【摘 要】
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目前航天领域及军用飞机发展迅速,对关键部件如柱塞泵要求越来越高,其中提升摩擦副滑靴材料的力学性能至关重要。而国产滑靴零件表现为工作寿命短、承载能力弱、无法满足高速、高压及高振动的服役环境。现役滑靴材料耐磨黄铜(C67300)微量合金元素添加量及比例缺乏理论指导,微观组织和力学性能与国外原件(US)差距明显,需要进一步发展具有自主知识产权的高性能滑靴材料。因此,本工作基于团簇加连接原子模型的成分设计
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目前航天领域及军用飞机发展迅速,对关键部件如柱塞泵要求越来越高,其中提升摩擦副滑靴材料的力学性能至关重要。而国产滑靴零件表现为工作寿命短、承载能力弱、无法满足高速、高压及高振动的服役环境。现役滑靴材料耐磨黄铜(C67300)微量合金元素添加量及比例缺乏理论指导,微观组织和力学性能与国外原件(US)差距明显,需要进一步发展具有自主知识产权的高性能滑靴材料。因此,本工作基于团簇加连接原子模型的成分设计方法对C67300铜合金微量元素进行优化,并探索不同热处理工艺(固溶、热轧、时效)对设计合金的微观组织(特别是析出硅化物的粒径和体积分数)和力学性能的影响规律,建立与工艺相关的组织调控准则,揭示微观组织对宏观性能影响的内在机制;其次,由于滑靴在油润滑环境下的摩擦磨损机制研究鲜有,因此,进一步研究了退火态和冷轧态C67300铜合金与对磨副GCr15钢的摩擦磨损行为。设计合金铸锭制备于中频感应炉,在873~1113 K/3h进行预固溶处理,进而于923~1023 K之间轧制,最后在673~723 K时效1~2 h;C67300合金棒和滑靴原件来源于企业。采用一系列表征测试技术:光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、电子探针(EPMA)、透射电子显微镜(TEM)、拉伸机、硬度计和摩擦磨损试验机等进行了物相结构、微观组织、力学性能与摩擦性能表征。结果表明:耐磨铜合金主要由α-Cu(FCC结构)、β-CuZn(B2结构)、和三种尺寸(初生,细小,纳米)硬质颗粒ω-M5Si3(D88结构)构成;热处理工艺对铸态合金的微观组织和力学性能影响明显。其中固溶和热轧处理均提高了合金的强度,时效进一步改善了塑性,尤其在673 K/2h时为δ=29.4%,而抗拉强度为σUTS=580MPa,能满足滑靴的强塑匹配要求并作为备选材料。此外,针对合金不同状态的强化机制进行了讨论,计算得到的强度增量与实测屈服强度符合较好,其中时效态的强化机制主要由固溶强化、晶界强化和沉淀强化为主;另一方面,冷轧态和退火态C67300合金在恒定载荷300 N、不同转速(400~700)r/min条件下的摩擦系数都随转速增加而降低;而在恒定转速400r/min、不同施加载荷(200~500)N条件下,冷轧态和退火态合金摩擦系数都随施加载荷增加而增加。不同试验条件下,冷轧态C67300合金的摩擦系数均低于退火态,且变化幅度较小,表现出更佳的耐磨性,主要是由于冷轧态C67300的H/E=0.020更接近于对磨副GCr15钢的H/E=0.035。从而有望通过成分设计、热处理工艺改善微观组织、提高合金的硬弹比、力学性能以实现与对磨副合金匹配来改善材料的耐磨性。
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