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1、学01 1 9 4 1 一B 2 0 0 2学位论文送丝物基晶坌丝鱼自塑揎磨料廑退复金挝料张长军指导教师姓名冯忠绪教授长安大学申请学位级别博士论文提交日期星Q 丝：! 鱼学位授予单位专业名称机械设计及理论论文答辩日期至鲤竺：! 兰：呈长安大学答辩委员会主席垄查垫塾筮评阅人垄查握整筮整耍耋鳗：整互曩耋蕉堕追熬筮型堡苤熬蕉二o o 四年十二月摘要抗磨料磨损颗粒强化金属基复合材料的研发是近年来复合材料发展的一个主要方向。随着现代工业社会的不断进步、发展，人民对抗磨料磨损材料的要求也越来越高。传统的抗磨料磨损材料( 像白口铸铁、高锰钢、高铬铸铁、陶瓷颗粒轻金属基复合材料等) 已不能满足人们因为越来越苛
2、刻的服役条件所提出的要求。而新的抗磨料磨损颗粒强化金属基复合材料的设计是建立在新的颗粒强化相、新的基体材料合理选择基础上的。本学位论文以共晶碳化钨和共晶碳化铬为颗粒强化相材料，以铸造锰自铜为基体材料，在对这些材料的冶金学基础和力学性能的周密分析基础上，用真空热压法制备了颗粒分布均匀的、致密的、体积分数为0 4 5 的共晶碳化钨( 铬) ，锰白铜复合材料，并通过二体磨料磨损实验，比较了新的复合材料与传统的高铬铸铁( 2 8 C r ) 在磨损性能上的差别，并得出如下几点主要结论：一、铸造碳化钨和铸造碳化铬作为颗粒增强金属基复合材料的硬质强化相既有较高的硬度( 显微硬度2 0 0 0 0 3 0
3、0 0 0 M P a ) ，又有合理的强韧性( K I 。：4 5 M P a - i n 0 5 ) ，是理想的复合材料的颗粒强化相。二、用陶瓷压痕断裂力学理论，建立了强化相压痕裂纹尺寸与其断裂韧性的关系，并计算出碳化物共晶体的断裂韧性。解决了本文复合材料磨料磨损模型中重要参数的获取问题。三、锰臼铜合金除了用淬火时效和形变时效两种常见的强化方法外，还可以经过铸态直接时效的方法进行强化( 4 0 0 4 7 0 ，H V 4 0 0 以上) ，而且合金成分范围宽( M n ：2 0 3 5 ) ，在所研究的时间范围内没有过时效现象( 9 6 小时) 。这就进一步扩大了镭白铜的应用领域，使之可
4、以作为抗磨料磨损复合材料的基体材料。四、锰白铜合金的铸态时效机理是：较长时间过程的溶质原子有序化加上晶内M n N i 相的析出( 铸态下时效具有较长的孕育期，在孕育期主要进行溶质原子的有序化，在后期以M n N i 的晶内析出为主，M n N i 相的析出是合金时效强化的主要原因) 。五、提出了一个新的、更精确的复合材料磨损率的预测模型。本模型除了考虑材料的硬度的因素外，还将断裂韧性K I c ，弹性模量E ，强化相与基材的结合强度等因素导入模型中，使新模型更加准确地再现了磨料磨损过程。六、当磨粒压入深度x 1 时，硬质强化相的磨损主要以整体脱落形式为主，当工 D Mt h ew e a r
5、o ft h eh a r dr e i n f o r c e m e n tp a r t i c l e si sm a i n l yi nt h ef o r mo fd e p a r t i n gf r o mt h em a t r i x ，w h i l ex Z避 髫 妊晴S i C 颗粒尺寸( um )s i c 颗粒体积分数图1 - IS i C 颗粒增强A l - 4 5 C u 一1 5 M g 合金基复合材料的磨损率与S i C 颗粒体积分数( a ) 和颗粒尺寸( b ) 的关系曲线以及硬度与S i C 颗粒体积分数( e ) 的关系曲线D 0 lF i g
6、 1 IS p e c i f i cw e a rr a t eV S v o l u m ef r a c t i o no f S i C ( a ) a n da v e r a g ep a r t i c l es i z e ( b ) a n dm i e r o h a r d n e s sV S v o l u m ef r a c t i o no fS i C ( c ) d i s p e r s e di na s - c a s to rh e a t - t r e a t e dA l - 4 5 C u - 1 5 M gm a t r i c e s A
7、 v e r a g eS i Cp a n i c l es i z e = 2 9 1 1 m文献【3 l 】研究了不同载荷和不同尺寸S i C 磨料条件下A 1 2 0 3 颗粒增强2 0 1 4 A l 合金( A I 4 O C u 0 7 S i 0 4 6 M g 一0 2 7 F e - 0 6 2 M n ) 基复合材料的二体磨料磨损性能。复合材料中A 1 2 0 3 增强颗粒的尺寸为7 5 t 5 0 t s m ，体积百分数为1 0 。研究结果表明，复合材料的磨损率随着载荷和磨料尺寸的增大而增大，在磨料尺寸为l O O t t m 、载荷大于l N 时，复合材料的磨损率反
8、而高于基体材料，说明在这种磨损条件下，增强颗粒由于发生剥落，失去了抵抗磨损的作用，反而使磨损加剧。与文献1 3 0 1 类似，文献2 1 的作者研究也发现，通过对试样进行时效处理，可以大幅度减小材料的磨损率，如图1 2 ( b ) 。作者分析认为，时效处理使基体材料得到强化，强度和硬度提高，减小了磨料对基体的切削深度，同时基体对硬质颗粒也可以提供更好的支撑作用，从而很大程度上减小了材料的磨损率。一Hinii卓若 j量 瞬 蜗 懒要薯暑 q 2 将 辑 般载荷，| 1图1 - 2 不同载荷和磨料尺寸( a ) 与热处理( b ) 条件下复合材料的磨损率】F i g 1 2E f f e c to
9、 fa p p l i e dl o a da n da b r a s i v es i z eo nt h ea b r a s i v ew e a rr a t eo ft h em a t r i xa l l o ya n dc o m p o s i t ei na s - c a s te o n d i t i o n ( a ) a n di na s - e a s to rh e a t t r e a t e dc o n d i t i o n ( b ) s l i d i n gd i s t a n c e = 2 5 m由于早期研发的颗粒增强轻金属基复合材料
10、主要应用于航天和汽车部件上，因而其设计原则并不是以提高材料的磨料磨损耐磨性为基础的，虽然其抗磨料磨损能力较基体有一定程度的提高，但由于基体自身耐磨性很差，因而这种复合材料的磨料磨损耐磨性与传统的白口铸铁相比并无优势【3 2 1 1 3 3 1 。文献口4 】则研究了在纯铜基体中分布有不同尺寸A 1 2 0 3 或W C W 2 C ( 铸造碳化钨) 硬质颗粒的烧结复合材料的磨料磨损性能。复合材料中硬质颗粒的体积百分数为3 0 ，选用石榴子石( H V l 4 0 0 ) 、A 1 2 0 3 ( H V 2 2 0 0 ) 及S i C( H V 2 6 0 0 ) 砂纸为磨料，在5 N 载荷
11、( 相当于O 1 2 4 M P a ) 下进行二体磨料磨损试验。结果表明，在所有磨料条件下，复合材料的磨损率都随着硬质增强颗粒尺寸的增大而减小，材料的磨损率与磨料的硬度及其尺寸大小也有很大关系，磨料硬度越高，尺寸越大，材料的磨损率越大，如图1 3 所示。比较两图还可以看出，由于w c ( w 2 c ) 比A 1 2 0 3 颗粒硬度高，在同样磨损条件下，C u W C ( W 2 C ) 复合材料的磨损率远低于C u A 1 2 0 3 的磨损率。作者通过对比试验还发现。磨料为4 0 0 目的S i C 时，C u W C ( W 2 c ) 复合材料和高铬铸铁的磨损率分别为1 1 5 1
12、 0 2 m m 3 m k g 和4 4 1 I O 2 m m 3 m 堙，可见，复合材料耐磨性比高铬铸铁高近四倍。6本论文作者对真空熔铸法制备的锰白铜基铸造碳化钨复合材料二体磨料磨损特性的研究也表明，铸造碳化钨颗粒的加入使复合材料具有很高的抗磨料磨损能力，相同磨损条件下其耐磨性为商铬铸铁的十倍左右。颗粒尺寸( m )颗粒尺寸( um )躅卜3C u M 。0 。( a ) 和C u w C 钾C ) ( b ) 复合材料在不同磨料条件下磨损率与硬质颗粒尺寸的关系。”F i g I - 3S p e c i f i cw e a ro fC u A 1 2 0 3 ( a ) a n dC
13、 u l W C ( w C ) ( b ) c o m p o s i t ev s h a r dp a n i c l es i z ei nd i f f e r e n ta b r a s i v ec o n d i t i o nB F 1 e v i y 5 1 等人的研究工作这里也应提到。他们分别用熟等静压技术和电化学沉积技术制备了体积分数为O 4 5 的A L 2 0 3 N i 复合材料，通过冲蚀磨损试验( 磨料也是A L 2 0 3 ，冲角为9 0 0 ) ，发现复合材料的磨损率随着硬质强化相体积分数的增加而增加，而且硬质强化相颗粒尺寸增大并不能提高复合材料抵抗冲蚀磨
14、损的能力。如图1 - 4 图1 5 ( a ) 和1 5 ( b ) ，这与文献【3 0 】的工作显然有些矛盾。其实颗粒增强金属基复合材料的磨损过程非常复杂，复合材料耐磨性的离低受到增强颗粒种类、尺寸1 3 6 1 3 7 1 、形状和体积分数，基体材料自身性能以及强化相颗粒与基体之间的界面状况等因素的综合影响，因此许多研究人员在研究颗粒增强金属基复合材料的磨损性能过程中得到一些相互矛盾的结论。一般而言，颗粒增强金属基复合材料的磨料磨损耐磨性高于其基体材料。而且复合材料耐磨性随着增强颗粒体积分数的增大而提高，但是增强颗粒尺寸大小对复合材料耐磨性的影响，目前还没有一个令人普遍接受的结论。图i -
15、 4 冲蚀磨损率与A 1 2 0 ，体积百分数的关系【3 5 1F i g 1 - 4T h ee f f e c to f v o l u m ef r a c t i o no f A l 2 0 3o nt h ee r o s i o nr e s i s t a n c eo f N i - A 1 2 0 ac o m p o s i t e s E r o s i o nc o n d i t i o n s ：v e l o c i t y ，4 0m s ；i m p a c ta n g l e ，9 0 。；t e m p e r a t u r e ，2 0 “ C ；
16、e r o d e n t ，A 1 2 0 s 硬度H V l 0 0 0 9硬度，H V l 0 0 0 9图I - 5 冲击磨损率与硬度的关系( a ) 粉末成形复合材料( b ) 电沉积复合材料”6F i g 1 5T h ee f f e c to f h a r d n e s so ne r o s i o nr e s i s t a n c eo f N i - A 1 2 0 3c o m p o s i t e S ：( a ) p o w d e rp r o c e s s e dc o m p o s i t e sa n d ( b ) e l e c t r o d e p o s i t e dc o m p o s i t e s 事实上，在一个磨料磨损系统中，具有类自口铸铁显微组织的材料抗磨料磨损潜力的发挥是建立在硬质相与基体性能有机结合的基础上的。硬质相的
