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《华南理工大学》 2017年
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高性能Al-Sn基轴承合金的制备及性能研究

宋凯强  
【摘要】:随着现代机械向着高速、高载和无铅环保的方向发展,开发兼具优异力学性能和摩擦学性能的Al-Sn轴承合金成为研究热点。要想实现Al-Sn合金的高性能,关键是要控制组织中的Sn相细小且弥散分布在Al基体中。采用机械合金化法(MA)制备的Al-Sn合金具有纳米相复合结构。但是,该法制备的Al-Sn合金粉末硬度较高,并且其表面会形成一层稳定的Al氧化膜,抑制原子间的扩散。因此,将MA合金粉末采用简单的“压制+烧结”工艺很难将其致密化,进而难以实现合金的高性能。研究发现,添加Si能有效提高MA Al-Sn粉末的烧结活性,促进冶金结合。因此,本研究将首先探索Si对MA Al-Sn合金组织及性能的影响。接着,为进一步提高合金的综合性能,对“压制+烧结”后的Al-Sn-Si合金进行“冷轧+退火”处理,由此获得具有双尺度结构的合金。通过对该合金组织、力学性能以及摩擦学性能的分析,得到最佳的成型工艺。最后,为进一步控制Sn相的形态及尺寸,本研究还采用反应球磨法来制备纳米相复合Al-Sn合金,以探索获得Sn相细小弥散分布的新工艺。首先,将等离子球磨预处理后的Si粉与Al、Sn粉混合球磨得到MA Al-12%Sn-2.5%Si粉末,然后经“压制+600℃烧结”得到合金块体。结果表明:相比于普通球磨预处理Si,等离子球磨Si对MA Al-12%Sn合金的性能具有更好的改进作用,合金块体经一次烧结后,其致密度约为97%,抗拉强度高达167MPa,并且合金的塑性也得到明显改善。其次,将“压制+600℃烧结”工艺所获得的Al-12%Sn-2.5%Si合金进行大塑性变形冷轧。结果表明:随着变形量的增加,合金的致密度、硬度和强度均得到显著提高。其中当变形量为40%时,合金已接近全致密(致密度约为99.5%),并且还表现出最高的硬度和强度,分别为87HV和247MPa。而当变形量大于50%时,合金因塑性变形能力不足而发生破裂。再次,对40%变形量冷轧后的Al-12%Sn-2.5%Si合金进行不同温度退火,获得具有粗晶区和细晶区共存的双尺度结构组织。其中,当退火温度低于Al-Si共晶点(本研究实测为550℃)时,所形成的粗晶较少并且相互间独立;当退火温度高于Al-Si共晶点时,粗晶将出现联接长大;而当退火温度适当时(如500℃~550℃),合金组织中的粗晶与细晶含量达到较好比例,且细晶区中的Sn相比较细小均匀地分布在Al基体中。力学及摩擦学实验表明:当退火温度为500℃~550℃时,合金表现出最佳的“强度-塑性”配合,其抗拉强度和延伸率分别介于194MPa~205MPa和4.9%~6.7%之间。同时,该合金表现出最佳的“耐磨-减摩”性配合,摩擦系数和磨损量分别为0.4和2.0mg,其磨损量相比于单纯经“压制+600℃烧结”工艺所制备的Al-12%Sn-2.5%Si合金减小了约70%。这得益于该双尺度结构合金在磨损过程中,强度与塑性的协同作用使磨损表面形成一层稳定的氧化摩擦层,表现出优异的摩擦学性能,其磨损机制主要为氧化磨损。最后,以Al粉、SnO2粉和MgH2为原料,采用反应球磨法制备具有纳米相复合结构的Al-Sn合金。结果表明:采用两步法(预球磨处理SnO2)和添加MgH2组元的方式所制备的MA Al-15.3%SnO2-0.5%MgH2复合粉末经压制和600℃烧结后,SnO2已基本转化成Sn,并且细小弥散分布在Al基体中。合金的烧结致密度达到98.3%左右,硬度达到120HV左右,明显高于MA Al-12%Sn合金(其致密度为94.5%,硬度为60HV)。而且采用两步法反应球磨制备的Al-Sn合金表现出更优的摩擦学性能,相比于MA Al-12%Sn合金其摩擦系数降低了约20%,磨损量降低了约70%。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TF125.22

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