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《合肥工业大学》 2006年
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铜基石墨自润滑材料及其摩擦学研究

尹延国  
【摘要】:在无油或少油润滑状态下,自润滑材料显示了独特的优越性。铜基石墨自润滑复合材料是金属基自润滑复合材料的重要组成部分,具有优良的摩擦学特性,以及具有导电、导热、抗氧化、耐腐蚀等性能而得到了广泛的应用。然而,铜与石墨之间互不相溶、不发生化学反应,铜与石墨结合是一种假合金,材料内部孔隙多,严重制约了其强度和润滑性能的提高,同时使用温度低也是其主要缺点。高性能铜基石墨自润滑复合材料研究与开发,是解决特殊工况条件下润滑问题的需要,系统地研究铜基石墨自润滑复合材料不同工况条件下的摩擦磨损行为及机理,探索复合材料减摩耐磨的理论规律,为研发新型高性能铜基石墨自润滑复合材料提供理论基础和技术支撑,具有重要意义。 本文选用锡青铜合金基体,并添加镍、铁等合金元素强化,选用合适含量和大小的石墨颗粒充当固体润滑组元。采用化学镀方法,在石墨颗粒表面上镀上一层镍、铜镀层,研究了镀层对界面结合的影响,结果表明,高温烧结工艺对镀层改善界面结合的效果有一定影响,合适的烧结温度条件下,石墨镀层改善了石墨与铜合金基体的界面结合,石墨与铜合金基体有机地连成了一体,复合材料的强度与韧性有了明显的提高。复压复烧工艺更有利于发挥石墨表面处理的优越性,其中石墨表面镀镍比镀铜有更好的作用。 通过不同条件下的摩擦磨损试验,以及运用扫描电镜、X-射线衍射仪、光电子能谱仪、铁谱显微镜等微观分析手段,对复合材料金相显微组织、断口形貌、磨痕表面形貌、磨损颗粒的成分组成及形貌进行分析,系统地探讨了室温~500℃条件下铜基石墨自润滑复合材料的摩擦磨损行为及机理。摩擦磨损过程中,石墨不断向表面挤出,逐渐伸展并被压平成为连续完整的固体润滑膜,起自润滑减摩作用。石墨颗粒镀铜、镀镍后,摩擦磨损过程中所形成的转移层与摩擦面粘附性好,结合更紧密,因此,显示出更好的润滑减摩效果,摩擦副摩擦系数低,磨损率小。本文试验条件下,6%普通石墨铜基复合材料经历了三个典型的磨损过程,即轻微磨损阶段、中等磨损阶段、严重磨损阶段;而镀铜、镀镍石墨铜基复合材料只经历了轻微磨损阶段、中等磨损阶段两个典型磨损过程。一定载荷条件下,随着试验温度的升高,铜基石墨复合材料减摩性能变差,磨损率逐渐增大。研究表明,轻微磨损阶段,固体润滑薄膜的破裂、脱落与修复处于动态平衡状态。进入中等磨损阶段,固体润滑薄膜的破裂、脱落与修复难以达到动态平衡,磨粒磨损与粘着磨损逐渐成为主要磨损形式。严重磨损阶段,表面已不存在连续的润滑膜,对偶件金属之间大部分直接接触,亚表层发生较大的塑性变形,裂纹在亚表层石墨处形核、扩展并引起磨损颗粒脱落以及粘着磨损是严重磨损阶段的主要失效形式,并伴随有氧化磨损的发生。 提高复合材料固体润滑膜的完整性以及增强复合材料强度,有利于改善减摩耐磨性
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