不同温度下铁基粉末冶金材料的冲击磨损规律[1]

背景 ,进一步探讨了在不同试验温度下 ,3 种粉末冶 金材料中合金元素的作用及耐磨机制 ,为高性能冲 击接触摩擦副材料的成分设计提供了试验依据.
1 试验装置及试样和磨损速率的测定
试验系在作者开发的冲击接触加载试验装置 (见图 1) 上进行. 该装置较好地模拟了内燃机进 、排 气 门与气门座工作时的力学加载条件与温度条件 .
现了交点. 应该指出 ,试验测量的氧化层硬度是在室 温而不是在高温下测量获得的 ,但由于氧化物 (陶瓷 类材料) 在所试验的温度范围内通常硬度变化不大 , 因此室温下测得 2 种材料的硬度差别基本上反映了 较高试验温度时的硬度差别.
由此可见 ,在室温或较低的试验温度时 ,材料的 冲击磨损速率与原材料密切相关 , 而高温时则主要 取决于表面生成的氧化膜特性. 鉴于氧化膜对高温 冲击磨损抗力的重要作用 , 深入研究高温下不同种 类金属氧化物的生成及其组分 、结构 、性能特征 , 对 获得具有高性能的高温耐磨材料有着重要意义. 试 验的 3 种材料的磨损速率在室温附近相差悬殊 , 而 在高温时差别较小. 由此推断 ,合金元素对氧化膜磨 损特性的影响比对材料自身磨损特性的影响要低. 4. 2 合金元素 Cu 的加入有利于降低磨损速率 试验设计的 CrMoV 铁基合金 , 尽管 Cr 的含量 很高 ,高温时可获得致密的高硬度氧化膜 ,但其磨损 速率无论是在室温还是在高温均较前 2 种材料高很 多 ,这显然与其不含 Cu 有关. 众所周知 , Cu 是一种 良好的固体润滑剂 ,并有显著的减摩作用 ,可提高材 料的耐磨性. 冲击接触加载的条件是 :上 、下试样的 冲击角为 45°; 表面切应力 τ与正应力σ的比值为 1 ,比两配副材料自身摩擦系数 (通常 < 1) 大 ,冲击接 触瞬时配副间存在一定的相对微滑动 , 故配副材料 成分的设计应考虑氧化物的硬度 , 因此添加减摩元 素是十分重要的. 通过对磨损速率的对比 ,可知在材 料中添 加 适 量 的 Cu , 可 使 室 温 磨 损 速 率 降 低 到 51 %～63 % ,而对 500 ℃时的磨损速率则为 23 %～ 35 %. 可见 , Cu 的加入不仅对提高原材料室温耐磨 性有重要的作用 , 而且在高温时 , 所形成的 Cu 氧化 物对降低氧化层磨损速率也有一定效果. 4. 3 试验温度对磨损表面形貌的影响 试验温度升高 ,试样表面逐渐氧化 ,这是由于氧 化层有较高的硬度 ,提高了材料的耐磨性 ,因此这种 耐磨性的变化在磨损表面形貌特征上得到了清晰的 反映 . 以 CrMoWVCu材料为例 ( 见图3) , 室温冲击
不同温度下铁基粉末冶金材料的冲击磨损规律
陈瑜眉 , 朱健希 , 许云华 , 朱金华
(西安交通大学金属材料强度国家重点实验室 , 710049 , 西安)
摘要 : 在不同温度下 ,对 3 种 Fe 基粉末冶金材料的冲击接触磨损速率进行了试验研究. 结果表明 , 试验温度升高使试样表面氧化 ,导致磨损速率先降低后升高 ,并在 350～400 ℃ 时达到最低值. CrNiVCu与 CrMoWVCu 两种材料的磨损速率与温度关系曲线出现的交点 ,是由于原材料与高温表 面氧化膜硬度变化造成的 ,而 Cu 的加入有利于冲击磨损速率的降低. 关键词 : 冲击接触加载 ;磨损速率 ;氧化 中图分类号 : T G113 文献标识码 : A
试验表明 , 不同材料在同一温度下的氧化速度 不同. 例 如 , 在 500 ℃ 时 , 对 应 于 CrNiVCu 、Cr2 MoWVCu 及 CrMoV 3 种铁基合金 ,试验测得的平 均氧化速度分别为 2115 、1712 、42. 4 mg/ h. 可见 , CrMoWVCu 材料氧化速度较慢 ,因而有可能在试样 表面获得一层致密的氧化薄层 ,因此有利于得到高 磨损抗力. 对具有良好应用前景的 CrNiVCu 与 Cr2 MoWVCu 材料表面氧化膜的硬度作了测量 (见表 2) ,由于氧化层很薄 ,用一般显微硬度计很难测准其 硬度值 ,因此采用金属材料强度国家重点实验室研 制的 YY - 1 亚微压痕仪来测定氧化膜的硬度 ,其中 硬度测量载荷为 50 、150 、300 mN . 为了进行对比 ,也 采用 5 N 载荷在一般显微硬度计上测量试验前后的 材料硬度. 测量表明 , 试验材料在 5 000 mN 时 , CrNiVCu的硬度为 536 ,CrMoWVCu 为 457 ,均比表 2 中 500 ℃试验后的硬度高 ,表明材料经长时间的 高温加热后 ,已被软化了.
Abstract : Wear rate is analysed for t hree Fe2base PM materials at different temperat ures under impact contact loading. The wear rate , ω ,for t he surface oxidation of specimens first decreases t hen increses wit h an increase in test temperat ure. The minimum value of wear rate occurred at 350～400 ℃. The intersection of ω2 t curves for CrMoWVCu and CrNiVCu result s f rom t he change in t heir surface hard2 ness f rom virgin to oxide layer as t he temperat ure increases. The copper element in t he PM materials is beneficial for t he impact wear resistance. The experimental result s are discussed in connection wit h t he
CrMoV
1 13. 0
1
1. 0
余量
ห้องสมุดไป่ตู้
3 试验结果
在试验条件下 , 表 1 中的 3 种粉末冶金材料及 与其配副的上试样磨损速率如图 2 所示. 尽管上试 样均为 4Cr14Ni14W2MoA ,但由于下试样材料的不 同 ,导致上试样的磨损速率也不一样. 为了评价摩擦 副总体的耐磨性 ,研究以上 、下试样磨损速率之和的 综合磨损速率 ω,并作为指标 (相当于气门与气门座 磨损下沉速率) 对 3 种粉末冶金材料进行了对比 ,即 冲击磨损速率为
CrNiVCu及 CrMoWVCu 经烧结后 , Cu 基本上分布 在晶粒边界上.
表 1 铁基粉末冶金材料的元素成分 %
材料
w C w Cr w Ni w Mo w W w V w Cu w Fe
CrNiVCu
1 4. 0 2
1. 0 14 余量
CrMoWVCu 1 3. 5
5 5 2. 5 20 余量
Wt = WL + WB - Wo
但考虑到试样底面的 W B 与 45°的锥面相比 , 在同 一试验条件下要小得多 , 通常 W B 约为 45 °锥面磨 损量的 5 %[2 ] ,故可以忽略不计. 这样 ,45°锥面磨损 量可近似为
WL = Wt + Wo
对试验的上 、下试样材料氧化造成的增重 ,在 350 ℃ 以下 ,由于增重不明显可忽略不计.
effect s of alloy element s , properties of oxide layers and wear mechanisms. Keywords : i m pact cont act loadi n g ; w ear rate ; ox i dation
在一些工程机械中 ,如凿岩 、矿山 、建筑 、动力等 机械及军工产品中 ,许多零部件都是在冲击接触加 载下工作的. 在冲击力的作用下 ,造成的接触表面损 坏通常与一般滑动 、滚动磨损有很大区别. 近几年 来 ,随着研究的不断深入 ,这种破坏的特殊性已逐渐 被揭示出来 ,并为工程界所重视[1～5 ] . 作者在文献 [ 6 ]中曾指出 ,铁基粉末冶金材料具有十分优越的高 温冲击磨损抗力 ,因此有着重要的工业应用前景. 研 究以内燃机的进 、排气门Ο气门座材料的研制为应用
ω = (d W/ dN) u + (d W/ d N)L 由图 2 可见 : ①随着试验温度的增加 , 3 种材料的 ω 先以较快速度下降 , 大约在 350～400 ℃时达最低 值 ,然后缓慢上升 ; ② 3 种材料在室温时 , CrNiVCu 具有最低的磨损速率 , CrMoWVCu 略高 , 但在高温 500 ℃时 , 则 CrMoWVCu 磨 损 速 率 比 CrNiVCu要 低 ,因此在 ωΟt 处出现了交点. 对于CrMoV , 在所试 验的温度范围内 ,其磨损速率均为最高 ,可见这种材 料的配副耐磨性较差 ; ③在室温附近 , 3 种材料的 ω 相差悬殊 ,当试验温度增加到 400～500 ℃时 , 3 种 材料的 ω渐趋接近 ,其差别较小.
Impact Wear Rate of Fe2Base PM Materials at Different Temperatures
Chen Y u mei , Zhu J ian x i , X u Y u nhua , Zhu J i nhua
( State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials , Xi′an Jiaotong University , Xi′an 710049 , China )
1 :冲头 ;2 :上试样 ;3 :下试样 ;4 :垫片 ;5 :测力传感器 ;6 :底座 图 1 冲击接触加载试验装置 (试样冲击角 α= 45 °)
2 试验材料
上试样材料为高级气门钢 4Cr14Ni14W2MoA , 与其配副的下试样为 3 种不同配方的 Fe 基粉末冶 金材料 (见表 1) ,并参照有关研究[7～9 ] , 同时为便于 确定合金元素的作用 , 3 种材料的碳质量分数均为 110 % , 它们分别为 CrNiVCu 、CrMoWVCu 及 不 含 Cu 的 CrMoV 合 金. 扫 描 电 镜 能 谱 分 析 表 明 ,
第 35 卷 第 9 期
西 安 交 通 大 学 学 报
2001 年 9 月
J OU RNAL OF XI′AN J IAO TON G UN IV ERSIT Y
文章编号 :0253 - 987X(2001) 09Ο0962Ο04
Vol. 35 №9 Sep . 2001
图 2 试验材料的 ω与 t 之间的关系曲线
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西 安 交 通 大 学 学 报 第 35 卷
4 分析与讨论
4. 1 ω 与 t 的变化规律 由于冲击接触试验是直接在大气中进行的 , 所 以随着试验温度的升高试样表面将逐渐被氧化 , 通 常氧化层硬度比基体材料要高 , 因此氧化可降低磨 损速率 ,这一过程一直可进行到 350～400 ℃. 当进 一步升高试验温度时 , 会由于弱化因素的作用使磨 损速率缓慢上升.
收稿日期 : 2000Ο12Ο22. 作者简介 : 陈瑜眉 (1941～) ,女 ,副教授. 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (59831030 ; 50071045) .
第 9 期 陈瑜眉 ,等 :不同温度下铁基粉末冶金材料的冲击磨损规律
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其中 ,上 、下试样及其夹持部分均置于一电炉内 , 以 实现不同试验温度下的冲击接触磨损试验. 试验温 度 t 的 范 围 为 室 温 至 500 ℃, 温 度 波 动 控 制 在 ±5 ℃以内. 试验时 , 通过冲锤上 、下运动实现上 、下 试样 45°锥形面之间的冲击接触加载 , 其中冲击力 通过传感器及与之配套的计算机数据采集系统测 定 ,试验冲击力为 1018 kN. 冲击一定次数 ( N ) 产生 的磨损量 ( W L ) 采用感量为 011 mg 的天平称量确 定 ,通过求取 W LΟN 磨损曲线的斜率可求得磨损速 率 dW/ dN. 事实上在冲击接触加载过程中 ,上 、下试样除冲 击接触锥面产生磨损外 , 各自底部也产生冲击磨损 W B . 另外 ,在高温大气中 , 试验还存在表面氧化产 生的增重 W o ,因此试样经 N 次冲击后的总失重
由表 2 可见 ,当硬度测量载荷 P = 50～150 mN 时 , HC 均比氧化膜厚度 (1 μm) 要小 , 故此时的硬度 基本 上 代 表 了 氧 化 膜 硬 度. 由 此 可 见 , 材 料 CrMoWVCu在 500 ℃氧 化 后 的 表 面 氧 化 膜 硬 度 (1 159～1 297) 比 材 料 CrNiVCu 的 硬 度 ( 1 016 ～ 1 084) 要高 , 但对于未经高温试验的原始样品则正 好相反 , 材料 CrNiVVu 的硬度 ( 536) 要高于材 料 CrMoWVCu (457) 的硬度. 正是这种高温氧化 , 导致 了表面硬度值大小次序的逆转 , 使 ωΟt 关系曲线出