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Cu基粉末冶金摩擦材料激光表面改性研究

石岩  
【摘要】: 论文针对我国现生产的大负载湿式Cu基粉末冶金摩擦片性能远不能满足新型传动装置对摩擦材料的要求,存在着摩擦系数低,磨损严重,许用热负荷低等缺点的问题,充分利用激光表面改性技术的独特优点,提出铜基粉末冶金摩擦材料激光表面改性处理方法。 本文研究的对象是我国现生产的大负载铜基粉末冶金摩擦片成品样件,采用宽带激光束对摩擦材料进行激光表面改性处理。在温度场数值模拟分析和基础工艺研究的基础上,借助扫描电镜、透射电镜、能谱仪、X射线衍射仪、显微维氏硬度计、布氏硬度计及摩擦磨损实验机等仪器设备,对铜基粉末粉末冶金摩擦材料的微观组织形貌、硬度、密度及干滑动摩擦磨损特性进行了较为系统的研究与分析。最后通过离合器摩擦元件动态性能试验台对激光表面改性处理和未处理的铜基粉末冶金摩擦片进行了对比考核试验。 利用非线性瞬态热传导微分方程,建立了Cu基粉末冶金摩擦材料激光表面热处理数学模型。并基于物理过程分析,利用ANSYS进行了温度场数值模拟,获得了纵向断面温度场分布云图及表面温度分布曲线。 基础工艺试验结果表明,Cu基粉末冶金摩擦材料激光表面改性处理后,粉末冶金层的微观结构和性能发生明显的变化。在激光功率1.3kW、扫描速度为150mm/min条件下激光表面改性后的Cu基粉末冶金摩擦材料中Cu的晶格常数略微增大,增大约0.54‰。聚合生长状态的α-Cu产生边缘溶解,大块聚合态α-Cu细小化。在α-Cu内部形成了大量的纳米晶。激光表面改性处理后Cu基粉末冶金摩擦材料层密度提高了6%,硬度提高12.7%,耐磨性能提高45%,摩擦系数增加1%。 摩擦元件动态性能测试结果表明,激光表面改性处理后的Cu基粉末冶金摩擦片静摩擦系数由原始未处理状态的0.136提高到0.146,提高了7.4%,动摩擦系数由0.065提高到0.071,提高了9.2%,摩擦系数随速度变化影响小,摩擦系数稳定;摩擦片磨损量由原始未处理状态的0.009mm下降到0.006mm,降低了33%,磨损率由6.49×10~(-15)m~3/J下降到3.27×10~(-15)m~3/J,降低了49.6%,激光表面改性处理提高了铜基摩擦片的耐磨性能;摩擦片许用热负荷值由原始未处理状态的3.33升高到4.67,提高了40%,铜基粉末冶金摩擦片的耐热性能得到明显的改善。 文中还从微观角度和宏观角度对上述变化进行了系统地分析。包括α-Cu聚合体边缘溶解机理,纳米晶体形成机理,烧结致密化机理,摩擦材料的摩擦磨损机理等。由粉末冶金摩擦材料成份的复杂性和激光表面改性加热和冷却的快速性,导致了微观结构的改变,而微观结构的改变直接影响了摩擦材料性能的变化。


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