機(jī)械外文文獻(xiàn)翻譯-高壓水射流技術(shù)對Al-Si合金的表面處理和摩擦學(xué)性能的影響 【中文4560字】【PDF+中文WORD】
機(jī)械外文文獻(xiàn)翻譯-高壓水射流技術(shù)對Al-Si合金的表面處理和摩擦學(xué)性能的影響?【中文4560字】【PDF+中文WORD】,中文4560字,PDF+中文WORD,機(jī)械,外文,文獻(xiàn),翻譯,高壓,水射流,技術(shù),Al,Si,合金,表面,處理,摩擦,性能,影響,中文,4560,PDF,WORD
【中文4560字】
表面工程材料與先進(jìn)技術(shù)雜志,2011,1,112-120
doi:10.4236 / jsemat.2011.13017在線發(fā)布2011年10月(http://www.SciRP.org/journal/jsemat)
高壓水射流技術(shù)對Al-Si合金的表面處理和摩擦學(xué)性能的影響
馬其頓,伊斯蘭教1 *,Zoheir Farhat1,Jonathon Bonnell2
加拿大哈利法克斯Dalhousie大學(xué)過程工程與應(yīng)用科學(xué)系; 2Vector Aerospace,Engine Serve - Atlantic,Summerside,Canada。
電子郵件:*Md.Aminul.Islam@Dal.Ca,Zoheir.Farhat@Dal.Ca
收到2011年6月27日; 2011年8月3日修訂; 接受2011年8月16日。
概要
高壓噴水技術(shù)的最新發(fā)展,將過程作為表面處理的手段。噴水技術(shù)提供清潔,切割,加工以及潛在的表面性能改進(jìn)。通過調(diào)整工藝參數(shù),可以在輪廓保持不變的同時(shí)改變表面特性。在本研究中,采用噴水技術(shù)對Al-Si合金進(jìn)行表面處理,研究其對摩擦學(xué)性能的影響。使用往復(fù)式球?qū)ζ矫娼Y(jié)構(gòu),對AISI 52100軸承鋼球進(jìn)行干滑動磨損行為研究。光學(xué)顯微鏡檢查顯示,谷物的犁耕,裂隙的跨越和晶間傳播;是在噴水處理過程中材料被去除的機(jī)理。另一方面,磨損軌跡的SEM觀察顯示,在磨損過程中,塑性變形和分層是主要的磨損機(jī)制。將水噴射處理與熱等靜壓相比,對Al-Si合金的耐磨性和表面孔隙率的影響進(jìn)行了比較。已經(jīng)發(fā)現(xiàn),熱等靜壓力減少了硬度下的孔隙總量,而噴水處理產(chǎn)生了具有較高硬度和壓縮殘余應(yīng)力的壓縮表面,最終提高了耐磨性。
關(guān)鍵詞:摩擦學(xué),高壓噴水處理,孔隙度,表面處理,XRD,往復(fù)磨損
一,簡介
近年來,為了滿足生產(chǎn)和維護(hù)的要求,高壓噴水技術(shù)的使用成為廣泛接受的做法。瓦斯噴氣技術(shù)提供清潔,機(jī)械加工,表面處理和切割材料。這種方法可以進(jìn)行粗糙化和拋光。因此,對工程表面的預(yù)處理非常好。在過去幾十年中,噴水技術(shù)涵蓋了以下應(yīng)用:從航空工業(yè)的飛機(jī)上清除油漆,油脂,污垢;防止泵氣蝕;從高壓釜容器中清除水泥唇,結(jié)垢,石灰,固化粉塵;去除化學(xué)工業(yè)中磨損的保護(hù)涂層,結(jié)垢,固化材料;電子工業(yè)半導(dǎo)體框架清洗;去除鋼渣的焊渣,水垢,軋機(jī)規(guī)和生銹;水射流切割;無磨損噴水機(jī)無震動等[1-11]。
常規(guī)的噴水技術(shù)已經(jīng)被使用了
通過將研磨材料混合到輸送研磨材料以沖擊基底的水中進(jìn)行切割和拋光。另一方面,高壓水射流可以產(chǎn)生沒有研磨材料的壓縮表面層,而組分的芯保持不變。由于可能的加工硬化,殘余應(yīng)力和表面孔隙率的降低,新表面層“三層”預(yù)期具有增強(qiáng)的摩擦學(xué)性能。因此,噴水處理可能是改進(jìn)表面性能的有效技術(shù)。
鋁硅基合金由于其高強(qiáng)度重量比而受到重視。部件重量的減少對動力系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生重大影響。另外,據(jù)報(bào)道,這些合金具有相當(dāng)高的耐磨性。 Al-Si合金的耐磨性取決于許多材料相關(guān)參數(shù),即除了使用條件之外,微型組分的尺寸,形狀,組成和分布[12-16]。寶石是燒結(jié)Al-Si合金的常見特征
高壓噴水技術(shù)用于Al-Si合金的表面處理和113
摩擦學(xué)性質(zhì)的反思
強(qiáng)烈影響其性能和應(yīng)用。通??紫兜拇嬖诎殡S著材料的強(qiáng)度,延性和耐磨性的降低[17]。不僅孔隙的總體積百分比影響性質(zhì)的降解,而且孔隙的大小,形狀和互連性也起著重要的作用[18-20]。同時(shí),這些材料的機(jī)械表征的初步嘗試集中在靜態(tài)測試。然而,為了在新的應(yīng)用中使用這些材料,它們的動態(tài)特性必須被仔細(xì)評估。近年來,在許多研究中已經(jīng)研究了疲勞行為。還研究了孔對循環(huán)載荷下裂紋起始和擴(kuò)展的影響[21,22]。通過各種實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了水噴射噴丸對提高耐疲勞性能的影響,被證明是防止結(jié)構(gòu)部件疲勞的有效技術(shù)[23-25]。
本研究的目的是評估采用高壓噴水技術(shù)進(jìn)行Al-Si合金表面處理的潛力,以提高汽車和航空航天應(yīng)用的耐磨性。
2.實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)
為了獲得孔隙度的均勻分布,使用粉末冶金法制備樣品。將兩種粉末(即Al-Si母合金和Al-Mg母合金)混合以產(chǎn)生以下合金組成; 88.8重量%的Al,6.0重量%的Si,4.5重量%的Cu,0.5重量%的Zn,0.2重量%的Fe。將Lico蠟C用作壓制潤滑劑。樣品在100,200和600MPa下壓制,并在管式爐中在氮?dú)獯嬖谙略?600℃下燒結(jié)20分鐘,然后緩慢冷卻至4800℃。樣品的綠色和燒結(jié)密度按照與MPIF標(biāo)準(zhǔn)42 [26]并列在表1中。對于微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn),使用240,320,400和600粒度的SiC砂紙將樣品切割,安裝和研磨,然后用1μm,0.3 μm和0.05μmgama氧化鋁懸浮液。奧林巴斯BX51研究顯微鏡配備了明場目標(biāo),用于分析高分辨率下的微觀結(jié)構(gòu)。
表1.燒結(jié)Al-6重量%Si合金的基本性能。
標(biāo)本綠色密度
(g / cc)燒結(jié)密度
(克/立方厘米)
按100 MPa 2.11 2.33
按200 MPa 2.29 2.46
按600 MPa 2.58 2.6
使用高壓水噴射進(jìn)行噴水處理。該系統(tǒng)能夠采用噴水超聲脈沖進(jìn)行更強(qiáng)烈的處理。使用超聲波系統(tǒng)進(jìn)行幾次測試。在實(shí)驗(yàn)過程中,樣本被單獨(dú)安裝在噴水罩內(nèi)的轉(zhuǎn)臺上。將具有不同孔隙率(100,200和600MPa)的樣品在四個(gè)不同壓力,34,48,55和70MPa下進(jìn)行水噴射,使用孔徑為1.6mm的噴嘴。噴嘴和樣品之間的間距為25,64,76mm,平移速度為25,
50,150和250 mm / s。
使用圖像分析軟件計(jì)算樣品的表面孔隙率。拍攝一系列圖像以覆蓋樣品的整個(gè)表面積?;谂c矩陣相比,它們的灰度強(qiáng)度差異確定了孔隙度。選擇灰度閾值設(shè)置以允許孔隙度的獨(dú)立檢測,使用在孔隙率和矩陣之間來回切換的“閃爍方法”。第二相顆粒和枝晶可以計(jì)算為孔隙率,因?yàn)樗鼈兊幕叶燃壟c孔隙度相似。設(shè)置灰度閾值以及邊界條件(即縱橫比,最小半徑和面積)以避免第二相粒子和枝晶。選擇計(jì)數(shù)方案來校正邊緣效應(yīng),使得橫跨場邊界的孔隙度僅被計(jì)數(shù)一次[27]。對于每個(gè)場,通過將檢測到的孔隙率除以測量場的面積來測量檢測到的孔隙率的面積分?jǐn)?shù)。表2中給出了表面孔隙度值。
表2.燒結(jié)Al-Si合金的表面孔隙率。
未經(jīng)處理
HIP后
噴水
樣品%
表面孔度
平均孔徑(μm)
表面積
平均孔徑(μm)
表面
孔隙率%
平均孔徑(μm)
壓力為100 MPa
MPa
6.71 ± 0.01
82.4
2.13 ± 0.01
34.6
9.14± 0.01
5.33 ± 0.01
86.5
壓力為200 MPa
MPa
4.22 ± 0.01
70.2
1.34 ± 0.01
23.5
4.37 ± 0.01
3.65 ± 0.01
73.2
壓力為600 MPa
MPa
2.35 ± 0.01
46.9
0.75 ± 0.01
20.4
3.80 ± 0.01
1.97 ± 0.01
48.8
114高壓噴水技術(shù)用于Al-Si合金的表面處理
摩擦學(xué)性質(zhì)的反思
微量顯微硬度計(jì)用于測量樣品的顯微硬度。這是為了評估噴水處理對Al-Si合金的亞表面性能的影響。在該測試方法中,使用金剛石壓頭和15g負(fù)荷進(jìn)行維氏硬度測量。使用裝備有絲狀目鏡的光學(xué)顯微鏡測量壓痕的尺寸。將HV測量作為來自處理過的表面的深度的函數(shù)。
為了測量作為高壓水射流處理的結(jié)果而引起的殘余應(yīng)力,采用X射線峰拓寬衍射技術(shù)。在從76mm間距和150mm / s平移速度的48MPa下超聲波處理的樣品上進(jìn)行X射線衍射(XRD)實(shí)驗(yàn),使用Cu-Kα輻射的高速Bruker D8 Advance系統(tǒng)波長(λ)為1.54?,管電壓為40 KV,管電流為40 mA。選擇最強(qiáng)的四個(gè)峰(即(111),(200),(220)和(311)),以緩慢掃描0.02?/秒。使用EVA軟件包分析XRD峰的整體寬度。針對Kα2輻射的影響校正峰,并且去除背景。使用相同合金的標(biāo)準(zhǔn)無應(yīng)力的Al來測量儀器展寬。數(shù)據(jù)按照Williamson-Hall方法進(jìn)行處理[28]。衍射峰的整體寬度(即峰/峰高的總面積)可以表示為
Bobs = Bins + Bsize + Bε(1)
這里Bsize和Bε是晶粒尺寸和微應(yīng)變
對觀察到的峰值拓寬鮑勃的貢獻(xiàn)。 在無壓力狀態(tài)下,箱子是峰值的擴(kuò)大,是指儀器的貢獻(xiàn)。 通過Scherrer方程[23],等式大小't'與Bsize相關(guān),
其中,d為面間距。 將式(2)和(3)代入(1)
使用Universal Micro-Tribometer進(jìn)行干式往復(fù)磨損試驗(yàn)。該測試方法使用球上樣品,其行程長度為5.03mm,以平滑的下部樣品以線性,前后滑動運(yùn)動。所有試驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行,相對濕度為40-55%。負(fù)載通過球形試樣向下施加在安裝在往復(fù)式驅(qū)動器上的扁平試樣上。測試儀允許在測試期間監(jiān)測磨損軌跡的動態(tài)正常負(fù)載,摩擦力和深度。使用具有HRA 83硬度的6.3mm直徑的AISI 52100軸承鋼球作為反面材料。球安裝在球保持器內(nèi),球保持器直接連接到懸架系統(tǒng),懸架系統(tǒng)又連接到在測試期間控制和記錄力的負(fù)載傳感器。在每次磨損試驗(yàn)之前和之后測量樣品的重量,以確定選定時(shí)間間隔內(nèi)的個(gè)體體重減輕。 10 N正常負(fù)載和15 Hz頻率三個(gè)不同的時(shí)間間隔(10分鐘,45分鐘和90分鐘)。磨損試驗(yàn)后,使用光學(xué)和掃描電子顯微鏡檢查磨損曲面的磨損表面和橫截面以確定可能的磨損機(jī)制。
3.討論與結(jié)論
孔的大小,形狀和數(shù)量很大程度上取決于加工參數(shù)。所有的標(biāo)本都是在相同的燒結(jié)條件下燒結(jié),壓縮壓力起決定作用,開采孔徑,形狀和數(shù)量。增加壓實(shí)壓力會降低孔隙度并減小孔徑,而孔隙形狀從大的不規(guī)則變化到小的圓形。表面孔隙率百分比范圍為6.71%至2.35%,平均孔徑分別為82.4μm至46.9μm,范圍為Al-Si合金粉末的壓實(shí)壓力升高(表2)。表面孔隙率的低標(biāo)準(zhǔn)偏差表示孔隙度的均勻分布是布拉格的角度。而微應(yīng)變在整個(gè)結(jié)構(gòu)。減輕有害的
可以從孔隙度的影響,樣品經(jīng)受熱等溫靜壓(HIP)處理。 HIP產(chǎn)生了表面孔隙度約為68%
60%孔徑。另一方面,當(dāng)燒結(jié)的Al-Si合金經(jīng)受高壓水射流(使用70MPa壓力,64mm距離和25mm / s)時(shí),發(fā)現(xiàn)增加了36%,4 %和61%,緊湊壓力下的表面孔隙率為100,200和600
MPa。此外,噴水處理后的平均孔徑增加約4.3%。雖然地下區(qū)域的孔隙率降低了約16%(距表面22±3μm)。
經(jīng)過噴水處理。還發(fā)現(xiàn)經(jīng)處理的表面表現(xiàn)出高的粗糙度。表面和表面之間的孔隙度和孔隙尺寸的差異(表2)歸因于表面粗糙度高時(shí)測量表面孔隙度的困難。因此,近表面孔隙率是孔隙度的數(shù)量和尺寸的更好的指標(biāo)。
在噴水過程中,射流壓力,間距和平移速度對最終表面性能有重要影響。
在噴水處理期間,水射流以相對高的速度撞擊表面,這導(dǎo)致顯著的材料損失。材料損失量隨著噴水壓力的增加而增加。圖1示出了表示噴水處理后的表面損傷的代表性圖像。在這種特殊情況下,在100MPa下壓實(shí)的試樣經(jīng)受從25mm間隔距離以50mm / s平移速度操作的55MPa噴射壓力,揭示了大約900μm的材料去除深度。圖像右上角的插入(圖1)顯示了進(jìn)行深度測量的位置。
光學(xué)顯微鏡檢查顯示,在水射流處理過程中,晶粒的剝落,晶粒的晶粒間裂紋擴(kuò)散,結(jié)果脫落和脫落,是去除材料的機(jī)理。圖2(a) - (e)示出了在600MPa下壓實(shí)的試樣的交叉部分,并且在34MPa下以250mm / s的平移速度和64mm的間距距離進(jìn)行超聲波處理。在圖2(a)中,顯示了通過顆粒傳播的晶粒內(nèi)裂紋,而圖2(b)顯示出部分顆粒破裂。還觀察到水噴射沿著晶界滲透促進(jìn)晶間裂紋(圖2(c))。這導(dǎo)致如圖2(d)所示的谷物的拉出。圖2(e)顯示了沿著噴水路徑的顆粒的擴(kuò)散。
另一方面,SEM的表面觀察表明,水射流壓力導(dǎo)致表面下方的孔隙塌陷。圖2(f)示出了在100MPa下壓實(shí)的樣品的SEM圖像,并且以76mm的間距和150mm / s的平移速度在48MPa下進(jìn)行超聲波處理。從圖中觀察到,由于水射流產(chǎn)生的壓力,似乎是表面下的孔隙度塌陷,因此產(chǎn)生低孔隙度的地下“三層”。
為了研究噴水處理對硬度的影響,根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了一系列顯微硬度測量[30]。在三個(gè)不同的深度處,在處理表面以下17±3,122±5和1000±5μm處測量硬度。圖3顯示了在100MPa壓實(shí)的樣品表面以下的不同滲透率下的硬度變化,并以50mm / s的平移速度從25mm的間隔距離以55MPa的噴水壓力處理。圖中的每個(gè)硬度值代表10次測量的平均值。從圖中可以看出,硬度逐漸離開處理過的表面。
與表面約1mm的賤金屬的硬度相比,表面附近的硬度增加約15%。據(jù)認(rèn)為,由于高壓水射流處理的結(jié)果,所觀察到的靠近表面的硬度上升是由于加工硬化效應(yīng)。
圖4顯示了作為代表性峰的標(biāo)準(zhǔn)和水噴射處理的樣品的疊加的XRD衍射峰。應(yīng)該注意的是,未經(jīng)處理的樣品沒有觀察到峰的擴(kuò)大和篩選。所有掃描峰的XRD僅略微擴(kuò)大,但在噴水處理后顯著偏移到右側(cè)。根據(jù)峰值加寬計(jì)算,發(fā)現(xiàn)經(jīng)處理的樣品的微觀應(yīng)變?yōu)?0×10-5。可以看出,微量白蛋白分析產(chǎn)生的殘留應(yīng)力為7MPa(即,
sres=eE,其中,E = 70 GPa [31])。另一方面,從峰值位移計(jì)算的宏觀應(yīng)變(均勻應(yīng)變)為6×10-4,
殘余應(yīng)力計(jì)算為42MPa。測量的宏觀應(yīng)變,因此相關(guān)的殘余應(yīng)力是壓縮的,因?yàn)榉逯灯圃谟疫叄ǖ礁叩牟祭窠牵H缭赬RD衍射方法中,只有平行于表面的平面有助于測量的強(qiáng)度,平行于表面的晶體面由于噴水處理而受壓縮。測量的壓縮殘余應(yīng)力促進(jìn)了表面和近表面孔的閉合,從而提高了“三層”的硬度,并延緩了磨損期間的裂紋開始和傳播。
為了研究燒結(jié)的磨損性能。
116高壓噴水技術(shù)用于Al-Si合金的表面處理
摩擦學(xué)性質(zhì)的反思
圖1.由于55MPa水噴射壓力,25mm間隔距離和50mm / s平移速度引起的表面損傷。
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