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Fe_3Al基复合摩擦材料的制备与研究

李静  
【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


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