Fe3Al基復(fù)合摩擦材料的制備與研究.pdf

1、粉末冶金摩擦材料在重型機車、火車、飛機、工程機械等重載高速場合下已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用,形成了鐵基、銅基、鐵、銅基為主體的粉末冶金摩擦材料體系,但由于其組成特性致使其摩擦學(xué)性能以及應(yīng)用方面存在缺憾,如銅基摩擦材料導(dǎo)熱性好,摩擦性能穩(wěn)定且磨損小,但其成本高且高溫性能差：鐵基摩擦材料的摩擦系數(shù)高,耐熱性好且成本較低,但易與對偶件表面“粘著”,耐磨性不如銅基摩擦材料,而且抗氧化性差,易銹蝕；陶瓷及其復(fù)合材料密度低、強度高、耐磨性及化學(xué)穩(wěn)定性高,

2、高溫下摩擦系數(shù)穩(wěn)定,但脆性和難加工性是阻礙陶瓷基材料作為摩擦材料廣泛應(yīng)用的主要原因。因此,研究開發(fā)具有優(yōu)異綜合性能的新型摩擦材料是十分重要而又迫切的。Fe3Al金屬間化合物具有超點陣晶體結(jié)構(gòu),原子間的結(jié)合既有金屬鍵,又有共價鍵和離子鍵。獨特的結(jié)構(gòu)決定了其特殊性能,其高溫強度、高溫蠕變以及抗氧化耐腐蝕性能優(yōu)于大部分金屬材料,而導(dǎo)熱性、塑性優(yōu)于陶瓷材料,是介于合金與陶瓷之間的一種新型低密度的廉價材料,被稱為半金屬-半陶瓷材料。同時Fe3Al

3、金屬間化合物具有良好的耐磨性,在摩擦材料領(lǐng)域有著極大的應(yīng)用潛力。本文詳細研究了熱壓燒結(jié)Fe3Al金屬間化合物的耐磨性能,在此基礎(chǔ)上設(shè)計制備了一種新型Fe3Al基復(fù)合摩擦材料,并對其制備工藝、微觀結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性能及摩擦學(xué)特性進行了系統(tǒng)研究。主要研究內(nèi)容如下：第一,采用機械合金化結(jié)合退火處理工藝制備了Fe3Al粉體,并經(jīng)真空熱壓燒結(jié)得到相對密度大于97%,晶粒尺寸為600~800nm的Fe3Al金屬間化合物塊體材料。該材料以有序度較低的B

4、2結(jié)構(gòu)為主,同時彌散分布著Al2O3顆粒以及少量α-Fe(Al)固溶體。Fe3Al燒結(jié)塊體材料的室溫力學(xué)性能較鑄態(tài)有明顯提高,其室溫抗彎強度為1000-1400MPa,壓縮屈服強度和壓縮應(yīng)變分別為1200-1800MPa和10%-15%,洛氏硬度為HRC 55~60。第二,系統(tǒng)研究了不同Al含量及加入合金元素的熱壓燒結(jié)Fe3Al金屬間化合物的耐磨性能與磨損機理。研究發(fā)現(xiàn),Al含量越高,耐磨性越好,以Fe-32Al磨損量最小,但Fe-30

5、Al出現(xiàn)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的磨損量僅為Fe一28AI的l八00,耐磨性能極為優(yōu)異。Fe3Ax優(yōu)異的耐磨性能歸根結(jié)底是由其結(jié)構(gòu)特性決定的,有序強化、高的加工硬化速率、晶粒細化、第二相和細小氧化物的沉淀析出、合金元素的固溶強化以及組織均勻化等等均是耐磨性能提高的重要因素。 磨損表.面SEM形貌以及EDS分析表明不同試驗條件下熱壓燒結(jié)Fe3AI試樣的磨損機制有著明顯差

6、異.低載荷下磨損表面發(fā)生塑性變形,磨損形式是以磨粒磨損為主的微切削和微犁溝；而在高載荷下,應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋并迅速擴展,導(dǎo)致疲勞斷裂,以片狀剝落為主要特征。 第三,根據(jù)摩擦材料的設(shè)計原則,選擇Fe3AI粉體作為摩擦材料的基體組元,潤滑劑為鱗片石墨和MosZ,摩擦劑為A12O3,加入一定量的Cu以期提高材料導(dǎo)熱性并改善其摩擦學(xué)性能。根據(jù)熱力學(xué)原理,考察了Fe3AI基摩擦材料中各組元之間的化學(xué)相容性、 XRD、SEM、EMPA、 TEM以及E

7、DS分析表明,Fe3AI基復(fù)合摩擦材料中的物相主要包括Fe3AI、石墨、Cu、A12O3,少量MoSZ以及雜質(zhì)5102,石墨和A卜03均勻分布于基體中,Cu以固溶、析出以及游離的形式存在?；w中Fe一AI合金存在有序化程度不均勻現(xiàn)象,以BZ結(jié)構(gòu)的Fe3AI組織為主,同時存在少量D偽結(jié)構(gòu)的Fe3AI和。一Fe(Al)固溶體,三種結(jié)構(gòu)所占比例與Al含量有關(guān)。摩擦材料各組元之間界面結(jié)合較好,無明顯反應(yīng)產(chǎn)物。 第四,研究了Fe3AI基復(fù)合摩擦材

8、料的制備工藝,優(yōu)化了工藝參數(shù)。發(fā)現(xiàn)材料的致密化過程受到原始粉料組成、粒度以及燒結(jié)溫度、壓力、保溫時間等多種因素的影響,其中Cu的液相燒結(jié)起到重要作用。最佳工藝參數(shù)為：燒結(jié)溫度1050一1100,C,壓力10一12MPa,保壓20一30min,保溫45一60min,此時致密度為90%一95%。燒結(jié)過程中未發(fā)現(xiàn)晶粒異常長大,經(jīng)1050℃燒結(jié)1h的摩擦材料中Fe3AI的晶粒尺寸約400一600nm。 第五,對Fe3AI基復(fù)合摩擦材料的力學(xué)性能

9、與抗氧化性能進行了研究。結(jié)果表明,Fe3A！基摩擦材料密度相對較低,硬度略高,室溫彎曲、壓縮和沖擊強度大大高于傳統(tǒng)的Fe基和Cu基摩擦材料,這歸功于有序強化、細晶強化、沉淀硬化以及固溶強化等多種強化機制。Cu含量以及孔隙度對材料力學(xué)性能的影響最為顯著。Fe3AI基摩擦材料具有優(yōu)異的抗高溫氧化性能,在水中具有良好的抗銹蝕能力,原因是材料表面形成致密連續(xù)Ab03膜起到保護作用。山東人學(xué)博卜學(xué)位論文 一-一一一一一一一一一一一---一一一壽

10、一一一一一一一一 第六,系統(tǒng)研究了Fe3AI基復(fù)合摩擦材料的干滑動摩擦磨損性能以及摩擦學(xué)機制。本研究中所制備的Fe3AI基摩擦材料的摩擦系數(shù)為0.5一0.55,平均磨損率為0.5一1 x 10一5 mm3N一’m一’。 Fe3AI原始粉體粒度越細,材料耐磨性越好,但粉體細化到一定程度,由于基體與其它組元之間的體積失配和熱失配導(dǎo)致摩擦顆粒脫落,因而材料的摩擦系數(shù)降低,但磨損率提高,實驗中作為摩擦材料基體的Fe3AI粉體最佳球磨時間為60h