载变化范围大，油膜形成和承载能力也不断变化，因此轴承的结构和材料 对油膜的形成、轴承的承载能力起着至关重要的作用。 图1 - 1 是增压器上采用的典型的整体结构止推轴承。从图中可以看出：止推轴承是 属于形状复杂、多台阶的零部件，它对几何尺寸尤其是形位公差尺寸要求严格。由于承 力斜楔的位置、角度以及进油孔的大小是油楔形成的关键要素，因此在加工中必须确保 凸台斜坡的角度，斜油孔位置以及两个止推面的平行度和平面度。 酝摹蕊 图1 - 1 1 中北大学学位论文 选择止推轴承的材料应考虑如下几个方面 3 ： ( 1 ) 具有足够的塑性和韧性，以保证与轴配合良好并能抵抗冲击和振动。 ( 2 ) 具有较低的摩擦系数，以减少轴颈处的磨损。 ( 3 ) 具有良好的磨合能力，使载荷均匀分布。 ( 4 ) 具有良好的耐蚀性和导热性，能抵抗润滑油的腐蚀。 ( 5 ) 容易制造。价格低廉。 因此，止推轴承材料的改进一直是轴承界关注的课题。本文即在大量实验基础上， 分别对铸态和挤压态h a l 6 0 - 卜1 铝黄铜合金的组织和耐磨性进行分析和讨论。 1 i 1 依据 黄铜具有良好的工艺性能、机械性能、耐蚀性能、导电和导热性，黄铜还具有价格 便宜、色泽美丽的优点，是有色金属中应用最广的合金材料之一。h a l 6 0 - 卜1 铝黄铜属 于多元黄铜，为了提高黄铜的耐蚀性能、机械性能或切削加工性能，在二元黄铜中加入 少量锡、铅、锰、铁、镲、铅等元素。h a l 6 0 - 卜1 属于c u a 1 一f e 系铜合金，在黄铜中加 入少量的铝能在合金表面形成坚固的氧化膜，提高合金对气体、溶液，特别是对高速海 水的耐蚀性，并能提高合金的强度和硬度 4 。 铜及其合金被广泛地应用于电器、机械、车辆、船舶工业民用器具等方面，是现代 工业、农业、国防和科学技术不可缺少的有色金属。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。随 着军用及民用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。 复杂黄铜做增压器的止推轴承是近年来国际上发展起来的，因此，高强度耐磨黄铜的研 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【5 ，6 j 。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， 2 中北大学学位论文 因此目前生产的多数产品的性能达不到国外产品的水平。 1 2 高强耐磨黄铜 1 2 1 二元黄铜 以锌作为主要合金元素的铜合金，通常称为黄铜。单纯的铜锌二元合金称普通黄铜 ( 或二元黄铜) 。c u z n 二元相图如图l - 2 6 。由相图可知，铜锌合金有5 个包晶转变， 一个共析转交和一个在4 5 4 c 一4 6 8 c 的1 3 ( 无序固溶体) 一b ( 有序固溶体) 转变组成。 固态下分别有一定成份范围的a 、b 、y 、6 、t l 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d 、b 两个相，有时也可能出现y 相，下面 讨论各相的特征 7 。 麓 - _ 蚤 溅 l l1 蕊! “ 3 2 刁? ! ， r z 7。戈_ ” | ；l l ；l f 蠡；0 | j 。0 m l i d 艺 弋：妄 ”飞t 1l i 。一， 爿。f i 6 。+ t lnf | 11ll ， 图1 - 2 c u z n 二元相图 。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。其晶格常数随含锌量的增大而增大，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 c 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。 b 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 分子 式的组成比计算，6 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 3 中北大学学位论文 锌，使b 相的成分在一定范围内变动，亦即8 相在状态图上为一区域。8 相在4 5 4 - 4 6 8 以下转变为有序相b ( 铜原子占据晶胞项角，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，合金塑性降低，冷n i 较困难。 高温的无序固溶体b 相，塑性较好，故对含6 。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 函1 。为基的固溶体，具有复杂立方品格，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y 相。 e 相和6 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一 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 8 。在普通黄铜中适量加入一些固溶元素，例如a l ，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 耐磨性；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、耐蚀性的合金。 高强度耐磨黄铜即为含铝、硅、铁、锰和钛等合金添加元素的a + 9 或b 黄铜。这 种材料之所以具有优良的综合力学性能和耐磨损性能，是因为材料中的，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a + p ) 基体上，形成了理想的软基体+ 硬质点的耐磨组织 9 。正确地选用合金 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。 1 2 3 锌当量 4 中北大学学位论文 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 - g 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于铜中以外，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 1 一l 为各合金元素“锌当量系数”的数值。 表1 - 1 合金元素的锌当量系数 i 合金元素 s ia 1s np bp em nn i l lz n 当量系数 + 1 0+ 6+ 2+ 1+ 0 9+ o 5一1 3 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 相图来 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 。兰弩兰! 。1 0 0 ( 1 - 1 ) x 。万聂茜灯慨 上式中a 特殊黄铜中的含锌量b 特殊黄铜中的含铜量 c 9 特殊黄铜中各元素加入量f i 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+ 8 或8 相黄铜，组织中n 和母的大致比例，进而判断它们的 机械性能特点；反之，也可以根据已定的组织来确定基本组元的含量或合金元索的加入 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x ， 公式如下： 如蒜蛆嗍 2 ， 5 中北大学学位论文 上式中a 特殊黄铜中的含锌量b 特殊黄铜中的含铜量 d 特殊黄铜中的主加元素的含量c 9 6 特殊黄铜中其它各元素加入量 i i 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a 和1 3 两相。加入合 金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置移动了，改 变了组织中a 和b 两相的组成比例；运用三元相图来确定组织更准确一些 1 0 1 3 。 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 铜及铜合金由于其优异的物理和力学性能被广泛应用于电子、机械、国防等诸多领 域，对国民经济和科技发展起着重要的作用。迄今为止，世界上已开发并定型生产的铜 合金有5 0 0 余种 1 4 。铜合金中常加入的合金元素有；z n 、s n 、a l 、n i 、s i 、b e 、t i 、 f e 、z r 、c r 、m g 、s 、p b 、c d 、m n 、b 、p 等。随着科学技术和现代工业的迅猛发展，对 铜合金的性能提出了更高的要求。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，可将其中的合金元素归纳成以 下四类 1 5 ： ( 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 9 6 和2 5 3 2 范围内； ( 2 ) a i 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 1 3 两相的体积 百分数，a l 是高强耐磨黄铜中的重要合金元素。图1 - 3 是铜一锌一铝系在8 0 0 c ，6 0 0 ，4 0 0 c ，2 0 c 的等温截面。由这些相图可知；铝显著缩小q 相区。铝的锌当量系数 商形成8 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y 相，对合金的性能有害。相反，若添加量不足0 1 ，也不会出现强韧效果。 6 中北大学学位论文 王。蛞 l 。筘 ( a ) 2 0 等温截面( b ) 4 0 0 c 的等温截面 触并 ( c ) 6 0 0 c 的等温截面( d ) 8 0 0 c 的等温截面 图1 - 3 ( 3 ) m n 、n 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1 - 2 种，其作用是形成硅化物或其它高显微硬度的颗粒相。 ( 4 ) p b 、s 、z n 、s e 等元素主要用于提高铜的切削性能，m g 、f e 、a 1 、n i 可以提高合 金的耐腐蚀性能 1 6 。 a l 是高强耐磨黄铜中的重要合金元素。a 1 对黄铜的机械性能和抗腐蚀性均起有利 作用，它提高黄铜的强度、硬度和屈服极限，但降低塑性，因此压力加工用的特殊黄铜 7 中北大学学位论文 中铝含量一般小于4 ，铸造特殊黄铜中铝含量不不超过7 。含铝特殊黄铜由于表面能 形成致密的a l 舡保护膜，能改善黄铜的抗蚀性。此外，铝缩小铜一锌合金的包晶反应温 度间隔，而显著改善黄铜的铸造性能。但含铝特殊黄铜焊接比较困难，而且铝易形成氧 化膜，也给压力加工带来困难 1 7 。 f e 在a 相中的最大溶解度为1 o ，且溶解度随含锌量的增加而减小。由于铁的溶 解度随温度而变化，因而能造成黄铜具有析出硬化效果。含铁化合物的促使晶粒细化， 提高黄铜的机械性能和改善黄铜的减磨性能。但含铁化合物f e z n 。的析出对黄铜的抗蚀 性不利，为消除铁的这种有害作用，铁经常与锰配合使用，以改善抗蚀性 1 8 】。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 ，析出物就成粗大化凝聚：若 添加量低于0 0 5 则得不到上述的效果。 s n 能促使黄铜析出y 相，所以特殊黄铜的锡含量一般控制在1 5 以下。黄铜中加 入1 锡能显著改善黄铜的抗海水和海洋大气的腐蚀，并能改善黄铜的被切削加工性。 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 1 2 0 9 6 时为最佳范围，过量会使韧性降低，低于0 1 时没有起到提高切削性的效果 1 9 ，2 0 。 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，尽可能逼真地再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 1 】。 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 8 中北大学学位论文 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 2 2 。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 材料在不同变形条件下的塑性变形行为。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性变形特点和成 形性的指标。用像拉伸、扭转和压缩等方法求得应力一应交关系数据，可用于分析变形 过程材料的塑性变形行为 2 3 。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 磨损是工业领域和日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，而且受到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 2 4 。 1 4 1 磨损分类 目前比较通用的磨损分类方法是以j t b u r w e1 1 和c d s t r a n g 提出的按照磨 损机理的分类方法 2 5 】。即将磨损分为：( a ) 粘着磨损、( b ) 磨粒磨损、( c ) 疲劳磨损、( d ) 9 夸 中北大学学位论文 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。 时“ ( a ) 粘着磨损( b ) 磨粒磨损( c ) 腐蚀磨损( d ) 疲劳磨损 图1 - 4 主要磨损示意图 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荷，承受很大的压应力，以至使很多徼突体发生了塑性 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 1n n l 的接触突点问，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 2 6 】。 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，耐磨性好。金属学原理指出，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。 1 0 中北大学学位论文 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捧六方点阵，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 2 7 。 1 5 本论文的研究意义及研究内容 1 5 1 意义 挤压铸造技术发明了6 5 年，它所具有强大的技术优势，已为机械制造工艺行业所 重视。可惜受传统思维方式和装备研制滞后的制约，挤压铸造的优势仍未得以最充分的 展现。现时挤压铸造工艺基本以开式浇铸立式挤压方式进行，与工效最高的卧式冷室压 铸工艺未能实现兼容。近年发展起来的立式闭模充型挤压铸造，与4 0 年前发明的精、 速、密8 压铸原理一样，都是以压射机构进行补缩，其公称压力有限，并未达到挤压铸 造的补缩比压要求，严格来说，还不能算作真正意义上的挤压铸造。与压铸技术相比， 现有挤压铸造设备工效不高，零件成形尺寸精度低，成本相对较高。由于设备的自动化 程度低，对工入的技能要求较高，操作难度较大，劳动强度高。同样的零件，挤压铸造 工艺的车间成本约为压铸工艺的2 3 倍 2 8 1 。加上压射系统不完善，结构复杂的零件 难以生产出来，限制了挤压铸造工艺的广泛应用。 目前世界各国正大力开展温挤压成形工艺的从基础到应用的广泛深入的研究。到目 前为止，国内铸造工艺和挤压工艺仍是两个相互独立的工艺过程，大多数高等院校分别 设置两个独立的课程，在材料科学飞速发展的今天，这两个一直沿用到现在的工艺，许 多国家开始将两者相互结合、浸透。日本m i t s u g um o t o m u r a 教授认为，将铸造材料作 为原材料进行挤压的工艺叫铸造挤压工艺。该工艺诞生于1 9 6 5 年，当时生产转向节工 件时，研究人员曾试用此工艺。在此之后，国外就开始了对铸造毛坯代替扎材进行挤压 生产的基础和应用研究，其中特别是前苏联、美国、英国等国家在此项工艺方法的研究 中北大学学位论文 中成果较多，应用较为广泛。如莫斯科里哈乔夫汽车厂从1 9 7 6 年起便开始用铸造挤压 复合成形工艺生产汽车零件，包括曲轴、十字轴、变速箱齿轮、差速器盘等。美国用该 方法生产了铸铁齿轮和多径凸缘，其强度大大超过了普通铸铁件。国内铸造挤压复合成 形技术的研究应用起步较晚。一些院校在8 0 年代开始着手于该技术的基础和应用的研 究，取得了不少有用的成果，已经在工业机械、拖拉机、工程机械、矿山机械等行业得 到部分应用。利用铸造挤压复合成形技术生产的零件有矿用运输机的链轮，采煤机齿轮， 农机行业的护刃器、履带节等。用该技术生产的白口铸铁磨球大大提高了磨球的冲击韧 度，取得了良好的使用效果。近年来，随着汽车轻量化的需求日益扩大，金属合金越来 越多地被用于制造汽车零件。在一些具有较高性能要求和形状复杂的合金零件的成形 中，铸造挤压复合成形技术也逐渐被使用并批量生产。近年来，在一些具有较高性能要 求和形状复杂的铝合金零件的成形中，铸造挤压复合成形技术也逐渐被使用并批量生 产。例如一些有耐油压要求的零件和一些铝合金轮毂的生产，在日本，铸造挤压复合成 形工艺已开始用于铝合金汽车零件和其他铸铁件的生产上，并广泛用于需要强度高和气 密性高的地方【2 9 】。目前在中国也应用在一些轴承件加工工艺上。 目前工程上采用切削生产工艺，生产效率低、材料利用率低、成木高，加之铸造组 织内部偏析疏松等缺陷致使该类零件产成率较低，本课题以止推轴承为例，增大铸造铝 黄铜的塑性，将采用温挤压成型方法，实现精密温挤压生产复杂止推轴承件的目的，是 中北大学精密成型中心承担的新材料项目研究“汽车发动机止推轴承及轴承类材 料”的项目之一。 1 5 2 研究内容 1 拉伸试验；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；热模拟态、 铸态、挤压态合金硬度试验。 2 铸态和挤压态合金的组织分析，观察温度和应变速率对合金组织的影响。 3 系统研究高强耐磨黄铜材料在不同加工和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。 1 2 中北大学学位论文 4 针对轴承工作原理，对铸态和挤压态黄铜合金的耐磨性进行了对磨测试。 1 6 本章小结 本章主要介绍了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金组 织与性能的影响，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，最后介绍 了本研究的研究意义及研究内容。 1 3 中北大学学位论文 第二章力学性能试验 2 1 简介：本章介绍本课题所涉及到的有关实验用的合金材料制备、性能测定、组织分 析方法以及实验结果。实验研究工艺路线如图2 - 1 所示： 2 2 实验合金材料制备 图弘1 实验工艺流程图 试验材料为h a l 6 0 一卜1 铝黄铜棒，由江苏海门鑫茂铜业有限责任公司提供，经查阅 资料 1 7 ，该合金化学成分见表。 1 4 中北大学学位论文 表2 - 1i - l a l 6 0 - 1 1 铝黄铜化学成分 l 成分 c ua 1f eh ns ip b i s nb i i z n i 含量 6 01l0 1 - 0 6o 50 4 0 0 10 0 0 2f 余量 2 ，3 常温拉伸实验 2 3 1 单向静拉伸试验 单向静拉伸试验是工业上应用最广泛的金属力学性能试验方法之一。这种试验方法 的特点是温度、应力状态和加载速率是确定的，并且常用标准的光滑圆柱试样进行试验。 通过拉伸试验可以揭示金属材料在静载荷作用下常见的三种失效形式，即过量弹性变 形、塑性变形相断裂。还可以标定出金属材料的最基本力学性能指标，如屈服强度on ：、 抗拉强度ob 、断后伸长率6 和断面收缩率中 3 0 。国家标准件g b 2 2 8 7 6 所规定的拉伸 试件，其直径妒和试件长度( 标距) 满足l d 妒= t o 或5 。在本试验中，采用妒= 5 唧，1 4 - - 5 # 的比例试件。其尺寸如下； 图2 - 2 拉伸试样图 ( 1 ) 实验仪器：本试验在型号为w d w - e i o o d 微机控制材料电子万能试验机上进行拉伸实 验。 ( 2 ) 实验条件：拉伸实验的速度为3 m m m i n 。 ( 3 ) 拉伸图和应力应变图 1 5 中北大学学位论文 将拉伸试验对作用于试样的载荷p 和相应的伸长变形a l 逐点测出后画在记录纸上， 连接这些点，得到的曲线叫做拉伸图。图2 - - 2 为铜合金的拉伸图，工程上常用裁荷除 以试样的原始横截面面积 o ，用变形除以原始标距l ，则拉伸图中的载荷、变形分别转 换为应力、应变，拉伸图则转换为应力一应变图。因此图2 2 也可以作为铜合金的应力 应变图。由于a 。、k 均为常量，故两图形状相同。拉伸图一般可由试验机自动绘图仪 绘制。对于每一种材料其应力应变图是不同的。由应力应变图可以定义各项力学性 能指标 3 l 。3 2 。 “ o o l o 15 x o 2 o x o 2 孰 o 。3 o x t o 3 舢，o 位移- - 图2 - 3 拉伸图 由上图可以看出，铜合金没有明显的屈服阶段，在拉伸力作用下的变形过程可分为： 弹性变形，不均匀塑性变形两个阶段。 抗拉强度计算：o 。= 吖( 刖1 2 ) = 3 8 4 7 5 x 4 3 1 4 x1 0 0 4 = 4 9 0 ( m p a ) 延伸率计算：6 1 0 ：( l i l o ) l o x1 0 0 = 1 4 7 5 = 1 8 ，7 式中：k 试件初始标距长度 l i 试件两断开断加以对紧后所量得的标距端点间的长度 a o 初始截面积 1 6 o o o o o o o o - t i ， l ， t t t x m j m j 詹 j m j 4 ， 2 2 ， ， nk 力 中北大学学位论文 a i 缩颈处横截面积 在测量l l 时，要注意这样一种情况；即断口在标距中间1 2 范围内，则可以直接测 量两端标距间距离为l i ，如断口不在标距范围的中间1 3 以内，这时，由于在断裂试件 的较短一段上，必将受到试件较租部分的影响，而降低颈缩部分的局部伸长量，从而使 6 的数值偏大，此时直接测量的结果不能正确反映材料的延伸率。因此，需要采用“断 口移中法”推算出标距l i ，具体方法是：设两标点f 、f i 之间共有1 0 格，断口靠近左段， 从邻近断口的第- - n 度起，向右取格1 0 2 = 5 ，记作i ，这就相当于把断口摆在标距中央， 再看i 点到f - 点有多少格，就由i 点向左取相同格数，记作h ，令l7 表示f 至h 的长 度，r 表示h 至i 的长度，则l + l 长度中包含的格数等于标距长度内格数1 0 ，即l + l ”= l ，从而算出l 3 3 ，3 4 。 2 4 合金高温变形热模拟试验 为了预测金属成形的过程，必须首先确定材料在热加工变形条件下的热力参数之间 的数量关系，这些参数记录了材料的变形历史和性质。流动定律或本构方程是描述材料 变形性质的基本信息。它表明了流动应力与应变、流变速率以及温度之间的依赖关系。 一般说来，人们可以采用两种不同的方法来建立热力参数数学模型：一是假设某种变形 机制，建立起与这种机制相对应的应力一应变速率方程。这样的数学模型有着较大的局 限性，仅适用于纯金属和简单合金。对于一般工程合金，由于变形机制非常复杂，而且 具有温度和应变速率敏感性，通常是用实验测量一定的应变速率、温度范围内的流动应 力数据，根据这些数据建立相应的数学模型 3 5 。金属热变形流变应力是材料在高温下 的基本性能之一，无论在制定合理的热加工工艺方面，还是在金属塑性变形理论的研究 方面都是极其重要的，在现代塑性加工力学中，金属的流变应力作为一个基本参数，其 精确的流变应力表达式是提高理论计算精度的关键。金属热变形过程中的流变力学行为 一般用材料的本构方程来描述，即将金属的流变应力表述为各变形参数的函数。流变应 力是表征金属与合金塑性变形性能的一种重要指标，它决定了金属变形时所需施加的载 荷大小和需消耗的能量的多少。流变应力不仅受变形温度、变形量、变形速率和合金化 学成分的影响，也是变形体内部纤维组织演变的综合反映，因此对合金变形时的流变应 1 7 中北大学学位论文 力进行研究有很重要的理论价值和实际意义 3 6 。 2 4 1 试验方法 研究材料高温塑性变形行为采用的实验方法主要有三种，即单轴拉伸、压缩、和扭 转。在许多即重要的金属成形工艺( 包括轧制、挤压、拉拔和锻造等) 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同变形条件下的塑性变形行为。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薪材辩的开发、研制和分类时，建立起 有关材料高温塑性变形特征和成形性的指标e 3 7 。分析实际变形过程的塑性变形行为， 探明材料变形的本质。本章通过采用高温圆柱体压缩实验法进行材料热精锻过程的实验 模拟研究。 按应变类型可分为轴对称压缩和平面应变压缩等，按测温度变化情况可分为等温压 缩和非等温压缩。平面应变压缩适合于模拟板材热轧特别是热精轧和各向同性材料的变 形。但由于存在外端的影响，流变应力值偏高，摩擦与拉伸条件的不确定性和几何软化 现象的出现等使其不太适合热变形本构关系的研究 3 8 1 非等温压缩对于模拟实际锻造 过程最具优势，但温度场的不确定性给实验和数据处理带来误差和难度 轴对称等温压缩常用来模拟挤压和锻造过程，其特点在于可直接在较大应变速率范 围内测定材料在热变形时的真实应力一应变关系。它对应变速率敏感材料和应变速率不 敏感材料均适用。但由于工件和模具之间存在接触摩擦，应变值超过一定值以后，样品 会出现不均匀变形现象，如单鼓和侧翻等，从而改变变形的恒应变速率状态，特别是在 轴向易出现拉应力而可能使样品发生侧裂，破坏成形性的真实性。不过，这一问题可通 过改善润滑条件得到一定改善。如压缩实验开始之前在平锤表面均匀涂上石墨润滑剂， 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。在压缩真应变较高时仍不出 现明显的单鼓，从而保证了模拟及实验数据的精确性 3 9 ，4 0 。 本节主要通过等温压缩实验，讨论眦1 6 0 一卜1 复杂黄铜合金在不同温度、不同应变 速率下的应力一应变关系。 冷却方式：压缩变形后直接水冷。 1 8 中北大学学位论文 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 l 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： 变形温度分别为6 5 0 c ，7 0 0 ，7 5 0 ( 2 ，8 0 0 ； 应变速率分别为0 0 1s 一，0 1s 一，1 0s 一，1 0s 。 变形程度为8 0 9 6 图2 q试样示意图 实验材料选自黄铜合金棒料，见第一章表l 。通过线切割加工成l o 啪x1 5 r 啪( 直径 x 长度) 的圆柱体热模拟压缩试样