（材料加工工程专业论文）高强铜钢双金属复合导板的成形工艺研究.pdf

武汉科技大学硕士学文论文 第1 页 摘要 目前，国内外汽车模具行业中的大、中型冲压模具导向零件都采用铜合金、粉末烧结 铜钢双金属来制作导向板。但是，随着高精密模具对导板性能要求的提高，现有的导板 材料和成形方法已不能满足生产需求。因此本课题开发了高强铜合金，通过采用液一固相 成型工艺制备高强铜钢双金属复合导板，不仅可以通过提高导板的综合性能延长其使用 寿命，而且可以减少贵重金属的使用从而降低生产成本。 通过成分优化设计，开发了高强铜合金，并对高强铜合金进行力学性能、摩擦磨损性 能测试。铜合金成分为c u z n 2 3 a 1 5 5 f e 4 m n 4 5 ，具有良好的综合性能，铸态下抗拉强 度7 5 0 9 0 0 m p a ，硬度2 5 0 3 2 0 h b ，延伸率1 5 2 0 ，采用t 1 0 钢与高强铜合金进行干磨 擦时的摩擦系数为0 1 3 0 1 5 。高强铜合金适宜于汽车高端模具导向板的应用。 为了将研发的高强铜合金复合在4 5 钢板上，采用液一固相成型工艺。首先对基体钢板 进行预处理，采用电刷镀铜( 1 0 岫) + 浸涂抗氧化剂和助镀剂+ 热浸渗铜( 浸渗温度 1 1 0 0 1 1 5 0 ，浸渗时间6 0 - 9 0 s ) 综合处理工艺；然后，将高强铜合金熔炼至1 2 5 0 - 1 3 0 0 ， 精炼后浇注在经过预处理的基体钢板( 1 0 0 x 1 0 0 x 2 0 m m ) 上，获得高强铜( 5 r a m 厚) 钢 双金属复合导板。 通过扫描电镜( s e m ) 、能谱仪( e d s ) 和x 射线衍射仪( x r d ) 等对结合界面进行微观 分析，结果表明：高强铜钢双金属的界面结合是通过机械结合、熔合结合和扩散结合共 同实现的；在过渡层复合界面上，原子优先沿金属表面扩散和晶界渗透，晶界是扩散的主 要通道；过渡层界面通过表面润湿铺展和原子扩散导致富f e 和富c u 区形成f e c u 二元 合金相。 关键词：双金属；复合导板；冶金结合 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a e t a tp r e s e n t ，i nt h ed o m e s t i ca n df o r e i g na u t o m o t i v ed i ei n d u s t r y , c o p p e ra l l o ya n d p o w d e r s i n t e r e dc o p p e r s t e e lb i m e t a la r eu s e dt om a k et h eg u i d ep l a t eb yt h el a r g ea n dm e d i u m s i z e d s t a m p i n gd i e - o r i e n t e dp a r t s h o w e v e r , 、) l ，i mt h ei n c r e a s i n gd e m a n d so ft h eh i l 曲p r e c i s i o nd i ef o r g u i d ep l a t em a t e r i a lp r o p e r t i e s ，t h ec u r r e n tg u i d ep l a t em a t e r i a l sa n df o r m i n gm e t h o d sc a nn o t m e e tp r o d u c t i o nn e e d s t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rh a sd e v e l o p e da h i 曲s t r e n g t hc o p p e ra l l o y s ，t h e m g hs t r e n g t hc o p p e r s t e e lb i m e t a lc o m p o s i t eg u i d ep l a t e sw e r ep r o d u c e db yu s i n gl i q u i d s o l i d p h a s ef o r m i n gp r o c e s s ，w h i c hn o to n l yc a ni m p r o v et h ec o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e so ft h eg u i d e p l a t e st oe x t e n dt h e i ru s e f u ll i f e ，b u ta l s oc a nr e d u c et h eu s eo fp r e c i o u sm e t a l s ，a n dt h e r e b y r e d u c et h ep r o d u c t i o nc o s t s t h r o u g ht h ec o m p o s i t i o no p t i m i z a t i o nd e s i g n ，t h eh i 曲s t r e n g t hc o p p e ra l l o yw a s d e v e l o p e d ，a n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，f r i c t i o na n dw e a l p r o p e r t i e sw e r et e s t e d t h e o p t i m u mc o m p o s i t i o n o f c o p p e ra l l o y s w a sc u z n 2 3 一a 1 5 5 一f e 4 一m n 4 5 、析t l l g o o d c o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e s ：t e n s i l es t r e n g t h7 5 0 - 9 0 0 m p a , h a r d n e s s2 5 0 - 3 2 0 h b ，e l o n g a t i o no f 15t 02 0p e r c e n tu n d e rc a s tc o n d i t i o n ，t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to fu s i n gt i os t e e la n dh i 曲 s t r e n g t hc o p p e ra l l o y sf o rd r ) rf r i c t i o nw a s0 1 3t o0 1 5 h i g hs t r e n g t hc o p p e ra l l o yw a ss u i t a b l e f o rt h eg u i d ep l a t ea p p l i c a t i o no ft h eh i 曲- e n da u t o m o t i v ed i e i no r d e rt ot h er e s e a r c h e da n dd e v e l o p e dh i 曲s t r e n g t hc o p p e ra l l o yc o m p o s i t eo n4 5s t e e l p l a t e sb yu s i n gl i q u i d - s o l i dp h a s ef o r m i n gp r o c e s s f i r s t l y , t h eb a s es t e e lp l a t e sw e r ep r e t r e a t e d ， w h i c hu s i n gc o p p e rb r u s hp l a t i n g ( 10 1 x m ) + a n t i o x i d a n t sa n df l u x i n ga g e n td i p p i n gi n f i l t r a t i o n + c o p p e rh e a td i p p i n gi n f i l t r a t i o n ( d i p p i n gi n f i l t r a t i o nt e m p e r a t u r eo f110 0 - 1 15 0 c ，t h ed i p p i n g i n f i l t r a t i o nt i m eo f6 0 - 9 0 s ) c o m p r e h e n s i v et r e a t m e n tp r o c e s s ；a n dt h e nh i 曲s t r e n g t hc o p p e r a l l o yw a sm e l t e dt o1 2 5 0 1 3 0 0 ，a f t e rr e f i n i n gt h ec o p p e ra l l o yw a sp o u r e do nt h ep r e t r e a t e d b a s es t e e lp l a t e ( 1 0 0 x1 0 0 x 2 0 m m ) ，h i g hs t r e n g t hc o p p e r ( s m mt h i c k ) s t e e lb i m e t a lc o m p o s i t e g u i d ep l a t e sw e r eo b t a i n e d i n t e r f a c i a l b o n d i n gm i c r o s t r u c t u r eo ft h ec o m p o s i t eg u i d ep l a t e w e r ea n a l y z e db y s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，e n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o s c o p y ( e d s ) ，x - r a y d i f f r a c t i o n ( x r d ) a n ds oo n ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h en e r f a c i a lb o n d i n go fh i g hs t r e n g t h c o p p e r s t e e lb i m e t a lc a nb ea c h i e v e db yt h em e c h a n i s mo fm e c h a n i c a lc o m b i n a t i o n ，f u s i o n c o m b i n a t i o na n dd i f f u s i o nc o m b i n a t i o n ；a tt h et r a n s i t i o nl a y e ri n t e r f a c e ，a t o m sp r e f e r e n t i a l d i f f u s i o na l o n gt h em e t a ls u r f a c ea n di n t e r g r a n u l a ri n f i l t r a t i o n ，a n dg r a i nb o u n d a r yi st h em a i n d i f f u s i o nc h a n n e l ；t h ei n t e r r a c i a lb o n d i n go c c u r ss u r f a c ew e t s p r e a da n da t o m sd i f f u s i o nw h i c h l e a dt ot h ef o r m a t i o no ff e c ua l l o yb i n a r yp h a s ei nt h ef e - r i c ha n dc u - r i c ha r e a s k e yw o r d s ：b i m e t a l ；c o m p o s i t eg u i d ep l a t e ；m e t a l l u r g i c a lb o n d i n g 武汉科技大学硕士学文论文 第1 页 第一章绪论 1 1 引言 铜是一种古老而又现代的重要有色金属材料，在人类的文明发展历程上，铜及铜合金 的地位是相当重要的。人类所使用的第一种金属工具就是用铜合金制造的，铜及铜合金对 人类文明历史的发展所产生的重大影响是其它任何金属材料都无法比拟的，以至于人类文 明发展史上曾有两个阶段均以它的合金命名：青铜时代和亚青铜时代【l 】。由于铜及铜合金 集多种优异的性能于一体，它不仅具有良好的导热性和导电性，而且拥有较好的耐磨性能 和耐腐蚀性能，同时还有较高的强度和较好的塑性，因此目前仍然作为一种常用的工业金 属材料，被广泛的应用于国防航空、机械制造、建筑、石油、电气、化工、能源、轻工等 领域【2 _ 5 1 。 随着现代工业和科学技术的不断发展，在全世界范围内对铜及铜合金的需求量正在逐 年增加。据相关数据统计，我国在1 9 9 0 年铜及铜合金的使用量不足百万吨，在连续几年 内以年均递增率1 1 4 的速率快速上升，到2 0 0 4 年已经增加到3 3 0 4 万吨，到2 0 0 5 年又 增加到3 7 6 万吨，可见近年来我国对铜及铜合金的需求量越来越大。不仅如此，中国工程 院、国家发改委等部门还对我国未来几年内精铜的需求量做出了分析预测，预计2 0 1 0 年 我国对精铜的需求量为4 0 0 4 5 0 万吨，到2 0 2 0 年需求量将在6 5 0 6 6 0 万吨之间，精铜使 用量的需求趋势如图1 1 所示【l 】。由于铜合金的不断开发和使用，原材料正在不断减少， 价格逐年升高，所以近年来国内外研究人员都非常重视各种新工艺、新设备、新技术的开 发与应用，不断提高材料的物理性能、力学性能等，以适应各种不同应用环境下的新型的 铜合金材料【4 6 j 。 精铜使用量 万吨7 0 0 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 图1 1 精铜需求趋势 f i g 1 - 1t h ed e m a n d 仃e n do fr e f i n e dc o p p e r 2 0 2 0 年份 第2 页 武汉科技大学硕士学位论文 1 2 课题研究目的及意义 目前，国内外的汽车及机械模具行业中，各种大、中型的冲压、挤压模具常常需要用 到模具导向零件，模具导向板就是其中之一，常用模具导向零件如图卜2 所示。它的作用 是保证上模对下模相对运动精确导向，使凸模和凹模在开、合模时保持均匀的间隙，特别 是在需要承受较大侧向冲击力的模具中，模具导板是必不可少的导向零件。 目前国内外的中高端模具导向板都是用铜合金制造，由于导向过程中对导板的冲击磨 损，铜合金导板表面磨损后，其导向、定位精度下降，导致导板的失效，而铜合金导板又 很难修复，这就需要更换导板，失效的导板就成为废铜板，是一个极大的浪费。这样一来 不但零件的生产成本比较高，而且使用周期也比较短，经济效益就达不到理想的要求。 图1 - 2 模具导向零件 f i g 1 - 2d i eg u i d ep a r t s 而模具导向板是模具上关键导向、定位零件，模具导向板在汽车覆盖件模具上的用量 很大，平均每套模具需要铜合金2 0 - - 一3 0 k g 。随着有色金属价格的不断增长，铜合金导板 的生产成本逐渐提高，因此如何降低导板的生产成本成为模具行业研究的一个新课题。所 以我们要考虑的问题主要有三个： 1 、为了通过提高铜合金的综合力学性能、耐磨性等来延长其使用寿命，而且还能满 足当前成形过程中越来越高的精度要求，因此我们有必要研究开发一种特定使用环境下的 高强铜合金。 2 、为了降低模具导板的生产成本，势必要尽可能的减少高强铜合金的使用量。由于 铜合金摩擦系数小，导向时阻力小，使用灵活；而钢的强度比铜合金高，但是价格却比铜 合金要低廉许多。铜与钢的复合能最大限度地发挥出两种材料各自的优势，从而更好地满 足实际使用的工况要求，不仅能够降低模具导向零件的生产成本、提高性价比，而且最终 达到了提高经济效益的目的。因此，本文中将开展对高强铜钢双金属复合导板的成形工 艺进行一系列的研究分析。 3 、为了达到高强铜合金与基体钢板复合的目的，势必要对基体钢板进行前期的预处 理准备。因为在高强铜钢复合过程中，必须要对基体钢板进行预热处理，而高温预热基 体钢板表面极易发生氧化，氧化膜会阻碍接触界面的结合最终导致复合失败。因此，基体 武汉科技大学硕士学文论文 第3 页 钢板的预处理工艺成为制取高强铜钢双金属复合导板的关键。 1 3 铜合金的研究现状 现代科学技术的不断发展牵引着工程材料向着复合化、高性能化、功能化、结构功能 一体化和智能化方向发展，各行业对材料的性能提出了越来越高的要求。近些年来，国内 外一些研究人员和科研工作者都投入了大量的时间和精力对铜及其合金进行了一系列的 研究，最后取得了不少科研成果，其中很多铜合金已被应用于生产实际中的各行各业，为 整个社会创造的应用价值是不可估量的。 目前，国内外现阶段主要是一些高等院校和科研机构在做铜合金材料方面的研究，研 究的主要方向是铍铜【7 ，8 】、复杂黄铜 9 1 、高铝青铜【1 0 , i i 】等。 国外开发研制的c u - 1 4 a 1 f e m n 铜合金材料，该铜合金不仅耐磨性好、硬度高、强 度高，而且能取代传统用于制作拉伸、挤压模具的3 5 c r m o 、c r l 2 m o v 、c r l 5 、t 1 0 a 等 合金钢，可缩短塑料制品挤压生产周期约2 0 t 3 , 1 2 。日本三菱株式会社开发研制的d m c 合金、日本神户制钢所开发研制的k t - 1 合金、日本日立造船株式会社开发研制的h z 合 金c m 1 和c m 2 ，这些铜合金由于强度较高、耐磨性较好、导热导电性好，已被广泛用 于制造连铸结晶器【3 1 3 1 。s a u e r 等【1 4 , 1 5 】开发研制的c u - t i c 强化铜合金，强度硬度高，耐磨 性能好，室温下抗拉强度可达1 1 0 0 m p a ，延伸率为1 0 ，硬度可达3 1 5 h v 。日本日立制 作所开发研制的f a 3 8 1 耐磨铜合金，合金成分为c u 8 a 1 3 f e s i ，该铜合金中的硬化相铁 硅化合物以微细球状粒子弥散分布于铜基体上，使其不仅耐磨性好，而且强度、韧性不降 低，适宜于制造对精度、效率、可靠性要求较高的自动装置和精密零件。国内外开发研制 的c g c m s 、c u 0 5 t i b 2 、c u 1 5 c r - 0 1 s n 、c u - c r - z r - c e 等铜基合金材料都具有较高的抗拉 强度和硬度，耐磨性可以达到纯铜的几倍以上【m 1 9 1 。朱权利等 2 0 】开发研制的高强度耐磨 铝黄铜( k h ) ，该铜合金制造的零件抗拉强度可达5 1 0 m p a ，硬度为h b l 5 0 ，延伸率大于 2 0 ，耐磨性能好，可取代传统的涡轮材料z q a l 9 4 。李元元等【2 1 j 2 开发研制的新型高强 耐磨铝青铜合金( k k ) ，该铜合金制造的零件抗拉强度可达6 3 3m p a ，硬度可达1 6 9 h b ， 屈服强度可达3 7 0 a ，延伸率为1 8 ，可取代日本进口电梯涡轮材料 a l - b c 2 j i s h 5 11 4 7 9 。洛铜集团开发研制的高强耐磨锰黄铜l t h 6 0 ，该合金经固溶时效处 理后的抗拉强度可达4 8 0 - - 6 5 0 m p a ，硬度可达15 0 - 2 0 0 h b ，该合金可用于制造航空液压系 统核心元件轴向柱塞泵摩擦副【2 3 】。成都理工大学和四川莱特新材料有限公司共同开发研 制的复杂铝黄铜l t h a l 6 5 6 4 3 1 ，该铜合金强度高、硬度高、耐磨性好，可取代日本进 口的滑动轴承材料j i s c a c 3 0 4 c ，使用寿命大大延长 2 4 】。兰州理工大学开发研制的新型复 杂铝青铜，在减磨、导热等方面的优良性能有很大提高，其抗拉强度为6 0 0 、一8 0 0 m p a ， 硬度4 0 h r c 以上，使用寿命与原来的3 5 c r m n 钢相比，提高了2 - - 一，3 倍【1 2 2 5 1 。高新张铜和 中铝洛铜等单位共同开发的耐磨铜合金h a l 6 1 4 3 1 已被广泛用于制作汽车同步器齿环， 该耐磨铜合金抗拉强度为6 7 9 - 7 5 5 m p a ，延伸率为4 9 ，硬度为2 1 1 , 2 2 0 h b 1 1 。梁金 生等 2 6 , 2 7 开发研制了一种含a l l 5 5 的新型铜基合金，该合金热处理态的抗拉强度为 第4 页 武汉科技大学硕士学位论文 5 0 0 5 5 0 m p a ，硬度为4 1 4 5 h r c ，用其制作的拉伸成形模具能明显减少零件表面的拉伤、 划痕等缺陷。胡大禄等【2 8 ，2 9 】自主研发的青铜合金y h l ，该铜合金不仅耐磨性好、塑性好， 而且成本低廉，在铸态下的抗拉强度为6 3 0 - - - 6 5 0 m p a ，硬度为1 6 0 - - - 1 8 0 h b ，延伸率为 1 4 , - - 。1 7 。广东华金合金材料实业有限公司开发研制的k k m 系列铜合金，强度高、硬度 高、耐磨性好，已被广泛用于制作各种高质量的不锈钢模具【3 0 1 。山东冶科院开发研制的 耐磨青铜材料y j - z q m n a i ，该铜合金材料已被用于制造各种轧钢设备配件，不仅强度高、 硬度高、耐磨性好，而且使用寿命长，其铸态下的抗拉强度约为7 6 0 - 8 5 6 m p a ，延伸率 为1 6 1 7 ，硬度为1 7 0 , - 2 3 0 h b t 3 1 1 。张金生等【3 2 】开发研制的低隙石墨青铜材料( d s q ) ， 该合金的抗弯强度为3 2 0 , - 4 2 0 m p a ，硬度达6 0 h 1 3 以上，该材料是一种新型的减磨材料， 被广泛用于制作精密车床主轴前轴承、无心磨夹具支点等。 目前，国内外汽车模具行业中的大、中型冲压模具导向零件都采用铜合金、粉末烧结 铜钢双金属来制作导向板。但是，随着汽车行业的不断发展，精密高端模具对材料性能、 制造精度的要求越来越高，现有的导板材料和成形工艺己逐渐不能满足这些较高的生产需 求。 虽然目前国内外研究的铜合金材料种类众多，但应用于模具导向板的铜合金研究确是 很少，而且国内也没有提到用以上铜合金制造模具导板的相关报道。目前行业内的精密高 端铜合金模具导向板的技术要求为：抗拉强度达7 5 0 m p a ，硬度在2 5 0 h b 以上，屈服强度达 4 1 0 m p a ，延伸率达1 2 。对于市面上通常采用的铜合金导板、粉末烧结铜钢双金属复合 导板等，都不能达到这样的高要求、高标准。为了满足这一精密高端模具的导向板的使用 要求，势必要求我们开发研制具有高性能比的新型高强铜合金材料，因此本文中将开展了 对高强铜合金的开发研制。 1 4 双金属复合板的成形方法 在不断开发新材料的同时，人们也在不断地寻求新型材料的制备方法，小型化、自动 化、精密化、省能源、无污染的材料制备方法已逐渐成为人们追求的目标。随着工业的发 展和科学技术的不断进步，现代工业对材料的性能提出了更为严格的要求，单一的合金材 料已经无法满足高精端行业对材料综合性能的要求，同时兼具两种金属材料优点的双金属 复合材料应运而生 3 3 , 3 4 】。双金属复合板是指利用各种不同的连接方法将两种异质金属复合 在一起，从而获得单一金属所不具有的综合性能，异质金属复合板不仅满足了高强度、高 硬度、高耐磨、抗疲劳性等要求，而且大大减少了贵重金属材料的使用，极大降低了零部 件产品的生产成本 3 4 , 3 5 】。近年来，双金属复合板在材料性能组合和工艺优化方面都取得了 较大的进展，已被广泛应用于国防建设、交通、机械、建筑、海洋工程等领域。 从1 9 世纪6 0 年代开始，美国就已经开始着手研究双金属复合板了，直到现在双金属 复合材料的成形工艺方法已经是多种多样【3 6 1 。目前双金属复合材料的成形方法比较多， 根据实现两种金属复合的状态，双金属复合板的成形方法主要有固一固相复合法、液一液相 复合法、液一固相复合法p h 川。 武汉科技大学硕士学文论文 第5 页 1 4 1 固一固相复合法 固一固相复合法是一种比较传统的成形工艺方法，它是将固态的复层材料与固态的基 体材料整齐叠放在一起，通过外界施加压力实现两种固态材料的复合。目前，通过固- 固相 成形复合板的方法主要有：爆炸焊接复合法、轧制复合法、粉末烧结复合法【4 0 l 。 1 4 1 1 爆炸焊接复合法 爆炸焊接复合法的基本原理为：将复板和基板整齐的叠合在一起，利用炸药爆炸产生 的巨大脉冲应力冲击复板，使复板与基板在瞬间发生高速碰撞，待复合金属表面的氧化薄 膜被碰撞点产生的瞬间高压击碎，露出的新鲜洁净金属表面之间形成了直接接触，从而实 现复板与基板的结合。爆炸焊接复合工艺如图卜3 所示。 爆炸焊接是目前被国内外广泛采用的一种大面积金属复合方法，该工艺可以实现两 种、甚至是多种材料性能差异很大的金属焊接复合，几乎不受材料的熔点、热膨胀系数、 厚度、强度等性能参数的限制，而且爆炸焊接过程中作用时间非常短、材料温度变化很快， 不会发生界面反应【4 2 1 。目前，爆炸焊接可以实现3 0 0 多种异质金属的复合，适用范围非常 广泛，可实现爆炸焊接的金属组合如表卜1 所示。 目前，太钢、西北有色金属研究院和四川宜宾等很多生产厂家已采用此法生产出多种 不锈钢双金属复合板。m a l l e s h a mp 等【4 3 】对a a 7 0 7 2 和a a 8 0 9 0 铝合金爆炸焊接的界面性质进 行了研究，z h e n gym m 】对不锈钢和碳钢爆炸焊接的结合区进行了研究分析，w a n gy h 等 【4 5 】对s a 2 6 6 和3 0 4 不锈钢的爆炸结合界面进行了研究，结果都表明：爆炸焊接的复合界面上 没有脆性的金属间化合物生成，也不会出现明显的过渡层，通过爆炸焊接制取的复合板界 面组织分布均匀、界面结合强度较高、整体性能也很稳定。史长根等【4 6 47 】对爆炸焊接的界 面结合机理进行研究，过渡区具有压力焊、熔化焊和扩散焊的特征，界面若熔化过度容易 在过渡区出现“缝隙 和“空洞物”，最终导致在界面上形成不结合区。 由于高强铜钢双金属复合导板的复层铜合金较薄( d ( 锰含量) b ( 铝含量) a ( 锌含量) ，说明铁含量的改变对试验指 标的影响最大，接下来依次为锰含量、铝含量，锌含量的改变对试验指标的影响最小。因 素a 对应的三水平的平均硬度为2 7 7 3 7 、2 9 0 5 9 、2 8 7 1 7 ，其中第二水平对应的硬度最大， 所以因素a 的最优水平为水平2 ；因素b 对应的三水平的平均硬度为2 7 8 1 1 、2 7 5 1 3 、3 0 1 7 3 ， 其中第三水平对应的硬度最大，所以因素b 的最优水平为水平3 ；因素c 对应的三水平的平 均硬度为2 5 5 2 5 、3 0 3 1 5 、2 9 6 6 7 ，其中第二水平对应的硬度最大，所以因素c 的最优水平 为水平2 ；因素d 对应的三水平的平均硬度为3 0 8 4 4 、2 6 8 、2 7 8 6 3 ，其中第一水平对应的硬 度最大，所以因素d 的最优水平为水平1 。通过分析各因素的改变对试验指标的影响，最后 可以确定在最优的试验方案为a 2 8 3 c 2d l ，即合金成分取c u - z n 2 5 a 1 7 5 f e 3 m n 2 5 时，高强 铜合金可以保持较高的硬度值。 表3 7 正交试验方案及结果 t a b 3 - 7t h ep l a na n dr e s u l to fo r t h o g o n a lt e s t 根据正交试验的结果，可以大概预测出高强铜合金的硬度随影响因素变化的大致变化 趋势。各影响因素的变化对参考指标的影响趋势如图3 9 ( a ) 、 ( b ) 、( c ) 、( d ) 所 示，图3 9 ( a ) 上显示在锌百分含量为2 3 一- - 2 7 范围内，随着锌含量的增加高强铜合金的硬 度逐渐增大：图3 9 ( b ) 上显示在铝百分含量约小于6 2 5 时，随着铝含量的增加高强铜合 金的硬度逐渐减小，在铝百分含量约大于6 2 5 时，随着铝含量的增加高强铜合金的硬度逐 渐增大；图3 - 9 ( c ) 上显示在铁百分含量小于3 时，随着铁含量的增加高强铜合金的硬度 逐渐增大，在铁百分含量大于3 时，随着铁含量的增加高强铜合金的硬度逐渐变小；图3 9 ( d ) 上显示在锰百分含量约小于3 7 5 时，随着锰含量的增加高强铜合金的硬度逐渐减小， 在铁百分含量大于约3 7 5 时，随着铁含量的增加高强铜合金的硬度逐渐增大。 2 9 2 2 8 8 2 8 4 1 2 8 0 2 7 6 2 22 32 42 52 62 7 锌含量( ) 2 8 一ahu鹾瞪做 第3 4 页 武汉科技大学硕士学位论文 3 1 0 ，、3 0 0 量 倒2 9 0 瞪 做 媒2 8 0 ，_ 、 量 、_ ， 醚 瞪 做 媒 2 7 0 3 2 5 3 0 0 2 7 5 2 5 0 5 5 566 577 5 8 铝含量( ) 1 52 3 3 0 量3 0 0 趔 瞎 髫2 7 0 2 4 0 2 533 544 5 铁含量( ) 22 533 54 4 55 锰含量( ) 图3 9 合金元素对维氏硬度的影响趋势 f i g 3 9t h ei m p a c tt r e n do fa l l o y i n ge l e m e n t so nt h ev i c k e r sh a r d n e s s 3 6 拉伸试验及结果分析 3 6 1 拉伸试验 拉伸试验是指抗拉试样在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的试验方法，抗拉强度是 指抗拉试样在静拉伸条件下的最大受载能力，它反映了材料抵抗断裂的最大能力。 武汉科技大学硕士学文论文 第3 5 页 试样在拉断过程中最大试验力所对应的应力计算公式如公式3 2 所示： 吒= 鲁 p 2 ， 式中：o b 一抗拉强度或者强度极限( m p a ) ； p 。一试样拉断时所承受的最大力( n ) ； f 。一试样原始截面积( m m 2 ) 。 用s a n s t h 系列的万能材料试验机分别测试各组试样的抗拉强度，每组试样分别测 取三个数据，然后取平均值作为该合金试样的抗拉强度值，拉伸试样如图3 1 0 所示，拉 伸试验结果如表3 - 9 所示。 图3 1 0 拉伸试样 f i g 3 10t e n s i o nt e s ts p e c i m e n 表3 - 9 试样的抗拉强度值( a ) t a b 3 - 9t e n s i l es g e n g t ho f t h es 锄p l e s 7 7 2 3 7 8 1 3 8 4 7 1 8 3 3 1 8 9 1 4 7 7 9 5 8 1 3 3 7 4 2 3 1 0 2 6 9 7 8 2 1 7 8 8 2 8 5 1 3 8 3 1 6 8 9 6 3 7 8 1 2 8 2 6 5 7 4 1 3 1 0 3 1 7 3 6 2 试验结果分析 将抗拉强度作为参考指标的正交实验结果如表3 - 1 0 所示。将t i 、t i 3 的和值以及各 因素的极差r 分别填入正交试验分析表中，结果如表3 一l l 所示。表3 一l l 中显示，4 个因素对 应的极差分别为5 9 3 6 、7 8 4 2 、1 2 2 0 8 、1 1 1 5 6 ，因素的极差排列顺序为c ( 铁含量) d ( 锰含 3 7 7 7 7 3 2 6 8 5 7 9 2 d 9 l 蜘 砉| 螂 踟 吣 m 啪 枷 呲 7 7 8 9 7 7 1 5 1 3 3 2 1 2 2 z 7 3 8 6 5 8 o l 晒 弛 舳 跗 叭 跎 竹 加 第3 6 页武汉科技大学硕士学位论文 量) b ( 铝含量) a ( 锌含量) ，说明铁含量的改变对试验指标的影响最大，接下来依次为锰 含量、铝含量，锌含量的改变对试验指标的影响最小。因素a 对应的三水平的平均抗拉强 度为8 0 9 0 2 、8 3 8 0 8 、8 6 8 3 8 ，其中第三水平对应的抗拉强度最大，所以因素a 的最优水平 为水平3 ；因素b 对应的三水平的平均抗拉强度为8 1 2 5 4 、8 1 2 2 6 、8 9 0 6 8 ，其中第三水平对 应的抗拉强度最大，所以因素b 的最优水平为水平3 ；因素c 对应的三水平的平均抗拉强度 为7 6 7 。2 8 、8 8 9 3 6 、8 5 8 8 5 ，其中第二水平对应的抗拉强度最大，所以因素c 的最优水平为 水平2 ；因素d 对应的三水平的平均抗拉强度为9 0 7 2 7 、7 9 5 7 1 、8 1 2 5 ，其中第一水平对应 的抗拉强度最大，所以因素d 的最优水平为水平1 。通过分析各因素的改变对试验指标的影 响，最后可以确定在最优的试验方案为a 3 8 3 c 2d l ，即合金成分取c u - z n 2 7 a 1 7 5 f c 3 m n 3 5 时，高强铜合金可以保持较高的抗拉强度值。 表3 1 0 正交试验方案与结果表 t a b 3 - 1 0t h ep l a na n dr e s u l to f o r t h o g o n a lt e s t 5 5 6 5 7 5 5 5 6 5 7 5 5 5 6 5 2 5 3 5 4 5 4 5 2 5 3 5 3 5 4 5 7 8 0 6 3 7 9 0 8 7 8 5 5 5 7 8 3 7 9 0 0 9 7 7 7 6 2 7 8 2 0 7 4 4 9 3 9 2 77 5 32 51 0 4 0 。2 表3 11 正交试验分析表 t a b 3 - 11t h ea n a l y s i so fo r t h o g o n a lt e s t t 1 t 2 t 3 k t 1 3 t 2 3 t 3 3 r 优水平 2 4 2 7 0 7 2 4 3 7 6 32 3 0 1 8 32 7 2 1 8 2 5 1 4 2 4 2 4 3 6 7 72 6 6 8 0 7 2 3 8 7 1 4 2 6 0 5 1 32 6 7 2 0 4 2 5 7 6 5 4 3 8 0 9 0 2 8 3 8 0 8 8 6 8 3 8 5 9 3 6 3 3 8 1 2 5 4 8 1 2 2 6 8 9 0 6 8 7 8 4 2 3 3 7 6 7 2 8 8 8 9 3 6 8 5 8 8 5 1 2 2 0 8 2 2 4 3 7 5 3 9 0 7 2 7 7 9 5 7 l 8 1 2 5 1 1 1 5 6 l 2 3 4 3 4 2 4 2 筋 犸 筋 巧 筋 卯 1 2 3 4 5 6 7 8 武汉科技大学硕士学文论文第3 7 页 根据正交试验的结果，各合金元素变化对抗拉强度的影响趋势图如图3 一l lc a ) 、( b ) 、 ( c ) 、( d ) 所示，图3 - 1 1c a ) 上显示在锌百分含量为2 3 2 7 范围内，随着锌含量的 增加高强铜合金的抗拉强度逐渐增大：图3 - 11 ( b ) 上显示在铝百分含量约小于6 2 5 时， 随着铝含量的增加高强铜合金的抗拉强度逐渐减小，在铝百分含量约大于6 2 5 时，随着 铝含量的增加高强铜合金的抗拉强度逐渐增大；图3 一l1 ( c ) 上显示在铁百分含量小于3 时，随着铁含量的增加高强铜合金的抗拉强度逐渐增大，在铁百分含量大于3 时，随着铁 含量的增加高强铜合金的抗拉强度逐渐变小；图3 - 1 1 ( d ) 上显示在锰百分含量约小于3 7 5 时，随着锰含量的增加高强铜合金的抗拉强度逐渐减小，在铁百分含量大于约3 7 5 时， 随着铁含量的增加高强铜合金的抗拉强度逐渐增大。 8 8 0 8 0 0 9 0 0 8 0 0 2 22 32 42 52 62 7 2 8 锌含量( ) 55 5 66 577 58 铝含量( ) 一一鱼v珏营苣轺辖 一时鱼一趔嗫划辖 第3 8 页 武汉科技大学硕士学位论文 1 522 533 5 4 铁含量( 弼) 4 5 22 533 544 55 锰含量( ) 图3 1 1 合金元素对抗拉强度的影响趋势 f i g 3 11t h ei m p a c tt r e n do f a l l o y i n ge l e m e n t so nt h et e n s i l es t r e n g t h 3 7 摩擦磨损试验及结果分析 3 7 1 磨损试验 摩擦是指两个相互接触的物体做相对运动时，其接触面上存在的切向阻抗现象；磨损 是指两个或两个以上的物体的摩擦表面在法向力的作用下发生相对运动，最终在摩擦物体 表面发生形状、尺寸、组织和性能变化的过程【| 7 1 】。摩擦磨损是一种普遍存在的现象，它 存在于各行各业、各个区域、各个场所，在我们日常生活中也到处存在，可以说是处处有 摩擦，处处都存在磨损。磨损总是伴随着摩擦的出现而发生，磨损可以说是摩擦的结果， 摩擦不仅是导致能量损耗的主要因素，同时由它引起的发热和磨损往往是导致机械零件失 效、寿命缩短、精度降低的最主要原因。 在本文中通过选取摩擦系数和磨损质量来综合评定高强铜合金的耐磨性能，根据要测 取的参数来确定摩擦磨损试验方法，试验方法分别为： 0 5 0 5 0 5 0 0 7 5 2 0 7 5 9 8 8 8 8 7 7 一一垂一赵嘿掣辖 巧 佰 嬲 佰 9 9 8 8 8 8 7 一一鱼一赵嗫划冁 武汉科技大学硕士学文论文 第3 9 页 ( 1 ) 2 0 【角接触试验，摩擦系数计算如公式3 3 所示： t仪+ s i n 仪c o s 仪 “= 。 r p 2 s i n 口 式中：r 摩擦系数； 旷上下试样之接触角； 卜摩擦力矩( 牛顿米) ； h 式样所承受垂直负荷( 牛顿) ； i 卜下试样的半径( 米) 。 ( 2 ) 称重法，磨损质量计算如公式3 - 4 所示： 肛一w l 式中：w 试样的磨损量； w o 试样在试验前的重量； w l 一试样在试验后的重量。 ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) 采用m - 2 0 0 0 型磨损试验机进行摩擦磨损性能试验，上试样为线切割加工的碟状高强铜 合金试样，下试样为车床加工的t 1 0 钢环，而且对钢环的外圆和铜合金试样的摩擦表面都 通过磨床磨削到国标要求精度。为了尽可能的模拟模具导板的工作状态，故采用滑动摩擦 干摩擦试验，摩擦磨损试验中设定主轴转速为2 0 0 r m i n 、载荷为2 1 0 n 、摩擦磨损时间为 6 0 m i n ，通过试验测试高强铜合金的摩擦系数和称量试验前后的质量差来综合分析其耐磨 性。摩擦磨损试验结果如表3 1 2 、3 一1 3 所示。 表3 1 2 试样摩擦系数( “) t a b 3 1 2f r i c t i o nc o e f n c i e n to f t h es a m p l e s 0 1 6 9 o 1 6 0 1 4 0 1 4 5 0 2 1 5 0 1 7 6 0 1 4 8 o 1 7 2 0 2 3 7 0 1 6 7 0 1 5 8 0 1 3 6 0 1 4 5 0 2 1 2 0 1 7 2 0 1 5 1 0 1 7 6 0 2 3 6 5 6 4 5 9 8 4 ； 5 6 5 3 4 0 6 5 “ 3 1 1 1 1，、l 1 1 2 、j o o 0 o 0 o 0 ( 0 第4 0 页 武汉科技大学硕士学位论文 3 7 2 试验结果分析 将抗拉强度作为参考指标的正交实验结果如表3 - 1 4 所示。将t i 、t i 3 的和值以及 各因素的极差r 分别填入正交试验分析表中，结果如表3 - 1 5 所示。表3 - 1 5 中显示，4 个 因素对应的极差分别为0 0 3 4 、0 0 2 8 、0 0 1 4 、0 0 5 3 ，因素的极差排列顺序为d ( 锰含量) a ( 锌 含量) b ( 铝含量) c ( 铁含量) ，说明锰含量的改变对试验指标的影响最大，接下来依次为 锌含量、铝含量，铁含量的改变对试验指标的影响最小。因素a 对应的三水平的平均摩擦 系数为0 1 5 4 、0 1 7 6 、o 1 8 8 ，其中第一水平对应的摩擦系数最小，所以因素a 的最优水平 为水平1 ；因素b 对应的三水平的平均摩擦系数为o 1 5 4 、o 1 8 2 、o 1 8 1 ，其中第一水平对 应的摩擦系数最小，所以因素b 的最优水平为水平1 ：因素c 对应的三水平的平均摩擦系 数为o 1 7 2 、o 1 8 0 、o 1 6