钛镍合金耐磨性试验研究机械毕业设计

第 0 页 共 40 页毕 业 论 文钛镍合金耐磨性试验研究学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师： 年 月钛镍合金耐磨性试验研究机械设计制造及其自动化第 1 页 共 40 页摘 要钛镍合金是一种性能优异、用途广泛的金属材料。钛镍合金作为一种性能优异的钛合金，具有优良的耐磨性能，它作为骨科内固定器械、义齿等已得到广泛临床应用。钛镍合金具有优良的形状记忆效应和伪弹性”。因为钛镍合金具有优良的耐磨性能，可制成各种连接紧固件、驱动元件等，应用于航天航空领域。但在工业中的应用量远远低于传统金属材料，最主要的原因在于它高昂的价格。因为钛镍合金有如此优秀的耐磨擦性能，我们试着把它与我们使用的零件进行堆积焊来提高零件的使用性能。并且降低我们所需零件的成本。本论文主要是用摩擦磨损实验来测试在零件表面堆焊钛镍合金是否能增加零件的耐磨性能。关键词：钛镍合金，耐磨性，成本第 2 页 共 40 页Wear Resistance of Ti-Ni AlloysAbstractNickel-titanium alloy is an excellent, versatile metal.Titanium-nickel alloy as a high performance titanium alloy with excellent wear resistance, as orthopedic fixation devices, dentures, etc., have been widely clinical application.Nickel-titanium alloy with excellent shape memory effect and pseudo-elasticity. “Because the titanium-nickel alloy with excellent wear resistance, can be made of Fasteners, drive components, etc., used in aerospace fields. But in the Industryis much lower than traditional materials, mainly because of its high price. because titanium-nickel alloy has such excellent abrasion performance, we try it with the accumulation of the parts we use to improve welding performance parts. And reduce the cost of spare parts we need. this thesis is to use friction and wear experiments to test the parts of the surface of titanium-nickel alloy cladding is to increase the wear resistance of parts.Key words: titanium-nickel alloy, wear resistance,cost目 录1 绪论 111 研究背景 .112 研究目的 .21.3 国内外现状 21.4 研究内容 3第 3 页 共 40 页2 实验材料 52.1 试验设备 52.2 试验材料 52.3 摩擦副 62.4 实验夹具 .63 研究方法 84 测试步骤 .104.1 探索性试验 .104.2 试验 .105 试验内容 .115.1 低载荷高转速 .115.1.1 试验条件 .115.1.2 磨损量对比 .115.1.3 摩擦系数对比 .125.2 重载荷低转速 .195.2.1 试验条件 .195.2.2 磨损量对比 .195.2.3 摩擦系数对比 .205.3 重载荷高转速 .245.3.1 试验条件 .245.3.2 磨损量对比 .245.3.3 摩擦系数对比 .256 结论 .27参考文献 .28致谢 .341 绪论11 研究背景 第 4 页 共 40 页钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于航天航空、机械、电子、化工、生物医学等领域。但是钛合金摩擦系数大、耐磨性差，限制了其工程应用。此外，钛合金作为生物材料具有重量轻、无毒等特点，近年来钛在石油化工冶金生物医学和体育用品等领域开始得到应用并己成为新工艺新技术新设备不可缺少的金属材料钛工业进入一个新的发展时期。人类最早发现形状记忆效应是在1932年, O lander 在Au2Cd 合金中发现类橡皮效应, 1949 年苏联Kurdjumov 等人在Cu21417A l2115Ni(质量分数) 合金中发现冷却时马氏体形成并长大, 加热时马氏体收缩至消失, 发生逆相变。直到1963 年美国海军武器试验室W 1J1Bueh ler 在 Ti2Ni 等原子比合金中发现了形状记忆效应才引起了人们的注意。Ti2Ni 合金的真正应用是在20 世纪70年代, 是Raychem 公司制造的“Croyfit”连接套管, 这一应用已经超出了Bueh ler 发现的“NiTianl”范围。因为, 该套管已具备了低温相变特性, 进一步研究还发现T i2N i 合金除具有记忆效应外, 还具有高比强、高疲劳寿命、高阻尼、耐蚀、耐磨等特性。钛镍合金虽然其价格较贵, 也较难加工,但应用仍十分广泛, 主要原因是: 具有优良的形状记忆和超弹性, 单程形状记忆效应和超弹性均可达到 8% , 双程形状记忆效应稳定性好, 当应变小于1% 时, 双程记忆循环次数可达几百万次; T i2N i 合金具有比较好的机械性能, 本质晶粒度很细小, 可以被加工成很细小的丝材和薄板( 100 Lm) , 而Cu 基记忆合金的极限尺寸为 200 Lm; Ti 2N i 合金具有很好的抗腐蚀性和生物相容性 ,符合医学应用要求, 其生物相容性优于不锈钢, 与纯钛相近。钛镍合金虽然其价格较贵, 也较难加工,但应用仍十分广泛, 主要原因是: 具有优良的形状记忆和超弹性, 单程形状记忆效应和超弹性均可达到 8% , 双程形状记忆效应稳定性好, 当应变小于1% 时, 双程记忆循环次数可达几百万次; T i2N i 合金具有比较好的机械性能, 本质晶粒度很细小, 可以被加工成很细小的丝材和薄板( 100 Lm) , 而Cu 基记忆合金的极限尺寸为 200 Lm; Ti 2Ni 合金具有很好的抗腐蚀性和生物相容性,符合医学应用要求, 其生物相容性优于不锈钢, 与纯钛相近。第 5 页 共 40 页钛镍基合金作为一种性能优异的钛合金，具有优良的耐磨性能，它作为骨科内固定器械、义齿等已得到广泛临床应用。骨科器械、义齿等经长期使用后会产生磨损，所产生的磨屑可诱导骨吸收，从而导致其无菌松动和最终失效。人体内的生物摩擦磨损环境非常苛刻，摩擦副的生物力学行为十分复杂，因此，目前使用的钛镍基合金的摩擦学性能仍有待进一步提高以满足使用要求。Ti 2Ni台金是一种新型的性能优异的摩擦学材料，其摩擦学特性主要与相变超弹性有关，快速应变硬化、耐腐蚀及抗疲劳等特性也对合金的耐磨性能有很大帮助。12 研究目的 由于Ni 2Ti合金具有马氏体相变的特性以及较小的弹性模量，从而使其表现出较好的弹性形变协调能力，进而影响其耐磨性能。研究表明，与典型的耐磨材料相比，Ni 2Ti合金具有更加优异的耐磨性，可成为摩擦部件的良好选材，具有很好的工业应用前景。对NiTi合金耐磨损性能的研究已经有10多年历史了，目前国际上对近等原子比NiTi合金的磨损行为进行了大量的研究。证明Ni 2Ti合金具有良好的耐磨损性能。随着我国工业的迅猛发展，对具有高耐磨性的金属材料的需求量很大，但单纯以采用高性能材料的方法成本太高(于是在材料或零件的表面熔敷上一层耐磨金属就成为一种既简单又经济的方法，通常以硬度作为衡量堆焊金属的耐磨性的标准(但近年来的研究表明，堆焊金属的耐磨性和硬度有关，但硬度并不是唯一的影响因素，或者说，硬度并不是影响耐磨性的根本原因(堆焊金属的显微组织、合金元素的种类和含量对堆焊金属的耐磨性都起着重要的作用。用钛镍合金来作为一些零件的堆积焊耐磨材料，即提高了零件自身的耐磨性又节约了制作零件的成本。1.3 国内外现状20世纪70年代以来“形状记忆合金的发展非常迅速“美国日本等相继大量投入“并有大量的文献报道)研究领域包括熔炼加工热处理记忆训练等诸方面)公开的专利就有上万件“合金的种类已达几十种之多“其中EB8AB合金由于具有以上介绍的优良性能“因此倍受人们的青睐“也是研究最早最充分的形状记忆合金。第 6 页 共 40 页美国钛工业起步较早，其规模和技术目前都处在世界领先地位，一开始就注重钛合金材料的基础研究，并以此指导钛合金材料的应用和开发，取得了举世瞩目的成就。第一个实用的钛合金就是1954年美国研制成功的Ti6AI4V合金，由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，而成为钛合金工业中的王牌合金，该合金使用量已占全部钛合金的7585。近年，随着我国国民经济的持续快速发展，人民生活水平不断提高，钛和钛合金材料逐渐进入了民用领域。由钛及钛合金板、管、带、丝、箔、饼、环等加工材和多种金属复合材制成的钛产品，在医疗、体育及眼镜、手表、洗衣机等日用消费品领域得到应用，受到市场的青睐，未来的市场十分巨大。目前，世界上能进行钛工业生产的只有美国、俄罗斯、日本、中国和欧洲的少数国家。而我国具有钛资源的优势，在全球，我国的钛资源占各国之首位。据统计，我国已探明拥有87亿吨的资源储量，是世界己探明储量的60左右。所以，发展钛材制品在我国有着得天独厚的有利条件。特别是近10年来，我国经济的高速发展，人们对物质消费的需求向高档次发展，钛及钛合金开始由航天、航空、国防军工领域逐渐进入到民用消费领域。诸如体育休闲业的钛高尔夫球杆以及钛眼镜架、钛手表、钛自行车等产品，对钛的需求在不断增大。据悉，仅制作高尔夫球头及球杆所消耗的钛已超过1000 t。由于民用领域对钛的需求逐年增长，使我国的钛工业得到较快发展。目前，研制的钛合金已达50多种，列入国家标准的钛和钛合金牌号近30个。一批新型钛合金，其综合性能达到国际同类合金的领先水平，填补了国内空白。我国已经成为世界上继美国、俄罗斯、日本之后，具有完整工业体系和生产能力的世界第4大钛工业国。1.4 研究内容（1）了解钛镍合金的特性、耐磨性的试验方法、原理；对钛镍合金做进一步的了解，对它的耐磨性和各方面特性进行试验，了解试验的方式方法和试验原理。 （2）对用钛镍合金和零件用堆积焊技术焊接起来，并且不能出现气泡；对选用的零件和钛镍合金进行堆积焊，做好堆积焊的各项准备。第 7 页 共 40 页（3）零件进行磨损实验，能否提高零件的耐磨性能；试验时，销固定不动，盘做旋转运动。通过力传感器采集试验过程总摩擦力和载荷的变化，通过位移传感器对试样的总磨损进行测量。2 实验材料2.1 试验设备第 8 页 共 40 页图 2-1 MMW-1A 万能摩擦磨损试验机2.2 试验材料图 2-2 钛镍合金、45 钢标准销2.3 摩擦副第 9 页 共 40 页图 2-3 45 钢图 2-4 棕刚玉+白刚玉第 10 页 共 40 页2.4实验夹具 图2-5 图2-6图2-7第 11 页 共 40 页为了固定摩擦副 所设计的摩擦副的夹具3 研究方法采用的是销盘式试验机进行实验，试验时，销固定不动，盘做旋转运动。通过力传感器采集试验过程总摩擦力和载荷的变化，通过位移传感器对试样的总磨损进行测量。主要用于在滑动条件下，评价材料的摩擦系数和磨损率，研究工况参数对摩擦性能和磨损机理的影响。本实验使用的是测长法，测长法是测量摩擦表面法向尺寸在试验前后的变化来确定磨损量。常用测量长度仪器，如千分尺、千分表、测长仪、万能工具显微镜、读数显微镜等。为了便于测量，往往在摩擦表面人为地做出测量基准，然后以此测量基准来量度摩擦表面的尺寸变化，测量基准是根据试件形状和尺寸，在不影响试验结果的条件下设置的，其形式有：（1）压痕法：压痕法是通过事先在试样表面压出压痕，再根据磨损前后压痕尺寸的变化来计算试样的磨损量。如磨损试验前用维氏硬度计压头在试样表面上打出压坑，如图所示，测出其对角线长度d2，试验后再测出压痕的对角线长度d1，则试验中磨损的深度为：h=(d2-d1)/m。第 12 页 共 40 页图3-1因为压痕过程并非是完全塑性变形, 所以压坑与压头的形状不完全相同。考虑弹性变形的影响应将m 数值增大。当锥面角=136时, 根据经验可按以下数值选取:塑性良好的金属例如铅, 选取m=7; 铸铁, 选取m=7.6 8.2；轴承钢, 选取m=7.78.4。压痕法产生误差的另一个因素是压坑四周形成鼓起, 使表面形状变化，并影响摩擦副的配合性质和磨损测量精度。（2） 切槽法：切槽法测磨损与压痕法十分相似, 用回转刀具刻出月牙形槽，切槽法排除了弹性变形回复和四周鼓起的影响。根据几何关系，切槽宽度和磨损深度的关系为：第 13 页 共 40 页图3-2r-刀刃的回转半径；R-试件的表面曲率半径，平面时R=，凸面用“+”，凹面用“-”。压痕法和切槽法只适用于磨损量不大而表面光滑的试件。由于这两种方法都要局部破坏试件的表层, 因而不能用于研究磨损过程中表面层的组织结构的变化。4 测试步骤4.1 探索性试验45钢标准销与棕刚玉作为摩擦副，进行试验，（暂定）每2分钟，测量销子的长度并做记录，根据磨削量确定测量间隔t。4.2 试验分别选用不同的摩擦副进行试验，每隔t测量试件长度，并做记录，记录摩擦力、摩擦系数等变化曲线。重点观测钛镍合金边界膜破裂时的摩擦系数变化情况。第 14 页 共 40 页5 试验内容5.1 低载荷高转速5.1.1 试验条件采用大销环试验，摩擦副为棕刚玉+白刚玉的混合材料（砂轮），其硬度为L（中硬）、粒度为70目。试验转速300r/min，加载力50N，每2分钟侧一次销子磨损量。5.1.2 磨损量对比第 15 页 共 40 页图 5-1 转速 300r/min、加载力 50N 时磨损量对比从图1可见，在试验转速300r/min、加载力50N时，标准销的单次测量的磨损量远大于钛镍合金的磨损量，标准销试验5次，累计总磨损量为2.72mm，平均磨损量为0.554mm。钛镍合金试验9次，累计总磨损量为1.26mm，平均磨损量为0.14mm。5.1.3 摩擦系数对比（1）标准销的摩擦系数第 16 页 共 40 页（a）（b）第 17 页 共 40 页（c）（d）第 18 页 共 40 页（e）图 5-2 标准销与砂轮在转速 300r/min、加载力 50N 时的摩擦系数a、b、c、d、e-分别代表第一第五次测量曲线红色曲线为摩擦系数变动曲线，从图2可看出，标准销与砂轮在转速300r/min、加载力50N时的摩擦系数波动较大，如图2（c）摩擦系数最小达到了0，而如图2（e）摩擦系数最大达到了1.1。试验现象为销子磨损很快，振动较大，运转不稳定。（2）钛镍合金销的摩擦系数红色曲线为摩擦系数变动曲线，从图3可看出，钛镍合金销与砂轮在转速300r/min、加载力50N时的摩擦系数波动较小，基本在0.350.7之间，随摩擦时间加长摩擦系数有减小趋势，但减小量不是很大。试验现象为销子磨损慢，振动很小，运转稳定。第 19 页 共 40 页（a）（b）第 20 页 共 40 页（c）（d）第 21 页 共 40 页（e）（f）第 22 页 共 40 页（g）（h）图 5-3 钛镍合金销与砂轮在转速 300r/min、加载力 50N 时的摩擦系数ae-分别代表第一第 8 次测量曲线第 23 页 共 40 页（3）标准销与钛镍合金销的摩擦系数对比分析结论销子磨损很快，运转稳定性差，摩擦系数波动较大；钛镍合金耐磨性强，性能稳定，运转稳定，摩擦系数稳定，起动时，冲击振动小。 5.2 重载荷低转速5.2.1 试验条件采用大销环试验，摩擦副为棕刚玉+白刚玉的混合材料（砂轮），其硬度为L（中硬）、粒度为70目。试验转速200r/min，加载力150N，每5分钟侧一次销子磨损量。5.2.2 磨损量对比图 5-4 转速 200r/min、加载力 150N 时磨损量对比从图4可见，在试验转速200r/min、加载力150N时，标准销的单次测量的磨损量远大于钛镍合金的磨损量，标准销试验3次，累计总磨损量为3.06mm，平均磨损量为1.02mm。试验过程中，由于磨损量过大，满载摩擦过程大约只有1分钟左右（如图5），因此，标准销在大载荷、低转速下磨损很快。钛镍合金试验5次，累计总磨损量为2.22mm，平均磨损量为0.44mm。这里还需注意，第五次为边界膜破裂时（如图6e），所以第五次磨损量较大。第 24 页 共 40 页5.2.3 摩擦系数对比（1）标准销的摩擦系数红色曲线为摩擦系数变动曲线，从图5可看出，标准销与砂轮在转速200r/min、加载力150N时的摩擦系数波动非常大，如图5，从0到1.1大幅波动。试验加载力也很快减小。试验现象为销子磨损非常快，振动较大，运转很不稳定。（a）第 25 页 共 40 页（b）（c）图 5-5 标准销与砂轮在转速 200r/min、加载力 150N 时的摩擦系数a、b、c-分别代表第一第三次测量曲线第 26 页 共 40 页（2）钛镍合金销的摩擦系数（a）（b）第 27 页 共 40 页（c）（d）第 28 页 共 40 页（e）图 5-6 钛镍合金销与砂轮在转速 200r/min、加载力 150N 时的摩擦系数ae-分别代表第一第五次测量曲线红色曲线为摩擦系数变动曲线，从图6可看出，钛镍合金销与砂轮在转速200r/min、加载力150N时的摩擦系数非常平稳，只有在边界膜破裂时出现了大幅波动（如图6e）。试验加载力也很稳定，边界膜破裂后试验力很快减小。试验现象为销子磨损小，运转稳定，振动小。5.3 重载荷高转速5.3.1 试验条件采用大销环试验，摩擦副为45钢（未热处理），表面粗糙度6.3。试验转速500r/min，加载力150N，每5分钟侧一次销子磨损量。实际由于发热严重，标准销只进行了一次试验，钛镍合金销进行了两次试验。5.3.2 磨损量对比在试验转速500r/min、加载力150N时，摩擦副为45钢（未热处理）时标准销第 29 页 共 40 页的单次测量的磨损量为0.2mm，钛镍合金的单次测量的磨损量几乎为零，累计总磨损量也几乎为0，由此看出钛镍合金的耐磨性非常好。5.3.3 摩擦系数对比（1）标准销的摩擦系数摩擦系数基本稳定，运转不稳定，振动大，发热严重，环表面出现胶合，销子表面烧焦。 图 5-7 标准销与 45 钢在转速 500r/min、加载力 150N 时的摩擦系数（2）钛镍合金销的摩擦系数摩擦系数基本稳定，前5分钟，振动小、运转平稳，由于销子表面有凸起，划伤配对副，发热小；后5分钟振动稍大，发热加剧，销子未现烧焦。