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粉末冶金制备碳纤维增强铁铜基摩擦材料的 组织与性能

发布日期:2020-07-20   来源:矿道网   投稿者:任澍忻   浏览次数:2476

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       1 实验材料及方法

将市售的原料粉体按照表 1 配比进行混合,分 别加入质量分数为 0%,2%,4%,6%的国产 2 mm 短切碳纤维,其性能指标如表 2 所示。在行星球磨 机上进行混粉,球料比为 5:1,转速为 300 r/min,混 粉时间为 6 h。将混合均匀的粉末在万能试验机上以 600 MPa 冷压成形,并在氢气氛围进行热压烧结, 烧结速率为 7 ℃/min,烧结温度为 980 ℃,烧结压 力为 2~3 MPa,保温 2 h,随炉冷却。 采用 JSM-7000F 扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)观察摩擦试验前后样品 的表面形貌,并进行能谱分析(energy disperse spectroscopy,EDS)。利用 XRD-7000 型 X 射线衍 射仪(X-ray diffraction,XRD)分析摩擦材料的物相 组成,测试采用铜靶,管电压 40 kV,管电流 40 mA,扫描速度为 2°/min,扫描范围为 15°~90°。通过 阿基米德排水法测定样品相对密度,使用 HV-30 维氏硬度计测定样品硬度,在 HT-1000 销盘型高 温摩擦磨损试验机上对样品进行摩擦磨损试验。 利用 ESJ200-4 型电子天平称量样品的磨损量,每 隔 10 min 称量一次,样品规格为 4 mm × 4 mm × 10 mm,转速为 200 r/min,载荷为 200 g,根据 GB5763‒2008,采用的对磨盘材质为 HT250,硬度为 HB 195。

2 结果与讨论

2.1 碳纤维质量分数对摩擦材料显微组织结构的影响

添加质量分数为 4%碳纤维的铁‒铜基摩擦材料的 X 射线衍射图谱,可以看出基体组元 Fe、 Cu,润滑组元石墨、MoS2,摩擦组元 SiC、Al2O3、 锆英砂等均出现在摩擦材料中,这与设计成分基本 一致,也能发挥各自组元的作用;同时也发现部分 组元在烧结高温下相互作用生成化合物,如铁‒铜基 固溶体、Fe3Mo3C3、FeNi、Cu13.7Sn 等,这对提高各个组元间的联结强度有一定的帮助。含不同质量分数碳纤维的铁‒铜基 摩擦材料的显微组织,结合不同区域的能谱分析可 以确定显微组织的各组元成分:浅灰色块状为铁‒ 铜基体及其与镍、钼、锡等形成的固溶体,其上孔 隙分布较少;黑色部分为石墨、MoS2 等润滑组元及 部分孔隙(A 区域),其均匀分布在金属基体之间; 亮白色部分为氧化铝、锆英砂等陶瓷相(B、D 区域); 深灰色块状为 SiC(C 区域)。可以看出,摩擦组元 中的 Al2O3 和锆英石与基体结合处有明显的缝隙, 与基体结合并不紧密,这是因为锆英石的主要成分 为 ZrSiO4,其和 Al2O3 与基体的润湿性不好,结合 方式主要为机械结合。相对于 Al2O3和锆英石,SiC 与基体结合较为紧密,这是因为在高温烧结时,SiC 与铁可以生成 FexSiy 型金属间化合物[17]。图中黑色 长条状为碳纤维(如图中箭头所示),由图可知,碳 纤维被埋在基体中,起到强化基体的作用。当碳纤 维质量分数为 2%和 4%时,铁‒铜基体组织较为均匀 致密,其上各组元均匀分布;当碳纤维质量分数为 0 和 6%时,基体上孔隙较多,且颗粒粗大。在含 6% 碳纤维的摩擦材料表面,黑色碳纤维部分所占比例 最大,这是由于碳纤维含量过高导致的基体孔隙率 增加。碳纤维搭建成骨架,埋没在基体中,强化摩擦材料,而碳纤维含量过高时,使得孔隙增多,黑 色部分增加。

2.2 碳纤维质量分数对摩擦材料相对密度及硬度 的影响

含不同质量分数碳纤维的铁‒铜基摩擦材料的相对密度及硬度,从表中可以看出,随 碳纤维含量的增加,铁‒铜基摩擦材料的相对密度 先增后减,碳纤维质量分数为 2%时,摩擦材料的 相对密度最高,达到 92.6%,孔隙率也最低。这是 因为碳纤维与基体相比密度较小,在碳纤维含量较 低时,样品实际密度减小的幅度小于样品理论密度 的减小程度,因而导致相对密度增加。但随着碳纤 维含量的增加,相对密度降低,一方面是因为纤维 与纤维、纤维与基体之间的相界面增加,气孔易在 界面偏聚,另一方面是因为碳纤维与其他组元间没 有发生化学反应,也没有发生固溶反应,只是简单 的机械结合,会存在一定的间隙,另外,碳纤维易聚,含量越高这种现象越明显,而团聚的碳纤维 在冷压成形和烧结过程中,难以排出其吸附的气体 从而导致摩擦材料孔隙度上升。在表中还可以看 出,摩擦材料的硬度也随着碳纤维含量的升高先 增加后减小,这是因为基体在承受载荷时,可以 通过塑性流变将负荷转嫁到纤维上,强化基体。 基体受到外力作用时,由于碳纤维强度较高,容 易在纤维周围形成位错塞积,从而提高材料强度。 低含量碳纤维能有效强化铁‒铜基体,但随着碳纤 维质量分数的升高,摩擦材料的相对密度降低,基 体硬度减小 除碳纤维外,在基体中添加的镍、钼、锡等元 素也可以提高基体的硬度,这是因为这些元素在基 体中可以产生固溶强化,并细化晶粒,提高基体强 度。同时,基体铁铜之间也有一定的固溶度,除了 能引起固溶强化外,还可以起到活化烧结的作用, 提高材料的密度和强度。本文所制得的摩擦材料与 文献[1819]相比,硬度及相对密度都有一定提高, 这可能是由于添加碳纤维导致的,碳纤维可以有效 强化基体,在烧结过程中,使组织致密化,从而提 高基体的强度。

2.3 碳纤维质量分数对材料摩擦磨损性能的影响

含不同质量分数碳纤维的铁‒铜基摩擦材 料摩擦系数随时间变化的曲线。从图中可以看出, 在试验初期,摩擦系数的波动较大,随着时间的延 长,4 种摩擦材料的摩擦系数逐渐趋于稳定。这是 因为材料表面微凸体的阻碍,随着时间的增加,一 部分微凸体被切削磨平,表面粗糙度改善,摩擦系 数趋于稳定。摩擦材料的摩擦系数主要通过润滑组 元及摩擦组元来控制。石墨及 MoS2作为润滑组元, 两者具有相似的层片状晶体结构,在摩擦时构成摩 擦表面膜,降低摩擦系数及磨损率,而且 MoS2 在烧 结过程中会部分分解为 Mo 和 S,Mo 元素以固溶强 化形式强化基体,S 元素会与铁、铜等元素形成硫 化物,而金属硫化物也可以起到一定的润滑作用。 SiC、Al2O3 等硬质相为摩擦组元,镶嵌在基体上可 以调节材料的摩擦系数,同时又弥补了由于润滑组 元的加入造成材料的摩擦系数过低的问题,摩擦组 元的加入使得摩擦副与对偶材料处于最佳的啮合状 态,有利于消除摩擦材料与对偶件的物移,从而增 加了摩擦材料的耐磨性。在所制备的碳纤维质量分 数为 0%,2%,4%,6%的铁‒铜基摩擦材料中,平 均摩擦系数为 0.62、0.60、0.56 和 0.67。对比摩擦 系数发现,含 2%和 4%碳纤维的摩擦系数较为稳定, 而含 0%和 6%碳纤维试样的摩擦系数波动较大,这 是因为含 2%和 4%碳纤维试样有着较高的相对密 度,随着摩擦的进行,碳纤维接触到磨损表面,由 于碳纤维具有类似石墨的片状结构,因而具有良好 的自润滑性能,在摩擦磨损过程中,不但起到强化 基体的作用,还可以协同石墨与 MoS2 起到润滑组 元的效果,因而使其具有较低的摩擦系数及较好的 稳定性。而含 0%和 6%碳纤维样品摩擦系数波动较 大,是因为未添加碳纤维试样的相对密度较低,材 料摩擦系数较高,且摩擦系数稳定性较差,波动较 大;含 6%碳纤维的样品碳纤维含量较高,摩擦表 面微小的碳颗粒有一定的润滑作用,但其表面有较 多孔隙,导致与摩擦副的直接接触面积较低,因而 摩擦系数较大且不稳定。相较于文献[20‒21],本文 制备的样品摩擦系数较高,这可能是因为摩擦材料 铁含量较高,摩擦表面较为粗糙,因而增大了摩擦 系数。 含不同质量分数碳纤维的摩擦材料 随时间变化的磨损曲线。可以看出摩擦试验初期(即 磨损初期的跑和(磨合)阶段),磨损量急剧增加, 这是因为摩擦材料表面凹凸不平,在与对偶件接触 后,表面微凸体被剪切力剥落;当摩擦材料与对偶 件接触面积增大至一定程度后,磨损量开始趋于稳 定,这是因为在磨合后,摩擦材料与对偶件磨损面 产生一定的塑性变形,实际接触面积增大,并且在 摩擦过程中产生一定的加工硬化,因而磨损量开始 稳定。当碳纤维质量分数为 4%时,磨损量最低 (0.0032 g)。总体来说,含 2%和 4%碳纤维试样的 磨损量较低,含 0%和 6%碳纤维试样的磨损量较高, 这是因为摩擦材料的性能与组织结构有很大关系, 结合图 2 可以发现,含 2%和 4%碳纤维的试样相较 于含 0%和 6%碳纤维的试样组织分布较为均匀,且 其孔隙较少。

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