活塞用耐热稀土镁合金冲击性能与耐磨性能研究 |
| 2012-10-13 20:40 作者：徐伟月 来源：硅谷网 关注： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网10月13日讯】据《科技与生活》杂志2012年第15期载文称，本文对Mg-10Gd-3Y-0.5Zr（GW103）活塞耐用稀土镁合金进行了金相组织观察；观察了活塞所用的镁合金在F态，T6态裙部，顶部，孔部的的显微结构，同时研究了T6态GW103铸铁销的冲击性能以及摩擦性能。
1绪论
1.1研究目的和意义
活塞的功用是承受系统压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转，活塞顶部直接与高温气体接触，通常活塞工作温度在300-350摄氏度，在做功行程中，气体会对活塞产生冲击。同时活塞与缸套组成一对摩擦副，在高温高速的条件下，会产生变形以及磨损，所以材料在高温下的磨损速率决定了活塞的寿命。通过研究镁合金和不同缸套材质的磨损情况，能够确定出最佳的配对情况，提高活塞的寿命。这些耐热稀土镁合金性能将成为其能否代替铝合金成为新型活塞材料重要依据。
1.2稀土镁合金
稀土作为主要的合金元素或微合金化合物，被广泛应用于钢铁及有色金属Cu，Al，Zn，Mg等合金中。
稀土镁合金具有镁合金本身的优点，同时具有耐热强度高等新的优点。
2试验过程及研究方法
2.1试验材料
试验用到Mg-10Gd-3Y-0.5Zr（GW103）材料。其化学成分如下
表1GW103化学成分
合金成分 Y Gd Zn Zr Mg
GW103/wt%（at%） 3.03（0.93） 9.67（1.67） --- 0.49（0.15） 余量
2.2热处理
GW103式样进行了固溶和时效处理（T6），具体工艺见表2。
表2式样的处理工艺
合金代号 固溶处理 时效处理
温度 时间 冷却 温度 时间 冷却
GW103 500 6 水冷 225 16 水冷
2.3微观组织观察与分析
微观组织分析采用光学显微镜（OM）进行分析。
首先制备镁合金金相试样，利用4%硝酸94%酒精溶液对镁合金试样进行腐蚀。采用XJL-30金相显微镜进行显微组织观察并且拍照并保存最终结果。按照相同方法观测GW103裙部，顶部，孔部试样，利用100倍，250倍，400倍物镜进行观测。
2.4摩擦磨损性能测试
图1为摩擦试样尺寸与摩擦销试样尺寸图。
（a）（b）（c）
（a）干摩擦底盘（b）油润滑摩擦底盘（c）摩擦销试样尺寸
图1摩擦底盘试样尺寸
摩擦实验在济南蓝波实验设备有限公司制造的多功能摩擦磨损试验机上进行测试。摩擦方式为往复式干摩擦，T6态的GW103-HT200铸铁销采用销盘式摩擦。钢球为φ8。摩擦距离为400米，载荷3-15牛，摩擦速度0.03m/s-0.24m/s，温度为室温至200摄氏度。
准备好摩擦式样，清洗干净后吹干，用精确度0.1mg的天平测量其质量。将销钉卸下，装载试样，将钢球装入仪器中，设置好参数，开始摩擦实验。摩擦实验完成后，洗去磨损产生的镁屑，再次用精确度0.1mg的天平测量磨损后试样质量。根据质量差确定磨损质量。
3活塞用GW103稀土镁合金金相组织结构
3.1GW103镁合金F态金相结构
GW103镁合金F态晶相结构如图2。
（a）GW103F态裙部（b）GW103F态顶部（c）GW103F态孔部
图2GW103F态金相组织结构
由图可见，F态GW103镁合金晶界中存在一些网状结构。在晶界处有第二相存在。
3.2GW103镁合金T6态晶相结构
GW103镁合金T6态合金结构如图3。
（a）GW103镁合金T6态裙（b）GW103镁合金T6态顶（c）GW103镁合金T6态孔
图3GW103镁合金T6态晶相结构
如图是GW103经过时效处理之后的组织，可以看出，T6态在金相上有不少的黑色颗粒。
比较F态与T6态，发现晶粒大小近似相同。T6态时第二相消失但是出现了黑色颗粒状物质。
4GW103态-铸铁销的冲击性能与摩擦性能
4.1GW103冲击性能实验
本文在不同温度下对试样分别进行了冲击测试，截面图如下：
（a）（b）（c）（d）（e）（f）
图4GW103镁合金冲击性能试样截面图
Fig.4-1FracturemacrographsofMg-10Gd-3Y-0.5Zr
（a）T=20℃；（b）T=100℃；（c）T=150℃；（d）T=200℃；（e）T=250℃；（f）T=200℃；
4.2磨损失重与载荷的关系
表2为不同载荷T6态GW103镁合金-铸铁销摩擦副的磨损失重。图4是根据表4的摩擦实验结果会支撑的磨损失重与载荷关系曲线。在载荷为3-10N的范围之内，随载荷的增加，磨损质量呈线性增大，增长量为0.0005g/N。当载荷继续增加之后，磨损失重的增幅减小64%。
表2不同载荷T6态GW103镁合金-铸铁销摩擦副的磨损失重
载荷（N） 磨损失重（g）
3 0.0047
5 0.0055
7 0.0065
10 0.0078
15 0.0087
4.3磨损失重与摩擦速度的关系
表2为不同摩擦速度下T6太GW103镁合金-铸铁销摩擦副的磨损失重。图3是根据3为结果绘制的磨损失重随速度变化的曲线，可以看到随着摩擦速度的提高，磨损失重是先增加后减小，初始减小速度快，约为0.034，当摩擦速度超过0.18m/s后，磨损量下降速度明显放缓为原来的20%。
表3不同摩擦速度T6态GW103镁合金-铸铁销摩擦副的磨损失重
摩擦速度（m/s） 磨损失重（g）
0.03 0.0064
0.06 0.0078
0.12 0.0060
0.18 0.0037
0.24 0.0033
4.4磨损失重与温度的关系
表4为不同温度下T6态GW103镁合金-铸铁销摩擦副磨损失重。图4是根据表4的结果绘制的磨损失重随温度变化，可以看到，随着温度的上升，磨损失重先是缓慢下降。温度超过100度之后，下降速率开始迅速增加560%
表4不同温度下T6态GW103镁合金-铸铁销摩擦副的损失失重
温度（摄氏度） 磨损失重（g）
20 0.0078
100 0.0076
150 0.0068
200 0.0062
4.5本章小结
本章观察了GW103合金在F态，T6态下的微观结构。T6态时晶相内部有褐色颗粒状物质存在。
本章测试了T6态GW103耐热稀土镁合金-铸铁销的摩擦性能，得出以下结论：
在载荷3-10N范围内，磨损失重随着载荷的增加而线性增大。当载荷继续增加之后，磨损失重的振幅减小；随着摩擦速度的提高，磨损失重是现增加后减小，初始速度减小很快。当摩擦速度超过0.18m/s后，磨损失重的下降速度明显变缓慢；随着温度的上升，磨损失重先是缓慢下降，当温度降低超过100度之后，下降速度开始迅速增加。
5结论
本论文分为2个部分。
第一部分对晶相试样进行了准备，并且介绍了晶相试样的摩擦流程与方法，最后利用显微镜拍摄了GW103镁合金F态裙部，顶部，孔部。T6态裙部，顶部，孔部的照片。
分析表明，F态GW103镁合金晶界中存在一些网状结构。而晶界处有第二相存在。
GW103镁合金经过时效处理之后（T6态）的组织，可以看到在晶界第二相消失。在晶内有不少的黑色颗粒。
第二部分研究了镁合金冲击性能与磨损性能。观察GW103冲击试样断口发现，在低温时断口比较平整，这是由于试样低温时硬度高但是脆性大，高温时断口有坡度，因为高温时韧性好。另外本文研究了GW103镁合金与铸铁销的摩擦行为。
在载荷为3-10N的范围内，随着载荷的增加，T6态GW103磨损失重呈线性增大，增长量为0.0005g/N。当载荷继续增加时，磨损量增幅减小64%。随着摩擦速度的增高，磨损失重先增加在减小，初始减小速度十分快，约为0.034为0.034，当摩擦速度超过0.18m/s后，磨损量下降速度明显放缓为原来的20%。随着温度的上升，磨损失重先是缓慢下降。温度超过100摄氏度之后，下降速率开始迅速增加560%。
作者简介
徐伟月（1990-），男，上海人，本科生，研究方向：材料科学与工程。 |
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