金属橡胶研究新进展

下半月出版Material&HeatTreatment材料热处理技术

金属橡胶研究新进展

胡小丽1,李俏1,赵程2

(1.北京机电研究所,北京100083;2.郑州航空工业管理学院机电工程学院,河南郑州450015)

摘

要：介绍了将复合工艺、热处理工艺应用于金属橡胶以及对其疲劳性能、本构模型的研究，为金属橡胶的

研究与设计应用提供参考。

关键词：金属橡胶；复合工艺；热处理；本构模型中图分类号：TG142.1+4;TB333

文献标识码：A

文章编号：1001-3814(2009)12-0079-04

RecentResearchProgressofMetal-rubber

HUXiaoli1,LIQiao1,ZHAOCheng2

(1.BeijingInstituteofMechanicalandElectricalTechnology,Beijing100083,China;2.SchoolofMechatronicsEngineering,ZhengzhouInstituteofAeronauticalIndustryManagement,Zhengzhou450015,China)

Abstract：Therecentresearchprogressofmetal-rubber,includingcombinationtechnology,heattreatment,fatigueperformance,andconstitutivemodelwasintroduced,andfoundationforthedesignandapplicationofmetal-rubberwaslaid.

Keywords：metal-rubber;combinationtechnology;heattreatment;constitutivemodel

为解决空间飞行器上的减振、过滤、密封等问题，金属橡胶应运而生[1-2]。金属橡胶是金属丝螺旋卷相互缠绕勾连而成的一种弹性多孔材料，因具有耐高低温、耐辐射、不老化、形状结构与性能具有可设计性等优点而受到学者的广泛关注。在减振与隔振、密封、过滤、节流以及噪音控制等方面获得大量成功应用

[3-9]

问题，而且可提高橡胶的刚度、扩展应用范围[10]。金属橡胶/硅橡胶复合材料是将混合固化剂的硅橡胶压入金属橡胶，并经过保持一定时间的载荷后而成型。

1.2复合前后静态应力-应变曲线比较

试样X1-X5(复合前)、FX1-FX5(复合后)的密度如表1所示，其应力-应变曲线如图1所示[10]。由图1可见，复合硅橡胶后：金属橡胶的应力-应变曲线的双线性特征减弱，趋向于直线性特征，并且随着金属橡胶密度的增加，直线性特征增强；应力-应变曲线左移，并且密度越大，左移越多，说明硅橡胶对钢丝移动具有束缚作用、复合处理具有显著提高金属橡胶刚度的作用；应力-应变曲线前面部分明显变陡，后面部分明显变平缓，说明在复合硅橡胶后，试样内部孔洞被硅橡胶填充，组织结构趋向于实体，同时提高了承载能力。

表1金属橡胶试样的密度[10]

。本文对复合工艺、热处

理工艺在金属橡胶上的应用研究、金属橡胶疲劳性能研究、模型研究在金属橡胶上的应用等研究成果进行了总结，为探讨金属橡胶今后的研究方向、设计应用提供参考。

1复合工艺在金属橡胶上的应用研究

1.1金属橡胶/硅橡胶复合材料的复合工艺

复合材料是由两种或多种性质不同的材料通过物理和化学复合，组成具有两个或两个以上相态结构的材料。该类材料不仅性能优于组成中的任意一个单独的材料，而且还可具有单独组分不具有的独特性能。对硅橡胶与金属橡胶进行复合处理，不仅可以巧妙解决金属橡胶耐腐蚀性差等

Tab.1Densityofthesamples

复合前

试样号

·密度/(gcm-3)

试样号

复合后

密度/(g·cm-3)

X1

收稿日期:2009-02-09

作者简介:胡小丽(1965-),女,浙江新昌人,高级工程师,硕士,主要从

事金属材料热处理、材料表面改性研究;电话:010-62935465;E-mail:jsrclhxl@http://www.77cn.com.cn

1.1621.4241.7481.9892.186

FX1FX2FX3FX4FX5

1.9702.2592.5432.7222.897

X2X3X4X5

《热加工工艺》2009年第38卷第12期79

材料热处理技术Material&HeatTreatment

108应力/MPa

X4X3

X2XBX1

FX5FX4FX3FX2

2009年6月

2.2共渗层层深与组织

采用牙托粉、牙托水将试样镶嵌在PVC管中，经过预磨、粗磨、细磨、抛光、腐蚀处理后，在显

FX1

X5

6420

(b)复合处理后(a)复合处理前

0102030102030

应变(%)应变(%)

图1静态应力-应变曲线[10]

微镜下观察共渗层的层深与组织，共渗层层深为

0.106mm，厚薄均匀，并且与基体结合较好。2.3共渗前后抗高温氧化性比较

共渗前后金属橡胶的氧化质量增量随时间的变化曲线如图2所示[11]。由图2可见，在0～7.5h，未经处理试样及经共渗处理试样的平均氧化质量增量分别为0.7482和0.4971g/m2·h；经共渗处理后

Fig.1Staticcurvesofthestressandthestrain

1.3复合前后静态、动态损耗因子比较

复合硅橡胶后：静态损耗因子与密度仍呈近似直线关系，随密度增加，静态损耗因子下降，经拟合直线方程为：β

静

65Mn钢的氧化速率相对减少了33.6%。这说明稀

土硼碳氮共渗处理可显著提高金属橡胶的抗高温氧化性。

6氧化质量增量/(g·m-2)

=-9.5321ρ+68.424，静态损

耗因子随密度增加而下降，但仍然保持在40%～

50%的较高水平[10]。动态损耗因子与密度仍呈近

似直线关系，随密度增加，动态损耗因子下降，经拟合直线方程为：β

动

543210

2

4时间/h

未经处理

=-4.6904ρ+35.482，动态损

共渗处理

耗因子随密度增加而下降，但不仅下降速度低于复合前，而且动态损耗因子仍保持在21%～26%的较高水平[10]。

68

2金属橡胶的热处理工艺研究

热处理可提高材料的力学性能、消除残余应

图2试样的氧化质量增量随时间的变化曲线[11]

Fig.2Variationcurvesoftheweightgainofthesamples

alongwithoxidizingtime

力和改善金属的切削加工性。对金属橡胶进行稀土硼碳氮共渗处理，不仅可以提高其耐腐蚀性、抗高温氧化性，而且可改善其静态、动态阻尼性能，为其工业应用打下基础[11]。

2.4共渗前后耐腐蚀性比较

共渗前后金属橡胶的腐蚀质量损失随时间的变化曲线如图3所示[11]。可见，在0～45min内，未经处理试样、共渗处理试样的平均腐蚀质量损失分别为10.0218和7.5351g/m2·min，经过共渗处理，65Mn钢耐腐蚀性有显著提高，平均腐蚀速率相对减少了24.8%。这说明稀土硼碳氮共渗处理可显著提高金属橡胶的耐腐蚀性。

500腐蚀质量损失/(g·m-2)

未经处理

2.1稀土硼碳氮共渗工艺研究

按比例称量供硼剂、供碳剂、供氮剂、活化剂、填充剂SiC、催渗剂等渗剂原材料，并对稀土等块状原材料进行碾碎后混合均匀。先在渗箱底部铺上约30mm厚的渗剂，放入金属橡胶试样，然后铺放10mm厚的渗剂、放入试样交替进行，最后铺放渗剂至箱口。盖上箱盖，并用石棉绳和耐火泥进行密封。在渗箱表面刷上抗氧化涂料并稍晾干，然后放入炉温升至890℃的箱式电阻炉中，保温5h后取出渗箱空冷。为保证炉温准确，在保温过程中使用红外线测温仪来监控炉温。当渗箱空冷至室温后，打开渗箱取出试样。

共渗后对试样进行810℃淬火(油冷)及470℃回火处理。

[12]

400300

共渗处理

2001000

10

20

30

40

50

时间/min

图3试样的腐蚀质量损失随时间的变化曲线[11]

Fig.3Variationcurvesoftheweightlossofthesamples

alongwiththeerodingtime

80HotWorkingTechnology2009,Vol.38,No.12

下半月出版Material&HeatTreatment材料热处理技术

2.5共渗前后静态、动态损耗因子比较

共渗前后的静态、动态损耗因子随金属橡胶密度的变化如图4所示[11]。可见：经过稀土硼碳氮共渗处理，金属橡胶的静态、动态损耗因子分别提高8.3%和16.0%。这说明稀土硼碳氮共渗可显著提高金属橡胶的阻尼性能。

7570阻尼功比(%)

3.2金属橡胶/硅橡胶复合材料的位移-寿命疲劳

曲线

文献[13]以金属橡胶/硅橡胶复合材料软特性段刚度较最大值下降5.0%为其疲劳判据，测试并建立其位移-寿命疲劳曲线，如图5所示。结果表明：①疲劳曲线的测试方法与评价方法是可行的。②金属橡胶/硅橡胶的位移-寿命曲线符合材料疲劳的一般规律，即随着位移幅的增大，复合材料的疲劳寿命减少；当位移幅减少至0.25mm时，疲劳寿命急剧增大。复合材料的内部疲劳形式不

65605550454035

静态,共渗处理静态,未经处理低频,共渗处理低频,未经处理

同于金属橡胶，随着疲劳循环周次的增加，金属丝对硅橡胶不断产生割裂作用，从而在试样内部产

2.0

1.6

1.81.9密度/(g·cm-3)

图4损耗因子与密度关系[11]

1.7

生累计损伤。与金属橡胶相比，复合材料内部硅橡胶的割裂并不意味着整个制件的最终失效，而只代表硅橡胶对复合材料软特性段刚度的影响、对金属丝的保护作用逐渐丧失。因此，复合材料的疲劳寿命与使用可靠性应高于未复合硅橡胶的金属橡胶。③位移-寿命疲劳曲线为金属橡胶/硅橡胶复合材料的设计应用、寿命预测提供重要参考。

2.5位移幅/mm

Fig.4Relationcurvesofthedampinglossfactorand

thedensity

3金属橡胶的疲劳性能研究

疲劳性能属于金属橡胶的重要性能指标之

一。文献[13]以金属橡胶/硅橡胶复合阻尼材料为例进行了疲劳性能研究，探讨了金属橡胶疲劳性能的测试方法，为金属橡胶的应用设计与寿命预测提供重要参考。

2.01.51.00.50.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.1疲劳性能测试方法与评价方法研究

由于没有现成的金属橡胶疲劳性能测试标准，文献[13]主要参照GB/T16947-1997螺旋弹簧疲劳试验规范进行测试：测试金属橡胶/硅橡胶复合材料的应力-应变曲线；截取软特性段中一段，进行直线拟合，求出其斜率作为其软特性段刚度，然后分析软特性段刚度随疲劳循环周次的变化规律；以软特性段刚度下降5.0%作为疲劳判据，测试其位移-寿命疲劳曲线。

疲劳循环周次/×102

图5金属橡胶/硅橡胶的位移-寿命曲线[13]

Fig.5Displacement-lifecurveofmetalrubber/silicone

rubber

4金属橡胶的理论研究

部分学者探讨了金属橡胶的理论研究，其中

3.2金属橡胶/硅橡胶复合材料的软特性段刚度

与循环周次的关系

金属橡胶/硅橡胶复合材料的软特性段刚度随着疲劳循环周次增加的变化规律与金属橡胶有所不同。在疲劳开始阶段，硅橡胶对金属丝的滑移起阻碍作用，而金属丝对硅橡胶又有割裂作用；达到一定的疲劳循环周次后，硅橡胶被金属丝割裂成颗粒状，甚至部分硅橡胶被挤出金属橡胶，复合材料刚度下降。这说明复合硅橡胶工艺对提高金属橡胶的刚度和使用寿命具有显著作用。《热加工工艺》2009年第38卷第12期

主要是将现有的阻尼模型应用于金属橡胶。文献

[14]根据金属橡胶粘弹性、大变形以及非线性的

基本特征，建立了金属橡胶的本构模型，并推导出其本构关系式。在此基础上，文献[13]考虑温度对金属橡胶影响较小而消除温度项，推导金属橡胶本构关系；然后利用ANSYS通过平衡迭代求解方法获得模型的力-位移理论计算曲线，并与实验曲线进行对比。结果表明，理论计算曲线与实验曲线吻合较好，为金属橡胶的理论研究及设计应用提供参考。

81

材料热处理技术Material&HeatTreatment2009年6月

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5展望

回顾了近年来金属橡胶的研究进展，将存在

的不足及今后的研究方向归纳如下：

[2][3][4][5][6][7]

(1)复合工艺应用于金属橡胶是可行的，且

复合后的静态、动态损耗因子分别保持在40%和

21%以上；而其他橡胶、塑料等材料与金属橡胶的

复合有待于进一步研究。

(2)对65Mn金属橡胶进行稀土硼碳氮共渗

处理，不仅使高温氧化质量增加速率相对减少了

33.6%、腐蚀质量损失速率相对减少了24.8%，而

且使静态、动态损耗因子分别提高8.3%和

16.0%；钢丝硬化层层深对金属橡胶性能有何影

响需要进一步加以研究。

1801-1804．[8][9][10][11][12][13][14]

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赵程，张军，张恒．金属橡胶/硅橡胶复合阻尼材料的研究

(3)探讨了金属橡胶疲劳曲线的测试方法与

评价方法，为设计应用、寿命预测提供重要参考；随着金属橡胶研究与应用的发展，急需制订金属橡胶的疲劳测试方法、标准。

(4)现有研究将已有的阻尼模型应用于金属

橡胶，根据金属橡胶粘弹性、大变形以及非线性的基本特征，建立了新的理论模型，并推导出其本构关系式；探讨了利用ANSYS通过平衡迭代求解方法获得模型的力-位移理论计算曲线，与实验曲线基本吻合；但现有的实验数据、理论研究成果离实现金属橡胶的应用推广要求还有较大的距离。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ua5i.html