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W-20Cu 钨铜合金高温高速摩擦磨损试验

来源:   发布时间:2020-05-26   点击量:149

钨铜合的特性及应用

      钨铜复合材料是以W、Cu为主的一种不互溶高比重假合金(peseudo-alloy)。

      因其同时具有W和Cu的杰出特性,比如:耐高温性、耐电弧烧蚀性、易切削加工、强度高、比重大、导电导热性好、具有发汗冷却特性,在机电(超高压电触头材料和电极材料等)、电子(基片、连接件和散热元件等电子封装材料和热沉材料)、冶金(精密轧机组椭圆孔型导卫等)、军事和航空航天等工业(电磁炮的导轨材料和火箭发动机喷咀鼻锥等)等方面拥有较为广泛的应用,市场需求非常广泛正是因为钨的高熔点使钨铜复合材料具备了突出的耐高温性能,美国在20世纪60年代起就将其作为电磁炮的导轨材料、燃气舵及火箭导弹上的喷管喉衬等高温部件。

      

      该材料耐高温的原理是当燃气温度接近甚至高出金属W的熔点时(>3400℃),钨铜复合材料因其所含铜的蒸发吸走大批热量,导致钨铜部件的表面区域温度显著下降,从而能达到普通材料没法承受的高温服役环境,高温钨铜复合材料在军事国防航天领域的研究和应用也正在巨幅增加。钨铜材料如果用作航天科技及军事国防材料,必须具有很高的可靠性,这对材料性能提出了更严苛的要求,特别是高温燃气中的强度、烧蚀性能以及摩擦磨损性能等。

      钨铜复合材料因其高硬度、高强度、导热导电性好等优良性能被用作电磁炮导轨材料及高压开关触头材料。在实际使用过程中,材料常常处于热、力、电多场耦合的严酷工况下,服役条件下材料的力学性能及微观组织演变直接关系到零件的使用寿命和服役安全性。以往研究集中在钨铜材料的制备和导电等性能上,而对于钨铜材料的摩擦磨损行为鲜有关注. 

      

      基于此,赫达公司选用W-20Cu复合材料分别与45钢和7075Al进行配副,系统研究了高温、高速干摩擦条件下钨铜复合材料及配副材料的摩擦磨损行为、机理及组织演变。赫达公司首先分析了高速条件下,不同退火态钨铜材料摩擦磨损性能及其行为。结果发现,

     1、在750~950℃温度范围内,当保温时间为1h时,随着退火温度的升高,钨铜复合材料的导电率、硬度和密度变化趋势相同,均先升高再下降。

     2、当退火温度分别为800℃和900℃时,随着保温时间的延长,硬度先升高后降低,导电率降低。800℃×0.5h时导电率达到峰值,为47.32%IACS。900℃×1h时硬度达到峰值,为285HB。退火处理后W-20Cu/45钢摩擦系数以及钨铜材料的磨损率与处理前相比均有所降低。

     3、W-20Cu/45钢硬度差值在60~90HB时,摩擦系数较低,最低值为0.09。不同退火态W-20Cu/45钢磨损机制为氧化磨损和粘着磨损。

     4、在温度50~300℃内,选择W-20Cu复合材料与45钢对磨,随环境温度的升高,摩擦系数先升高再下降,温度超过200℃钨铜材料磨损率剧烈上升。分析表明,速度100r/min时,W-20Cu/45钢磨损机制主要为磨粒磨损和氧化磨损。当速度超过100r/min时,W-20Cu/45钢磨损机制主要为疲劳磨损、磨粒磨损和氧化磨损。

     5、在室温环境下,载荷400~800N范围内,随着载荷升高,对磨盘45钢磨损率变化不大,钨铜材料磨损率剧烈上升,产生大量片状磨屑。W-20Cu/45钢摩擦系数随着载荷的升高而升高。在重载条件下,W-20Cu/45钢磨损机制为磨粒磨损、剥落磨损为主,粘着磨损为辅。

     6、高速滑块式摩擦磨损试验摩擦速度为26~57m/s,试验结果表明,在高速环境下,W-20Cu/45钢磨损机制和W-20Cu/7075Al磨损机制均为粘着磨损和磨粒磨损。随着摩擦速度增加,W-20Cu/45钢和W-20Cu/7075Al的摩擦系数均是随着滑动速度的升高而降低,钨铜材料的磨损率随滑动的速度增高而降低

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