Fe-,3-Al-Si-,3-N-,4-基復(fù)合材料的制備及摩擦磨損性能的研究.pdf

1、近年來，公路、鐵路交通的發(fā)展加速了汽車、火車等運(yùn)輸機(jī)械高速重載化的進(jìn)程，從而對(duì)制動(dòng)裝置中摩擦材料的性能提出了更高的要求。車輛行駛速度的提升要求摩擦材料能夠在較寬的速度、溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的摩擦性能。本文針對(duì)已有體系中的材料在使用中的某些缺陷，查閱、分析了大量國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，在選用Fe3Al/Si3N4作為基體材料研制開發(fā)了Fe3Al/Si3N4基復(fù)合摩擦材料基復(fù)合摩擦材料，本文根據(jù)國際上摩擦材料研究及應(yīng)用情況，主要從新型陶瓷材料配方的開

2、發(fā)、優(yōu)化、摩擦材料綜合性能評(píng)定、摩擦磨損機(jī)制、摩擦過程熱-力耦合作用等方面進(jìn)行了研究。并獲得初步成功。論文涉及材料學(xué)、熱力學(xué)、摩擦學(xué)等諸多方面，研究內(nèi)容富有創(chuàng)新性。 本文針對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行了研究： 一、用球磨機(jī)械合金化工藝制備了Fe3Al粉體材料，并對(duì)Fe3Al的形成過程和機(jī)理進(jìn)行了研究。也對(duì)粉體的制備工藝和隨后的熱處理過程的必要性，進(jìn)行了研究，并借用XRD，TEM，SEM，DSC等現(xiàn)代化的測(cè)試手段，對(duì)Fe3Al形成過

3、程的組織結(jié)構(gòu)演變及Fe3Al粉體的形貌進(jìn)行了表征和測(cè)試。研究表明通過球磨機(jī)械合金化工藝，能夠使Al、Fe元素粉末在球磨過程中使Al原子逐漸溶于Fe中形成無序a-Fe(Al)過飽和固溶體，通過隨后在750℃低溫退火工藝，無序a相通過Al原子有許重排和籌界移動(dòng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚨容^高的DO3結(jié)構(gòu)。通過該工藝，用相對(duì)低廉的Al、Fe粉體獲得了制備Fe3Al。采用基于TFDC理論建立的“二原子模型”計(jì)算機(jī)械合金化過程中Fe相和Al相的應(yīng)變，結(jié)果表明F

4、e相應(yīng)變?yōu)?.1142，Al相應(yīng)變?yōu)?0.1961，說明Fe相膨脹，Al相收縮，這與XRD測(cè)試結(jié)果一致。這也為“二原子模型”在機(jī)械合金化金屬間化合物領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有利證據(jù)。 二、在系統(tǒng)分析欲制備的Fe3Al/Si3N4復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能的基礎(chǔ)上，分析計(jì)算了組元間的相容性，根據(jù)物理和化學(xué)相容原理，初步設(shè)計(jì)了復(fù)合材料配方，對(duì)它們進(jìn)行混料。隨后對(duì)其燒結(jié)工藝進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)其燒結(jié)原理進(jìn)行了探討。對(duì)制備的材料的性能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，分析了

5、燒結(jié)材料的相組成和界面結(jié)合方式。分析表明復(fù)合材料燒結(jié)后界面結(jié)合良好，界面處無明顯的反應(yīng)產(chǎn)物存在。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(shí)間等多種因素的影響。最佳工藝參數(shù)為：燒結(jié)溫度1320℃，壓力10-20MPa，保壓10-30min，保溫30-60min，此時(shí)致密度為90％-95％。燒結(jié)過程中未發(fā)現(xiàn)晶粒異常長大。 三、根據(jù)摩擦材料的設(shè)計(jì)原則，選擇Fe3Al/Si3N4復(fù)合材料作為摩擦材料的基體組元，

6、潤滑劑為鱗片石墨，摩擦劑Al2O3。根據(jù)熱力學(xué)原理，考察了Fe3Al/Si3N4基摩擦材料中各組元之間的化學(xué)相容性。XRD，SEM，EMPA，TEM以及EDS分析表明，F(xiàn)e3Al基復(fù)合摩擦材料中的物相主要包括FeaAl、石墨、Al2O3、Si3N4、MgO，少量AlN。石墨和Al2O3均勻分布于基體。對(duì)制備的Fe3Al/Si3N4基復(fù)合摩擦材料進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試，著重測(cè)試其不同工況條件和不同組元含量下材料的摩擦性能和磨損機(jī)理。研究表明加

7、入石墨降低材料的力學(xué)性能，主要是因?yàn)槭c其它相的界面是材料破壞的發(fā)源地。摩擦過程中，適量的石墨加入也能形成潤滑膜。加入少量石墨時(shí)復(fù)合材料以輕微粘著磨損形式為主，加入大量時(shí)，石墨界面缺陷累積，材料力學(xué)性能急劇下降。在摩擦過程中，剪切斷裂的大量的石墨顆粒的參與，使摩擦復(fù)合材料的磨損形式變?yōu)閹в袆儗用撀涞膭×夷チＤp形式。Fe3Al/Si3N4復(fù)合摩擦材料在制動(dòng)過程中其磨損機(jī)制可能有磨粒磨損、粘著磨損、氧化磨損以及疲勞磨損四種形式，以磨粒磨

8、損、氧化磨損和疲勞磨損為主。表現(xiàn)為微切削、微犁溝、點(diǎn)蝕以及剝落。 四、利用有限元方法對(duì)摩擦材料摩擦熱-力耦合過程進(jìn)行了模擬，并在定速式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試摩擦材料摩擦過程中摩擦表面溫度變化情況。通過模擬結(jié)果與定速摩擦溫升試驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較好吻合，證明有限元方法在摩擦材料摩擦過程熱-力耦合分析的可行性，為新型摩擦材料配方的開發(fā)、摩擦材料磨損機(jī)制的研究提供了理論與試驗(yàn)依據(jù)。結(jié)果表明：在摩擦材料工作過程中，剎車片前端溫

9、度明顯高于后端，在表面存在溫度梯度，且隨著制動(dòng)壓力的提高，摩擦表面最高溫度相應(yīng)提高，表面溫度梯度越大。隨著制動(dòng)摩擦?xí)r間的推移，摩擦材料表面沿著滑動(dòng)方向所受的剪切力逐漸增大，制動(dòng)壓力越大，剪切力越大，且增長速度越快。定速摩擦溫升試驗(yàn)中，摩擦襯片材料表面溫度隨著制動(dòng)摩擦?xí)r間的推移逐漸升高，隨著制動(dòng)壓力的提高，摩擦表面溫度上升速度加快。對(duì)比有限元模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模擬表面溫度高于定速摩擦升溫試驗(yàn)結(jié)果，主要是由于有限元模擬過程中忽略了摩擦熱以空氣對(duì)

10、流、輻射、磨損微粒溫升等形式的耗散。有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果中溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本相同。要得到更加準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，要在模型中增加材料的磨損、化學(xué)變化等因素。 總之，本文嘗試性的設(shè)計(jì)了Fe3Al/Si3N4基復(fù)合摩擦材料體系，并試驗(yàn)性證明了設(shè)計(jì)的可行性，對(duì)設(shè)計(jì)的材料進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試，著重測(cè)試了其摩擦磨損性能。測(cè)試中，不但考慮其它組元對(duì)其摩擦性能的影響，而且模擬測(cè)試了該材料在一些復(fù)雜工況條件下的摩擦性能?？寡趸詫?shí)驗(yàn)和耐腐蝕性