铸造基础知识分享

电磁铸造的方法制作复合材质的磨损状态

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  在相同条件下,纯基体合金、无电磁搅拌下制备的复合材料和电磁搅拌下制备的复合材料3种试样的磨损量都随外加载荷的增加而增大,而且都存在着从轻微磨损到急剧磨损的临界转变载荷(也称磨损量急剧增加的瞬变载荷)。纯基体合金的临界转变载荷约为38.8N,无电磁搅拌下制备的复合材料的临界转变载荷约为58.8N,而有电磁搅拌下制备的复合材料的瞬变载荷约为78.8N.这说明增强颗粒的存在提高了临界转变载荷,延缓了材料从轻微磨损向剧烈磨损的转变,而施加的电磁搅拌又进一步有效地提高了这种增强作用。

  在同一载荷下,纯基体合金、无电磁搅拌下制备的复合材料和电磁搅拌下制备的复合材料3种试样的磨损量依次减少,特别是随着载荷的增加,磨损量的差距增大。比较有、无电磁搅拌下制备的复合材料试样,在载荷低于58.8N时,两试样磨损量的差别不大,但当载荷超过58.8N以后,两试样磨损量差距随载荷的增加而明显加大,说明施加电磁搅拌后,复合材料在较高载荷下的耐磨性大幅度提高。干滑动摩擦试验磨损量与磨损时间的关系为磨损量与摩擦时间的关系曲线。

  由可知,在相同条件下,纯基体合金、无电磁搅拌下制备的复合材料和电磁搅拌下制备的复合材料3种试样的磨损量都随摩擦时间成近似线性地增加,而相同时间内,复合材料的磨损量大大低于纯基体合金,特别是施加电磁搅拌后的复合材料的磨损量进一步降低,这一差别随摩擦时间的延长而更加明显。分析引入增强颗粒Al3Zr,Al2O3提高材料耐磨损性能的原因为:增强颗粒Al3Zr,Al2O3的引入减少了复合材料与对磨件之间的有效接触面积;同时复合材料中的硬质颗粒具有承载属性,当基体磨损后,留下强度高的颗粒承受大部分载荷,阻止软基体的磨损。

  此外,原位生成的增强相颗粒与基体之间的界面润湿性好,结合能力强,抑制了颗粒从基体上脱落而加剧磨粒磨损的倾向;同时,颗粒的存在使材料抵抗粘着和变形的能力增强,从而使复合材料的耐磨性能提高。对于施加电磁搅拌后复合材料试样的耐磨损性能提高的原因,笔者认为,由于金属液内原位生成的增强颗粒相熔点很高(Al3Zr熔点1586℃,Al2O3熔点2046℃),以固相析出并缓慢长大。铸造过程施加电磁搅拌,熔池受到较强烈的搅动,可以促进颗粒相在基体内的均匀分布。同时由于颗粒相为陶瓷相,在磁场中不受电磁力作用,导致颗粒相与金属液之间存在速度差异,金属液对颗粒相的冲蚀作用使得颗粒相显著细化和圆整化,进而提高了颗粒相与基体合金之间的润湿性和结合力,使得颗粒相不易剥落。此外,电磁搅拌下金属液的流动对凝固前沿的冲击作用使初生晶破碎,对基体合金的凝固组织也具有显著的细化作用,这对提高基体耐磨性以及提高颗粒相与基体的结合力也具有很大作用。

  不加电磁搅拌时的复合材料试样的磨损表面较纯基体合金的平整光滑,局部有小的撕裂坑存在。但由于增强颗粒的存在,减少了铝合金基体与对磨件直接接触,因此合金基体上的粘着点减少并被隔开成不连续的点,使得磨损表面粘着撕脱的块度和数量均降低。根据磨损面形貌特征判断该磨损机理为以磨粒磨损为主并少量剥层磨损(颗粒分布较少的区域)。

  施加电磁搅拌得到的复合材料试样的磨损表面较未施加电磁搅拌的试样磨损表面更为平整光滑,无撕裂坑,表面有轮廓清晰的犁沟。这是由于复合材料磨损表面脱落的较硬增强颗粒在摩擦过程中起了磨粒的作用,在较大载荷的作用下压入了复合材料摩擦表面,并沿摩擦方向发生了滑移,从而在磨损表面形成了犁沟。从形貌特征上判断为磨粒磨损。结论复合材料的耐磨损性能比纯基体合金明显提高。施加电磁搅拌后复合材料的耐磨损性能进一步提高,特别是在载荷较大时,耐磨损性能提高幅度更大。纯基体合金为粘着磨损和剥层磨损,不施加电磁搅拌的复合材料的磨损为以磨粒磨损为主和少量剥层磨损,而施加电磁搅拌后的复合材料的磨损为纯磨粒磨损。

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