模具铜合金原料摩擦损耗特点分析

第一章绪论
 
第一节高强铜基合金材料的研究与应用现状
由于其超高强度和热弹性马氏体相变特性而来制作形状记忆功能材料器件。Cu基合余中Cu-Zn-Al和Cu-Al形状记忆合余的研究已有许多报道， ，而cu-Al-Mn系形状记忆合金是最近几年新开发的铜基形状记忆合金。虽然日本、欧美和前苏联对该系合金的报道，但多数是关于合金微观组织结构，热弹性马氏体的研究，而鲜见关于该系形状记忆合余性能的报道，工程应用方面则更少。高强铜基合金的研制已达到较高水平，自生高强度复合材料更显示了良好的发展前景，山于增强体是自动形成的，从而避免了因人工复合化制备而产生的界面污染、化学反应等问题，具有极好的综合机械性能。如日本开发的含Ag10%-16%的cu-Ag合金，经大形变变形，同时辅以适当的热处理方法，加工后形成纤维增强复合材料，其抗拉强度高达lo00MPa，电导率达到80%IACS，性能指标远远超出了目前常用的合金化法生产的铜合金的性能指标;解决冶金工艺复杂、设备要求苛刻等条件对材料生产在形状和几何尺寸上的制约，是自生高强度铜基复合材料研制中应重汽考虑的问题。常规熔铸工艺生产的铜基合金存在合金化提高强度和合金元素降低材料导电性、热导率的矛盾，而且合金材料性能受后续热处理工序影响较大，但在生产风口、连铸结品器、模具等高强铜基合金工业构件方面的优势是不可替代的。
 
第二节本项目的来源及意义
国民经济的圣:大支柱产业(机械、电子、汽车、石化、建筑)的发展要求模具户发仑的发展一与之相适应，模具是“效益放大器”，模具生产水平的高低在很大程度L决定着产品的质量、效益和新产品开发能力。而衡量模具生产水平的影响因素又是多方面的，其中模具材质本身就是很关键的因素之一，因此，开发优质的模具材半一直是很重要的课题。石板式换热器在造船业，化工行业，食品行业，机械行业都有着广泛的应用，三需要各种规格的板式换热器片模具约12000吨以上2。从模具市场看，这种模具多采用.高合金钢(Cr12、W1SCr4V、硬质合金等)来制造，其缺点是摩擦系数大，耐磨性差，不易滑动成型。钢性差的模具在工作过程中易变形，生产出的产二品万块厚不均，表面粗糙，重量增加，美感下降，更重要的是模具寿命短，一般使用儿万次乃至几千次几百次模具就因磨损、变形而报废，给厂家造成很大的经济损失，尤其是不锈钢和钦钢等变形阻力大的材料，在冲击加工时容易与模具表而，烧结或过热熔粘现象。
从以上情况看，模具材料采用传统的模具钢已不能满足飞速发展的现代化工业，)发更理想的模具材料已成必然。而铝青铜作为一种新型的耐磨合金，除了具有铜合金的一般特性外，其主要特点是具有高强度、良好的塑性等机械性能。特别是德国开发出来的一种高铝青铜模具材料，硬度高，摩擦系数小，耐磨性能好，静载压力大，刚性稳定，不易变形，冲压件厚度均匀，寿命是一般模具钢(3ZoNiZMoV)的3-4倍，是制作拉伸模具，挤压模具的理想材料。但是，进口一套模具成本相当昂贵。另外，甘肃有丰富的铜矿、镍矿、铝矿及许多稀有金属，如果综合利少这些矿藏，增加其技术含量，开发具有高附加值的新材料，对促进西部经济的发展具有非常重要的意义。
 
第三节模具铜合金的性能要求
在实际应用中，各类模具对材料本身的要求大致可分为以下几点:拉可，模、育较高的耐磨性，其他性能要求次之或不高，即主要失效方式为磨损。如车L辊、导辊、钻套、喷嘴、量具、夹具、块规、塞规等。要求有较高的冲击韧性和强度，同时要求有一定的耐磨性。如冷墩、冷挤、剪裁、成型、落料等模具。要求有较高的耐磨性，而且要求有较好的强韧性，如整形模、压应模、压边模、横剪刀、辊剪刀以及各种冲击工具等。有特殊要求的工模具和耐磨件。如要求耐磨的同时，要求耐腐蚀耐热导热抗蠕变抗氧化性能好，这就要求对粘结相钢基体作成分调整，使其具有不锈钢、耐热钢、高速钢等材料的某些特性。用铜合金制作的模具具有其它金属模具钢无法实现的一些特性，即较大的热传导率和良好的耐烧结性能23。前一特性适合于作塑料模具，后一特性则适合用作金属板冲压模具。塑料模具、铸造模具用铜合金模具在工作过程中起着热交换器的作用，若模具材料的传导率较大，则可以缩短注射成型周期。
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第二章Cu-wt%14AI-X合金的熔炼
l必须严格控制合金的化学成分。成分是直接影响合金的组织与性能的，在配料时要了解铜合金的成分、波动范围和元素烧损情况:对容易烧损的元素要适当提高其配料比，才能使铸件的化学成分符合要求。
2铜合金液要求纯净。在熔炼过程中要防止合金吸气和氧化。必须对炉料和工具进行预热和烘干，钳祸在使用前必须预热至暗红色(600℃以上)，以避免带入水分而造成吸气，对某些铜合金液必须加覆盖剂以防止或减少元素的氧化烧损，避免铸件中产生氧化夹渣。
3严格控制熔炼温度和浇注温度，熔炼时间应尽量缩短。如果熔炼温度过高，时间过长，容易造成合金吸气，同时氧化夹渣也会增加，含铝量高的铝青铜(例如ZQA19-4)尤为明显;如果浇注温度过高，则会引发气孔。
4防止合金的偏析。由于各合金元素的比重和熔点相差较大，合金的结晶特性也有差异，容易造成比重偏析和逆偏析，因此必须采取工艺措施，防止偏析。
 
第一节设备与原材料
2.1.1熔炼炉
高铝青铜合金在熔炼时，尤其是在过热时将伴随严重的氧化和吸气现象。铜合金的氧化物(如Cu20)能溶解在铜液中，为了使铜液中的CuZO还原，必须加入适量的脱氧剂进行“脱氧”，才能将氧除去。Cu-wt%14AI-X合金熔炼时之所以需要脱氧，是由其熔炼时的氧化特性所决根据铜合金脱氧的理论和实践，对Cu-wt%14AI一合金脱氧剂提出以下要求:
(l)脱氧剂的氧化物分解压力应小于氧化亚铜，其氧化物分解压力值与CuZO分解压力值相差愈大，脱氧反应进行得愈完全，愈迅速。
(2)加入的脱氧剂，应对Cu-wt%14AI-X合金性能无害，加入的脱氧剂除了大部分与CuZO互相作用进行脱氧而消耗外，会有微量残留在铜液中，有些元素如锑(sh)、砷(AS)、硅(Si)、铝(AI)、稀土(Re)中的部分对铝青铜的性能危害性很大，因此，虽然锑(Sb)、砷(AS)、硅(51)的氧化物分解压力小于CuZO，但不能作为Cu-wt%14AI-X合金的脱氧剂。
(3)脱氧剂的反应产物应不溶解于合金液，易于凝聚、上浮而被除去。
(4)脱氧剂要价格便宜，来源广。按以上选择原则，结合 wt%14AI-X合金成份及氧化特性本文选取了铝、锌作为预脱氧剂，稀土作为终脱氧剂。
 
第二节Cu-t%14AI-x合金的氧化特性及脱氧
用预热的取样勺取铜液倒入图2-2所示预热后的金属型中，撇去表面氧化膜及渣r，待试样凝固后，观察表面收缩情况，判断铜液(铝青铜)含气程度，试样凝固后表面中心凹陷、表面缩陷明显，说明合金中含气量低，可认为合格，若表面凹陷不明显或上凸，说明合金中含有大量气体(如图2-3所示)，必须采取相应的除气措施，以降低合金中的含气量。这种试验方法比较简便，它的缺点是对含气量不敏感，有时，试样收缩得很好，但浇注成铸件后，仍会出现气孔。所以必须附以以下两种检测方法同时进行。用图2-4所示金属型浇注试样在型中凝固2-3min即投入水中冷却(不许过早淬水T成550℃)。将试样一端夹在钳台上，如图2-4(c)所示，用锤击打至折断为止，量其折断角a，判断合金的机械性能(击断所用的力与合金强度成比例，而折断角则与延伸率成比例)，对于Cu--wt%l4AI-X合金为脆性材料，锤击过程中金属发生脆断，所以其折断角一般较小在即视为合格所以对于C-wt%14AI-X弯曲试样检验折断角并不准确有效，须在含气试验及断口检查合格时始为准确。
由做完弯曲试样后所得到的断口，观察有无偏析、氧化夹渣、晶粒大小及断日颜色等情况，以判断铜合金质量，试样断面组织均匀细密，无偏析、气孔、夹杂等，可认为合格。如不合格可补加稀土脱氧或加少量CZCI。精炼处理。浇注试样时必须注意:取样勺必须充分预热，取样时必须将取样勺深入熔池中部，轻轻搅动后取出，取出的合金液必须用铁片撇去液面渣皮，平稳浇入金属模。
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第三章组织对铝青铜摩擦特性性能影响的研究……………22
第一节研究组织对摩擦特性影响的意义及影响摩擦特性的因素…22
3.1.1研究组织对摩擦特性影响的意义……………22
3.1.2影响材料摩擦特性的内部因素……………22
3.1.3影响材料摩擦特性的外部因素……………23
第二节万竹铸态组织的结构特点……………25
第三节高铝青铜铸态的摩擦性能试验……………27
第四节热处理后铝青铜的摩擦磨损特性……………41
 
第三章组织对铝青铜摩擦特性性能影响的研究
 
第一节研究组织对摩擦特性影响的意义
通过对Cu-wt%14AI-X合金熔炼工艺的研究，本文总结Cu-wt%14AI-X合金的熔炼要点如下:
1)熔炼过程中炉料的控制非常关键，一是由于Cu--wt%14AI一合金成分复杂，所含合金元素多，各种合金元素的熔点相差较大，熔炼过程中炉前不进行成分分析和调整:二是要从炉料的干净程度上来保证铜液在熔炼中少进渣、少吸气，减少精炼次数，贯彻实施快速熔炼的基本原则。
2)本文采用的共装一次熔炼工艺措施，消除或阻止了普通一次熔炼工艺在高温铜液中添加低熔点合金而引发的合金过热和氧化吸气现象，相对二次熔炼工艺减少了制作中间合金的工序，有利地保证了Cu-wt%14AI-X合金的快速熔炼。
3)合金的精炼除气采用了简单易行的氯化物法，只有CZC16、CZCI;对于c-wt%14AI-X合金的精炼除气是适合的，如果采用ZnC12，即使加大用量也仍然不会产生好的效果，而且增加了精炼次数。
4)本文采用的先预脱氧，后精炼，再终脱氧的熔炼工艺流程有效地消除了合金扫氧化产物和吸氢现象，保证Cu-wt%14AI-X合金的最终熔炼质量。劝合余脱氧、精炼除气的温度不宜过高或过低，应保持在1200-1260℃之间，合金浇注温度应保持在1160-1250℃之间，而且尽可能在温度下限浇注。
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总结
通过对高铝青铜Cul4AI-X的摩擦磨损特性的研究，得出以下结论:
(l)在相同条件下，铸态铝青铜Cul4AI-X比国标牌号中ZQAI104-4和QA19-4的摩擦系数低，摩擦相同行程后，磨损失重量小，也就是说高铝青铜Cul4AI-X具有更好的减磨性和耐磨性。
(2)在恒定的压力下，改变滑动速度(在试验范围内)ZQAI10-4-4和QA19-4不仅随摩擦行程的增加，磨损率急剧增加，而且过早出现基体的严重塑性变形及疲劳剥离现象，而Cul4AI-X随速度的增大，磨损率出现一最低值，即当v=0.7has时，单位行程中磨损失重最小。
(3)通过对Cul4AI-X实施860℃-9000C固溶处理Zh，在560oC-6O0oC保温，1h进行时效理后，Cul4AI-X的减磨、耐磨性得到很大的改善，相同条件下，摩擦系数降近4.4倍，磨损率下降近2.5倍，磨损机制有严重粘着磨损转为轻微的粘着磨扎)。
 
参考文献（略）