不同溫度下鐵基粉末冶金材料的沖擊磨損規(guī)律

1、第 35卷 第 9期 2001年 9月西 安 交 通 大 學 學 報JOU RNAL OF XI AN JIAOTONG U NIVERSITYVol. 35 9 Sep. 2001文章編號 :0253-987X(2001 09 0962 04不同溫度下鐵基粉末冶金材料的沖擊磨損規(guī)律陳瑜眉 , 朱健希 , 許云華 , 朱金華(西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室 , 710049, 西安 摘要 :在不同溫度下 , 對 3種 Fe 基粉末冶金材料的沖擊接觸磨損速率進行了試驗研究 . 結果表明 , 試驗溫度升高使試樣表面氧化 , 導致磨損速率先降低后升高 , 并在 350400! 時達到最低值

2、. CrNiVCu 與 CrM oWVCu 兩種材料的磨損速率與溫度關系曲線出現的交點 , 是由于原材料與高溫表 面氧化膜硬度變化造成的 , 而 Cu 的加入有利于沖擊磨損速率的降低 .關鍵詞 :沖擊接觸加載 ; 磨損速率 ; 氧化中圖分類號 :T G113 文獻標識碼 :AImpact Wear Rate of Fe Base PM Materials at Different TemperaturesChen Yumei, Zhu Jianx i, X u Yunhua , Zhu J inhua(State Key Laboratory for M echanical Behavior

3、of M aterials, Xi an Jiaotong Universi ty, Xi an 710049, Ch i na Abstract :Wear rate is analysed for three Fe base PM m aterials at different temperatures under impact contact loading. The w ear rate, , for the surface oxidation of specimens first decreases then increses w ith an increase in test te

4、mperature. The minimum value of w ear rate occurred at 350400! . The intersection of t curves for CrMoWVCu and CrNiVCu results from the change in their surface hard ness from virgin to ox ide layer as the temperature increases. T he copper element in the PM materials is beneficial for the im pact w

5、ear resistance. The ex perimental results are discussed in connection with the effects of alloy elements, properties of oxide layers and w ear mechanisms.Keywords :imp act contact loading ; w ear rate; ox idation在一些工程機械中 , 如鑿巖、 礦山、 建筑、 動力等 機械及軍工產品中 , 許多零部件都是在沖擊接觸加 載下工作的 . 在沖擊力的作用下 , 造成的接觸表面損 壞通常與一般滑

6、動、 滾 動磨損有很大 區(qū)別 . 近 幾年 來 , 隨著研究的不斷深入 , 這種破壞的特殊性已逐漸 被揭示出來 , 并為工程界所重視 15. 作者在 文獻 6中曾指出 , 鐵基粉末冶金材料具有十分優(yōu)越的高 溫沖擊磨損抗力 , 因此有著重要的工業(yè)應用前景 . 研 究以內燃機的進、 排氣門 氣門座材料的研制為應用 背景 , 進一步探討了在不同試驗溫度下 , 3種粉末冶 金材料中合金元素的作用及耐磨機制 , 為高性能沖 擊接觸摩擦副材料的成分設計提供了試驗依據 .1 試驗裝置及試樣和磨損速率的測定試驗系在 作者開發(fā)的沖擊接觸加 載試驗裝置 (見圖 1 上進行 . 該裝置較好地模擬了內燃機進、 排 氣

7、 門與氣門座工作時的力學加載條件與溫度條件 .收稿日 期 :2000 12 22. 作者簡介 :陳瑜眉 (1941 , 女 , 副教授 . 基金項目 :國家 自然科學基 金資助項 目 (59831030; 50071045 .其中 , 上、 下試樣及其夾持部分均置于一電爐內 , 以 實現不同試驗溫度下的沖擊接觸磨損試驗 . 試驗溫 度 t 的 范 圍 為 室 溫至 500! , 溫 度 波 動 控 制 在 5! 以內 . 試驗時 , 通過沖錘上、 下運動實現上、 下 試樣 45#錐形面之間的沖擊接觸加載 , 其中 沖擊力 通過傳感器及與之配套的計算 機數據采集系 統(tǒng)測 定 , 試驗沖擊力為 1

8、0 8kN . 沖擊一定次數 (N 產生 的磨損量 (W L 采用感量為 0 1mg 的天平 稱量確 定 , 通過求取 W L N 磨損曲線的斜率可求得磨損速 率 d W /d N .事實上在沖擊接觸加載過程中 , 上、 下試樣除沖 擊接觸錐面產生磨損外 , 各自底部也產生沖擊磨損 W B . 另外 , 在高溫大氣 中 , 試驗 還存在表面氧 化產 生的增重 W o , 因此試樣經 N 次沖擊后的總失重W t =W L +W B -W o但考慮到試樣底面的 W B 與 45#的錐面相比 , 在同 一試驗條件下要小得多 , 通常 W B 約為 45#錐面磨 損量的 5%2, 故可以忽略不計 .

9、這樣 , 45#錐面磨損 量可近似為W L =W t +W o對試驗的上、 下試樣材料氧化造成的增重 , 在 350! 以下 , 由于增重不明顯可忽略不計 .1:沖頭 ; 2:上試樣 ; 3:下試樣 ; 4:墊片 ; 5:測力傳感器 ; 6:底座圖 1 沖擊接觸加載試驗裝置 (試樣沖擊角 =45#2 試驗材料上試樣材料為高級氣門鋼 4Cr14Ni14W2M oA, 與其配副的下試樣為 3種不同配方的 Fe 基粉末冶 金材料 (見表 1 , 并參照有關研究 79, 同時為便于 確定合金元素的作用 , 3種材料的碳質量分數均為 1 0%, 它 們分 別為 CrNiVCu 、 CrMoWVCu 及不

10、 含 Cu CrN iVCu 及 CrMoWVCu 經燒結后 , Cu 基本上分布 在晶粒邊界上 .表 1 鐵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 14. 021. 014余量 CrM oWV Cu 13. 5552. 520余量CrM oV113. 011. 0余量3 試驗結果在試驗條件下 , 表 1中的 3種粉末冶金材料及 與其配副的上試樣磨損速率如圖 2所示 . 盡管上試 樣均為 4Cr14Ni14W2M oA , 但由于下試樣材料的不 同 , 導致上試樣的磨損速率也不一樣 . 為了評價摩擦 副總體的耐磨

11、性 , 研究以上、 下試樣磨損速率之和的 綜合磨損速率 , 并作為指標 (相當于氣門與氣門座 磨損下沉速率 對 3種粉末冶金材料進行了對比 , 即 沖擊磨損速率為=(d W /d N u +(d W /d N L由圖 2可見 : 隨著試驗溫度的增加 , 3種材料的 先以較快速度下降 , 大約在 350400! 時達最低 值 , 然后緩慢上升 ; %3種材料在室溫時 , CrNiVCu 具有最低的磨損速率 , CrMoWVCu 略高 , 但在高溫 500! 時 , 則 CrMoWVCu 磨 損速 率比 CrNiVCu 要 低 , 因此在 t 處出現了交點 . 對于 CrMoV , 在所試 驗的溫

12、度范圍內 , 其磨損速率均為最高 , 可見這種材 料的配副耐磨性較差 ; &在室溫附近 , 3種材料的 相差懸殊 , 當試驗溫度增加到 400500! 時 , 3種 材料的 漸趨接近 , 其差別較小 .圖 2 試驗材料的 與 t 之間 的關系曲線963第 9期 陳瑜眉 , 等 :不同溫度下鐵基粉末冶金材料的沖擊磨損規(guī)律4 分析與討論4. 1 與 t 的變化規(guī)律由于沖擊接觸試驗是直接在大氣中進行的 , 所 以隨著試驗溫度的升高試樣表面將逐漸被氧化 , 通 常氧化層硬度比基體材料要高 , 因此氧化可降低磨 損速率 , 這一過程一直可進行到 350400! . 當進 一步升高試驗溫度時 ,

13、會由于弱化因素的作用使磨 損速率緩慢上升 .試驗表明 , 不同材料在同一溫度下的氧化速度 不同 . 例 如 , 在 500! 時 , 對 應 于 CrNiVCu 、 Cr M oWVCu 及 CrMoV 3種鐵基合金 , 試驗測得的平 均氧化速度 分別為 21 5、 17 2、 42. 4mg/h. 可見 , CrMoWVCu 材料氧化速度較慢 , 因而有可能在試樣 表面獲得一層致密的氧化薄層 , 因此有利于得到高 磨損抗力 . 對具有良好應用前景的 CrNiVCu 與 Cr M oWVCu 材料表面氧化 膜的硬度作 了測量 (見 表 2 , 由于氧化層很薄 , 用一般顯微硬度計很難測準其 硬

14、度值 , 因此采用金屬材料強度國家重點實驗室研 制的 YY-1亞微壓痕儀來測定氧化膜的硬度 , 其中 硬度測量載荷為 50、 150、 300mN. 為了進行對比 , 也 采用 5N 載荷在一般顯微硬度計上測量試驗前后的 材料 硬度 . 測量 表明 , 試 驗 材料 在 5000mN 時 , CrNiVCu 的硬度為 536, CrMoWVCu 為 457, 均比表 2中 500! 試驗后的硬度高 , 表明材料經長時間的 高溫加熱后 , 已被軟化了 .由表 2可見 , 當硬度測量載荷 P =50150mN 時 , H C 均比氧化膜厚度 (1m 要小 , 故此時的硬度 基本 上 代 表 了 氧

15、 化 膜 硬 度 . 由 此 可 見 , 材 料 CrMoWVCu 在 500! 氧化 后 的 表面 氧 化 膜 硬 度 (11591297 比 材料 CrNiVCu 的硬 度 (1016 1084 要高 , 但對于未經高溫試驗的原始樣品則正 好相 反 , 材料 CrNiVVu 的硬度 (536 要高 于材 料 CrMoWVCu (457 的硬度 . 正是這種高溫氧化 , 導致 了表面硬度值大小次序的逆轉 , 使t 關系曲線出 現了交點 . 應該指出 , 試驗測量的氧化層硬度是在室 溫而不是在高溫下測量獲得的 , 但由于氧化物 (陶瓷 類材料 在所試驗的溫度范圍內通常硬度變化不大 , 因此室溫

16、下測得 2種材料的硬度差別基本上反映了 較高試驗溫度時的硬度差別 .由此可見 , 在室溫或較低的試驗溫度時 , 材料的 沖擊磨損速率與原材料密切相關 , 而高溫時則主要 取決于表面生成的氧化膜特性 . 鑒于氧化膜對高溫 沖擊磨損抗力的重要作用 , 深入研究高溫下不同種 類金屬氧化物的生成及其組分、 結構、 性能特征 , 對 獲得具有高性能的高溫耐磨材料有著重要意義 . 試 驗的 3種材料的磨損速率在室溫附近相差懸殊 , 而 在高溫時差別較小 . 由此推斷 , 合金元素對氧化膜磨 損特性的影響比對材料自身磨損特性的影響要低 . 4. 2 合金元素 Cu 的加入有利于降低磨損速率 試驗設計的 Cr

17、MoV 鐵基合金 , 盡管 Cr 的含量 很高 , 高溫時可獲得致密的高硬度氧化膜 , 但其磨損 速率無論是在室溫還是在高溫均較前 2種材料高很 多 , 這顯然與其不含 Cu 有關 . 眾所周知 , Cu 是一種 良好的固體潤滑劑 , 并有顯著的減摩作用 , 可提高材 料的耐磨性 . 沖擊接觸加載的條件是 :上、 下試樣的 沖擊角為 45#; 表面切應力 ! 與正應力 的比值為 1, 比兩配副材料自身摩擦系數 (通常 <1 大 , 沖擊接 觸瞬時配副間存在一定的相對微滑動 , 故配副材料 成分的設計應考慮氧化物的硬度 , 因此添加減摩元 素是十分重要的 . 通過對磨損速率的對比 , 可知

18、在材 料中添 加 適量 的 Cu , 可 使室 溫 磨 損 速 率 降低 到 51%63%, 而對 500! 時的磨損速率則為 23% 35%. 可見 , Cu 的加入不僅對提高原材料室溫耐磨 性有重要的作用 , 而且在高溫時 , 所形成的 Cu 氧化 物對降低氧化層磨損速率也有一定效果 .4. 3 試驗溫度對磨損表面形貌的影響試驗溫度升高 , 試樣表面逐漸氧化 , 這是由于氧 化層有較高的硬度 , 提高了材料的耐磨性 , 因此這種 耐磨性的變化在磨損表面形貌特征上得到了清晰的 反映 . 以 CrM oWVCu 材料為 例 (見圖 3 , 室 溫沖擊表 2 材料的表面硬度 Hc 、 Hv 與測

19、量載荷之間的關系 (500! 材 料50mN Hc/m Hv150mNHc/m Hv300mNHc/m Hv5000mN HvCr NiV Cu CrM oWV Cu 0. 4480. 414108412970. 8130. 753101611591. 1791. 323970796447 332注 :7,964西 安 交 通 大 學 學 報 第 35卷接觸磨損表面為犁削與局部剝層磨損形貌 , 但達到 500! 時 , 這種磨損形貌幾乎消失而呈現大面積的 無特征區(qū) , 其主要磨損方式已轉變?yōu)榘咨膹碗s金 屬氧化物顆粒 (能譜分析為富 Cr 、 W 、 V 氧化物 , 在 沖擊接觸加載下其與基體

20、的分離見圖 4. 從圖 3、 圖 4中 , 還可看到一些較大顆粒的復雜金屬氧化物在 反復沖擊接觸加載下已被擊碎 , 因此為提高氧化層 的沖擊磨損抗力 , 在材料設計時 , 不僅需要考慮所生 成的氧化物應具有較高硬度 , 還應保證氧化物具有 良好的強韌性配合 , 以及與基體材料之間良好的界 面結合強度 . CrMoV 材料因不含 Cu, 即使在 500! 高溫 , 犁削磨損形貌依然嚴重存在 (見圖 5.圖 3 CrM oWV Cu 的表面犁削及局部剝層磨損形貌 :碳化物與基體的分離 ; %碳化物的碎裂 ; A :大面積無特征區(qū)圖 4 CrM oW VCu 在接 觸加載時的表面磨損形貌圖 5 Co

21、M oV 在 500! 時沖擊磨損的表面形貌5 結 論(1 3種鐵基粉末冶金材料在大氣中隨著試驗溫度的升高 , 沖擊接觸磨損速率先迅速降低 , 在 350400! 時達最低值 , 隨后又緩慢升高 , 因此合金元 素對氧化膜磨損特性的影響遠低于對材料自身磨損 特性的影響 .(2 在室溫或較低的試驗溫度時 , 材料的沖擊磨 損速率與原材料密切相關 , 而高溫則主要取決于表 面生成的氧化膜特性 . 試驗證明 , 在 500! 高溫時 , 材料 CrMoWVCu 表 層 氧 化 膜 的 硬 度 大 于 材 料 CrN iVCu, 而室溫時 , 材料的原始硬度的則正好與此 相反 , 正 是這種 硬度的

22、大小 次序發(fā) 生逆 轉造 成了 t 曲線出現了交點 . CoMoV 由于不含固體潤滑劑 Cu, 所以磨損速率最高 , 并在磨損表面出現嚴重的 犁削現象 , 且一直保持到高溫 .(3 當試驗溫度升高時 , 磨損機制由犁削剝層機 制向氧化物碎化、 脫離及大面積無特征區(qū)轉移 . 致謝 感謝中國科學院固體潤滑國家重點實驗室開 放基金的資助 參考文獻 :1 Rice S L. For mation o f subsurface zones in impact w earJ.A SM E T rans, 1981, 2:264268.2Chen Yumei, Zhu Jinhua T ang Changguo. Surface fail ure under repeated impact contact loadingAPro c of Int Sy m o n Impact Eng ineering C. S