Fe3Al基复合摩擦材料的制备与研究

论文题目: Fe3Al基复合摩擦材料的制备与研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 材料学

作者: 李静

导师: 尹衍升

关键词: 铁铝金属间化合物,摩擦材料,微观结构,物理力学性能,摩擦磨损性能,摩擦学机理

文献来源: 山东大学

发表年度: 2005

论文摘要: 粉末冶金摩擦材料在重型机车、火车、飞机、工程机械等重载高速场合下已经获得了广泛的应用,形成了铁基、铜基、铁、铜基为主体的粉末冶金摩擦材料体系,但由于其组成特性致使其摩擦学性能以及应用方面存在缺憾,如铜基摩擦材料导热性好,摩擦性能稳定且磨损小,但其成本高且高温性能差:铁基摩擦材料的摩擦系数高,耐热性好且成本较低,但易与对偶件表面“粘着”,耐磨性不如铜基摩擦材料,而且抗氧化性差,易锈蚀;陶瓷及其复合材料密度低、强度高、耐磨性及化学稳定性高,高温下摩擦系数稳定,但脆性和难加工性是阻碍陶瓷基材料作为摩擦材料广泛应用的主要原因。因此,研究开发具有优异综合性能的新型摩擦材料是十分重要而又迫切的。Fe3Al金属间化合物具有超点阵晶体结构,原子间的结合既有金属键,又有共价键和离子键。独特的结构决定了其特殊性能,其高温强度、高温蠕变以及抗氧化耐腐蚀性能优于大部分金属材料,而导热性、塑性优于陶瓷材料,是介于合金与陶瓷之间的一种新型低密度的廉价材料,被称为半金属-半陶瓷材料。同时Fe3Al金属间化合物具有良好的耐磨性,在摩擦材料领域有着极大的应用潜力。本文详细研究了热压烧结Fe3Al金属间化合物的耐磨性能,在此基础上设计制备了一种新型Fe3Al基复合摩擦材料,并对其制备工艺、微观结构、物理力学性能及摩擦学特性进行了系统研究。主要研究内容如下:第一,采用机械合金化结合退火处理工艺制备了Fe3Al粉体,并经真空热压烧结得到相对密度大于97%,晶粒尺寸为600～800nm的Fe3Al金属间化合物块体材料。该材料以有序度较低的B2结构为主,同时弥散分布着Al2O3颗粒以及少量α-Fe(Al)固溶体。Fe3Al烧结块体材料的室温力学性能较铸态有明显提高,其室温抗弯强度为1000-1400MPa,压缩屈服强度和压缩应变分别为1200-1800MPa和10%-15%,洛氏硬度为HRC 55～60。第二,系统研究了不同Al含量及加入合金元素的热压烧结Fe3Al金属间化合物的耐磨性能与磨损机理。研究发现,Al含量越高,耐磨性越好,以Fe-32Al磨损量最小,但Fe-30Al出现反常。合金元素的加入均不同程度的改善了材料的耐磨性能,尤其是Ti,摘要Fe一28AI一10Ti的磨损量仅为Fe一28AI的l八00,耐磨性能极为优异。Fe3Ax优异的耐磨性能归根结底是由其结构特性决定的,有序强化、高的加工硬化速率、晶粒细化、第二相和细小氧化物的沉淀析出、合金元素的固溶强化以及组织均匀化等等均是耐磨性能提高的重要因素。磨损表.面SEM形貌以及EDS分析表明不同试验条件下热压烧结Fe3AI试样的磨损机制有着明显差异.低载荷下磨损表面发生塑性变形,磨损形式是以磨粒磨损为主的微切削和微犁沟;而在高载荷下,应力集中产生裂纹并迅速扩展,导致疲劳断裂,以片状剥落为主要特征。第三,根据摩擦材料的设计原则,选择Fe3AI粉体作为摩擦材料的基体组元,润滑剂为鳞片石墨和MosZ,摩擦剂为A12O3,加入一定量的Cu以期提高材料导热性并改善其摩擦学性能。根据热力学原理,考察了Fe3AI基摩擦材料中各组元之间的化学相容性、 XRD、SEM、EMPA、 TEM以及EDS分析表明,Fe3AI基复合摩擦材料中的物相主要包括Fe3AI、石墨、Cu、A12O3,少量MoSZ以及杂质5102,石墨和A卜03均匀分布于基体中,Cu以固溶、析出以及游离的形式存在。基体中Fe一AI合金存在有序化程度不均匀现象,以BZ结构的Fe3AI组织为主,同时存在少量D伪结构的Fe3AI和。一Fe(Al)固溶体,三种结构所占比例与Al含量有关。摩擦材料各组元之间界面结合较好,无明显反应产物。第四,研究了Fe3AI基复合摩擦材料的制备工艺,优化了工艺参数。发现材料的致密化过程受到原始粉料组成、粒度以及烧结温度、压力、保温时间等多种因素的影响,其中Cu的液相烧结起到重要作用。最佳工艺参数为:烧结温度1050一1100,C,压力10一12MPa,保压20一30min,保温45一60min,此时致密度为90%一95%。烧结过程中未发现晶粒异常长大,经1050℃烧结1h的摩擦材料中Fe3AI的晶粒尺寸约400一600nm。第五,对Fe3AI基复合摩擦材料的力学性能与抗氧化性能进行了研究。结果表明,Fe3A!基摩擦材料密度相对较低,硬度略高,室温弯曲、压缩和冲击强度大大高于传统的Fe基和Cu基摩擦材料,这归功于有序强化、细晶强化、沉淀硬化以及固溶强化等多种强化机制。Cu含量以及孔隙度对材料力学性能的影响最为显著。Fe3AI基摩擦材料具有优异的抗高温氧化性能,在水中具有良好的抗锈蚀能力,原因是材料表面形成致密连续Ab03膜起到保护作用。山东人学博卜学位论文一-一一一一一一一一一一一---一一一寿一一一一一一一一第六,系统研究了Fe3AI基复合摩擦材料的干滑动摩擦磨损性能以及摩擦学机制。本研究中所制备的Fe3AI基摩擦材料的摩擦系数为0.5一0.55,平均磨损率为0.5一1 x 10一5 mm3N一’m一’。 Fe3AI原始粉体粒度越细,材料耐磨性越好,但粉体细化到一定程度,由于基体与其它组元之间的体积失配和热失配导致摩擦颗粒脱落,因而材料的摩擦系数降低,但磨损率提高,实验中作为摩擦材料基体的Fe3AI粉体最佳球磨时间为60h。随着AI含量提高,Fe3AI基摩擦材料的摩擦系数?

论文目录:

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1研究背景

1.2对摩擦材料的基本性能要求

1.3烧结金属摩擦材料国内外研究现状

1.3.1烧结金属摩擦材料特性

1.3.2烧结金属摩擦材料组成与结构特点

1.3.3烧结金属摩擦材料类型和性能

1.3.4烧结金属摩擦材料制造技术与工艺

1.3.5烧结金属摩擦材料发展动向

1.4铁-铝金属间化合物研究现状

1.4.1Fe-Al金属间化合物的结构特点

1.4.2Fe-Al金属间化合物的摩擦学研究

1.5本课题的提出及主要研究内容、技术路线

1.5.1本课题的提出

1.5.2本课题的主要研究内容

1.5.3本课题的技术路线

第二章热压烧结Fe_3Al金属间化合物及耐磨性研究

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1原材料

2.2.2试样制备

2.2.3性能测试

2.3结果与讨论

2.3.1Fe_3Al粉体的制备

2.3.2热压烧结Fe_3Al块体材料的微观结构与力学性能

2.3.3热压烧结Fe_3Al块体材料的磨损行为

2.4本章结论

第三章Fe_3Al基复合摩擦材料的制备

3.1引言

3.2Fe_3Al基复合摩擦材料的成分设计

3.2.1Fe_3Al基摩擦材料组元的选择

3.2.2Fe_3Al基摩擦材料中组元间相容性分析

3.3Fe_3Al基复合摩擦材料的制备

3.3.1Fe_3Al基摩擦材料的制备工艺

3.3.2Fe_3Al基摩擦材料的致密化

3.4本章结论

第四章Fe_3Al基复合摩擦材料的微观结构与力学性能

4.1引言

4.2实验方法

4.2.1微观结构分析

4.2.2力学性能

4.2.3抗氧化性

4.3Fe_3Al基复合摩擦材料的微观结构

4.3.1Fe_3Al基摩擦材料的相分析

4.3.2Fe_3Al基摩擦材料的显微结构分析

4.3.3Fe_3Al基摩擦材料的界面与亚结构

4.4Fe_3Al基复合摩擦材料的力学性能

4.4.1力学性能的影响因素

4.4.2摩擦材料的断裂形式

4.5Fe_3Al基复合摩擦材料的抗氧化性

4.6本章结论

第五章Fe_3Al基复合摩擦材料的摩擦学特性

5.1引言

5.1.1固体摩擦表面的接触

5.1.2有关摩擦理论

5.1.3有关磨损理论

5.2摩擦磨损实验过程

5.3Fe_3Al基复合摩擦材料的摩擦学特性

5.3.1材质对摩擦磨损性能的影响

5.3.2孔隙度对摩擦磨损性能的影响

5.3.3速度、载荷对摩擦磨损性能的影响

5.3.4摩擦磨损机制小结

5.4对偶件的磨损

5.5本章结论

第六章分形理论在Fe_3Al基复合摩擦材料中的应用

6.1引言

6.2研究方法

6.3实验过程

6.3.1表面形貌测量

6.3.2分形维数计算处理

6.4结果与讨论

6.4.1摩擦材料表面轮廓分形维数的计算

6.4.2分形维数与摩擦学性能的关系

6.5本章结论

第七章结论与展望

参考文献

致谢

攻读博士期间发表和待发表的论文

发布时间: 2005-06-14

参考文献

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