模锻参数对铝基复合材料汽车连杆耐磨性能的影响.pdf

第43卷第2期Vol． 43 No． 2FORGING 2．广东海洋大学机械与动力工程学院,广东湛江524088;3.电子科技大学中山学院机电工程学院,广东中山528402)摘要:采用不同的锻压温度、锻压力和锻压比,进行了石墨烯增强铝基复合材料汽车连杆的锻压成形,并进行了耐磨损性能的测试与分析。结果表明:随锻压温度从350 ℃增加至500 ℃,锻压力从4 kN增加至10 kN,锻压比从8． 6增加至23． 2,石墨烯增强铝基复合材料汽车连杆的耐磨损性能均先提高后下降。与锻压温度350 ℃相比,锻压温度425 ℃使试样的磨损体积减小46 %;与锻压力4 kN相比,锻压力8 kN使试样磨损体积减小39 %;与锻压比8． 6相比,锻压比15． 4使试样的磨损体积减小41 %。通过结果分析可知,石墨烯增强铝基复合材料汽车连杆的锻压温度、锻压力和锻压比分别优选为425 ℃、 8 kN和15． 4。关键词:石墨烯增强铝基复合材料;汽车连杆;锻压工艺;耐磨损性能;锻压比DOI: 10． 13330/j． issn． 1000-3940． 2018． 02． 027中图分类号: TG316 文献标识码: A 文章编号: 1000-3940 (2018) 02-0162-04Influence of die forging parameters on wear resistance of automobile connectingrod for aluminum matrix compositeYu Suoqing1, Zhao Juan2, Ni Liyong3(1. Department of Mechanical and Electrical Engineering, Xingtai Polytechnic College, Xingtai 054000, China; 2 School ofMechanical and Power Engineering, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China; 3. Department of Mechanical andElectrical Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Zhongshan Institute, Zhongshan 528402, China)Abstract: The forging process of automobile connecting rod for graphene reinforced aluminum matrix composite was conducted with variousforging temperatures, forging forces and forging ratios, and their wear resistance was tested and analyzed. The results show that the wearresistance of automobile connecting rod for graphene reinforced aluminum matrix composite increases first and then decreases with the in-creasing forging temperature from 350 ℃ to 500 ℃, forging force 4 kN to 10 kN and forging ratio from 8． 6 to 23． 2 respectively. Com-pared with forging temperature 350 ℃, forging force 4 kN and forging ratio 8． 6, the wear volume reduces 46%, 39% and 41 % at forg-ing temperature 425 ℃, forging force 8 kN and forging ratio 15． 4. The analysis of result shows that the optimized forging temperature,forging force and forging ratio are 425 ℃, 8 kN and 15． 4 respectively.Key words: graphene reinforced aluminum matrix composite; automobile connecting rod; forging process; wear resistance; forging ratio收稿日期: 2017 -08 -22;修订日期: 2017 -11 -29基金项目:广东省自然科学基金资助项目(1614050000138)作者简介:于锁清(1979 - ),男,硕士,副教授E-mail: 17522159@ qq． com通讯作者:倪利勇(1977 - ),男,博士,副教授E-mail: 122425950@ qq． com汽车连杆是汽车发动机极其重要的连接零部件[1]。其作用是连接活塞和曲轴,令活塞可以从直线的往复运动转变成曲柄的旋转运动,进而传递动力[2 -3]。连杆在实际的运作中,会承受到较强烈的拉伸、冲击、压缩等多种载荷力,工作环境较为苛刻,因此,要求连杆必须具备高刚度、高强度、耐疲劳等较好的综合性能,才能满足人们对汽车性能越来越高的要求[4]。近年来,环境和能源的恶化使得汽车的轻量化、节能减排等受到越来越多的关注和重视,铝基、镁基、钛合金等金属基新型复合材料由于轻质、环保、性优等优势而被广泛地应用于汽车各零部件的生产加工[5 -6]。连杆的性能和质量不仅与使用材料有关,还与其加工工艺密切相连,复合材料连杆在制备加工上常会用到铸造和锻压等加工方式,而锻压成形是连杆的最为主要的加工方式[7]。现阶段关于汽车连杆的模锻设备、锻模设计万方数据与模拟研究较多,而关于新型模锻参数对汽车连杆,尤其是新型复合材料汽车连杆的耐磨损性能的影响研究还较为鲜见。为此,本文采用不同的锻压工艺对石墨烯增强铝基复合材料汽车连杆进行了研究,优化了石墨烯增强铝基复合材料汽车连杆的性能,为新型复合材料汽车连杆的锻压工艺优化提供了新的参考思路和数据。1 试验条件与方法1． 1 试样材料与制备方法试样材料是汽车连杆用石墨烯增强铝基复合材料。其化学成分用EDX1800C型射线荧光光谱仪进行测试分析,具体成分如表1所示。在50 kg中频感应电炉内进行石墨烯增强铝基复合材料的熔炼,并调整合格的成分进炉,充分进行机械搅拌,以促进石墨烯的均匀分布,脱氧以后,温度升至1600 ℃出炉,然后再制备汽车连杆毛坯。锻压坯料为石墨烯增强铝基复合材料方形料,尺寸为160 mm ×60 mm ×60 mm。其具体的工艺流程为:下料加热拔长辗光顶锻终锻切边冲孔热矫正热处理抛丸探伤精压。锻压成形的石墨烯增强铝基复合材料汽车连杆,长130 mm,厚43 mm,大头孔直径Φ48 mm,小头孔直径Φ18 mm,如图1所示。汽车连杆试样的具体锻压工艺参数如表2所示。其中锻压比是指汽车连杆毛坯的变形程度大小,锻压比=坯料的原始横截面积/坯料变形后的横截面积。表1 试样化学成分(% ,质量分数)Table 1 Chemical composition of sample (% , mass fraction)Mg Si Cu Zn Ti Ni石墨烯Al0． 652 1． 15 2． 342 0． 28 0． 134 0． 09 8． 12余量图1 汽车连杆Fig． 1 Automobile connecting rod1． 2 磨损试验方法磨损试验:用线切割切取汽车连杆的磨损试样,切取的试样为圆棒状,尺寸为Φ5 mm ×3 mm,取样位置如图1所示。磨损试验在MG1000型摩擦磨损试验机上进行测试,测试温度为室温,具体测试的表2 汽车连杆锻压工艺参数Table 2 Forging process parameters of automobileconnecting rod试样编号锻压温度/ ℃锻压力/ kN锻压比1 350 8 15． 42 400 8 15． 43 425 8 15． 44 450 8 15． 45 500 8 15． 46 425 4 15． 47 425 6 15． 48 425 10 15． 49 425 8 8． 610 425 8 10． 211 425 8 18． 812 425 8 23． 2试验参数为:磨轮转速250 r· min -1、载荷100 N、相对滑动速度90 mm· min -1、磨损时间10 min。记录下试样的磨损体积,用来表征汽车连杆试样的耐磨损性能。2 试验结果及讨论图2 不同锻压温度下试样的耐磨损性能Fig． 2 Wear resistance of specimens at different forging temperatures2． 1 不同锻压温度对试样耐磨损性能的影响图2是不同锻压温度下锻压成形的石墨烯增强铝基复合材料汽车连杆耐磨损性能测试结果。从图2可以看出,随锻压温度从350 ℃增加至500 ℃,磨损体积先减小后增大,耐磨损性能呈先提升后下降的趋势。当锻压温度为350 ℃时,试样的磨损体积为17． 9 ×10 -3 mm3,此时的磨损体积最大,耐磨损性能最差;当锻压温度为400 ℃时,试样的磨损体积为12． 8 × 10 -3 mm3,较350 ℃锻压减小28%;361第2期于锁清等:模锻参数对铝基复合材料汽车连杆耐磨性能的影响 万方数据当锻压温度为425 ℃时,试样的磨损体积为9． 6 ×10 -3 mm3,较350 ℃锻压减小46 %,此时的磨损体积最小,耐磨损性能最佳;当锻压温度继续增加至450和500 ℃时,试样的磨损体积较425 ℃锻压有所增大,耐磨损性能呈现下降趋势。图3a、图3b和图3c分别为350, 425和500 ℃锻压温度时试样磨损后的表面形貌图片。从图3可以看出:当锻压温度为350 ℃时,试样的磨损现象较为严重,表面有较为粗大的磨痕出现,而且起皮和脱落较多;当锻压温度上升至425 ℃时,试样的表面较350 ℃锻压时呈现出更平滑的特征,磨痕相对更为细小,起皮与脱落现象均显著缓解;当锻压温度继续上升至500 ℃时,起皮脱落和磨痕较425 ℃锻压时增多,耐磨损性能下降,这和试样的磨损体积的测试结果是一致的。综上所述,综合不同锻压温度下的试样的磨损试验结果可知,当锻压温度为425 ℃时,汽车连杆的耐磨损性能达到最佳效果,锻压温度应优选为425 ℃。图3 试样磨损后的表面形貌SEM图(a) 350 ℃ (b) 425 ℃ (c) 500 ℃Fig． 3 SEM images of surface morphology for samples after wear test2． 2 不同锻压力对试样耐磨损性能的影响图4是不同锻压力下锻压成形的石墨烯增强铝基复合材料汽车连杆耐磨损性能测试结果。从图4可以看出,随锻压力从4 kN增加至10 kN时,磨损体积先减小后增大,耐磨损性能呈先提升后下降的趋势。当锻压力为4 kN时,试样的磨损体积为15． 7 ×10 -3 mm3,此时的磨损体积最大,耐磨损性能最差;当锻压力为6 kN时,试样的磨损体积为11． 9 ×10 -3 mm3,较4 kN锻压减小24 %;当锻压力为8 kN时,试样的磨损体积为9． 6 × 10 -3 mm3,较4 kN锻压减小39 %,此时的磨损体积最小,耐磨损性能最佳;当锻压力继续增加至10 kN时,试样的磨损体积较8 kN锻压有所增大,耐磨损性能呈现下降趋势。综上所述,为提高汽车连杆的耐磨损性能,锻压力优选为8 kN。2． 3 不同锻压比对试样耐磨损性能的影响图5是不同锻压比下锻压成形的石墨烯增强铝基复合材料汽车连杆耐磨损性能测试结果。从图5可以看出,随锻压比从8． 6增加至23． 2,磨损体积先减小后增大,耐磨损性能呈先提升后下降的趋势。当锻压比为8． 6时,试样的磨损体积为16． 4 ×图4 不同锻压力下试样的耐磨损性能Fig． 4 Wear resistance of specimens under different forging pressures10 -3 mm3,此时的磨损体积最大,耐磨损性能最差;当锻压比为10． 2时,试样的磨损体积为12． 1 ×10 -3 mm3,较锻压比8． 6时减小26 %;当锻压比为15． 4时,试样的磨损体积为9． 6 × 10 -3 mm3,较锻压比8． 6时减小41 %,此时的磨损体积最小,耐磨损性能最佳;当锻压比继续增加至18． 8和23． 2时,试样的磨损体积较锻压比8． 6时有所增大,耐磨损性能呈现下降趋势。综上所述,为提高汽车连杆的461锻 压 技 术 第43卷万方数据图5 不同锻压比下试样的耐磨损性能Fig． 5 Wear resistance of specimens under different forging ratios耐磨损性能,锻压比优选为15． 4。2． 4 讨论与分析在铝基复合材料汽车连杆的锻压过程中,锻压温度、锻压力和锻压比这3个模锻参数的选取,对铝基复合材料汽车连杆的性能起着决定性的作用。锻压温度若过低,不能保证铝基复合材料汽车连杆均匀变形,难以获得耐磨损性高、质量优良的成形件;锻压温度过高,铝基复合材料汽车连杆内部能量过高,晶粒粗化,组织变大,大大减弱了成形件在磨损过程中的抗变形量,从而导致耐磨损性能下降。锻压力如果过小,不利于铝基复合材料在压力下的结晶,不能彻底进行强制补缩,容易出现组织疏松、缩孔的缺陷,会降低铝基复合材料汽车连杆的耐磨损性能;锻压力如果过高,极易产生不利于铝基复合材料性能的相和成分,内部组织变粗大,使变形落入铝基复合材料的临界变形范围内,并增加能耗,损耗模具,降低了汽车连杆的耐磨损性能。铝基复合材料汽车连杆的耐磨损性能随着锻压比的增大呈现先提高后下降的趋势。这主要是因为晶粒尺寸和形状随着锻压力变大而改变,加剧了内部组织破碎,晶粒不断得以细化,组织变得均匀;但是锻压比过高,汽车连杆的机械性能的各向异性逐步变得严重,强度和塑性下降,组织变粗,耐磨损性能降低。由此可见,锻压温度、锻压力和锻压比均不能过低或过高,选择适宜的模锻参数对成形件的耐磨损性能非常重要。3 结论(1)随锻压温度从350 ℃增加至500 ℃,锻压力从4 kN增加至10 kN,锻压比从8． 6增加至23． 2时,汽车连杆的耐磨损体积先减小后增大,耐磨损性能呈现先提高后下降的趋势。(2)当锻压温度为425℃时,汽车连杆的磨损体积较350 ℃锻压时减小46%;当锻压力为8 kN时,汽车连杆的磨损体积较4 kN锻压时减小39%;当锻压比为15． 4时,汽车连杆的磨损体积较锻压比8． 6时减小41%。(3)为提高石墨烯增强铝基复合材料汽车连杆的耐磨损性能,锻压温度、锻压力和锻压比分别优选为425 ℃, 8 kN和15． 4。参考文献:[1] 曹顺华,林信平,李炯义,等.粉末冶金温压工艺在汽车连杆制备中的应用[J].汽车工艺与材料, 2004, (11): 1 -5.Cao S H, Lin X P, Li J Y, et al. 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