低温高韧性铜镍合金制备及其组织性能研究

发布时间：2018-03-07 18:29

本文选题：铜镍合金　切入点：热加工图　出处：《北京有色金属研究总院》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：耐磨铜合金由于其优良的耐磨特性被用于制作齿轮、轴瓦、密封圈、液压泵摩擦副、轴承等零部件,广泛应用在航空航天、军事、石油化工、交通运输等领域。国内外对常温下应用的耐磨铜合金,已形成了复杂黄铜、锡青铜、铝青铜等工业化系列产品;与此同时,一些铜镍白铜合金也用来制作某些高强耐磨类零件。近些年来,随着现代航空航天等领域的飞速发展,对耐磨铜合金在低温环境条件下的综合力学性能,尤其是低温冲击韧性提出了越来越高的要求。据国外报道,热加工态铜镍合金在液氮温度下的冲击功最高可达100J,而国内对铜镍合金低温冲击韧性方面尚未公开报道。因此,研发一种在低温下具有高冲击韧性的铜镍合金具有重要的意义。为了选取适当的热加工工艺参数,研制开发出具有综合性能优越的铜镍合金,本文采用热模拟机进行热压缩试验,结合金相观察,对Cu-Ni30-Fe-Mn-Zn铜镍合金的高温热变形行为、显微组织演变及高温变形软化机制进行了研究。并根据耗散结构理论,基于动态材料模型建立了铜镍合金的热加工图,分析了其高温变形特性。根据热加工图确定了铜镍合金的热锻工艺参数,制备出一种低温超高韧铜镍合金。主要结论如下:(1)铜镍合金的流变应力随着变形温度的升高而降低,随着应变速率的增大而增大;并且相比变形温度,应变速率对流变应力行为的影响更加显著。热变形所需要的激活能为327.128kJ/mol。变形过程中的流变应力与应变速率、变形温度及应变之间的关系可以用Zener-Hollomon参数描述,实测应力与计算应力的相对误差在±8%以内,表明本构方程能较好地描述Cu-Ni30-Fe-Mn-Zn合金的高温流变行为。(2)基于动态材料模型建立了 Cu-Ni30-Fe-Mn-Zn合金的热加工图。热加工图的变化反映了在热变形过程中,应变速率、变形温度都对Cu-Ni30-Fe-Mn-Zn合金的变形过程产生显著的影响。结果表明Cu-Ni30-Fe-Mn-Zn合金的失稳区主要集中在低应变速率区域,同时随着应变程度增大,失稳区域逐渐增大,并由高温区向低温区迁移。在应变速率是0.01s-1时,随着温度的升高,再结晶晶粒数量增多,尺寸逐渐长大,在温度为900℃时,再结晶晶粒尺寸最均匀;当温度升至950℃后,晶粒发生长大。结合热加工图及显微组织分析得出合金的最佳的热变形参数:变形温度为830～950℃,应变速率为0.01-0.056S-1。(3)根据热加工图结果,采用三镦三拔工艺对铜镍合金进行热锻,始锻温度为1050℃,终锻温度为850℃,应变速率为1s-1。经实验验证,所制备的热锻态Cu-Ni30-Fe-Mn-Zn合金具有非常优异的冲击韧性,其室温冲击功Akv值高达278J,液氮温度冲击功Akv值高达260J,为传统耐磨铜合金冲击功数值的5倍以上。另一方面,该热锻态铜镍合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率在室温下分别为395MPa、240MPa、43%,在液氮温度下分别为 575MPa、395MPa、55%。(4)实验表明,热锻态Cu-Ni30-Fe-Mn-Zn合金属于不可热处理强化型合金。该合金经900℃固溶2h之后,晶粒尺寸变得均匀,合金的抗拉强度和屈服强度分别降至376MPa和138MPa,延伸率变化略有升高,为46.8%;室温和液氮温度下的冲击功分别降至266J和232J,低温下冲击功的下降幅度更大。在进行时效处理时,时效处理的热锻态Cu-Ni30-Fe-Mn-Zn合金的硬度、强度、延伸率和冲击功与固溶态合金的性能相似,时效时间与温度对材料性能影响均不大。热锻态Cu-Ni30-Fe-Mn-Zn合金在直接浸入液氮中深冷处理不同时间之后,晶格常数变小,硬度值有小幅的提高,但不是时间越长硬度越高;合金在低温下具有较好的尺寸稳定性。(5)Cu-Ni30-Fe-Mn-Zn合金在干摩擦情况下,摩擦系数为0.74;加入MoS2润滑剂后摩擦系数降至0.12,说明润滑剂有很好的润滑作用。Cu-Ni30-Fe-Mn-Zn合金的磨痕很宽,出现大面积的塑性变形、片状剥落,属于严重的粘着磨损,同时伴有轻微的磨粒磨损。在MoS2润滑摩擦条件下,铜镍合金的磨痕变得较窄较浅,呈现犁沟形貌,属于轻度粘着磨损。
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【学位授予单位】：北京有色金属研究总院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG146.11

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