梯度銅碳復合材料的載流摩擦磨損性能
發(fā)布時間：2021-02-21 06:22
基于放電等離子燒結（SPS）技術,采用粉末冶金的方法制備梯度銅碳復合材料和非梯度銅碳復合材料。并在專用銷-盤高速摩擦磨損試驗機HST-100上進行摩擦磨損試驗,研究載流條件下,梯度銅碳復合材料的摩擦磨損性能。結果表明:梯度銅碳復合材料（5 mass%C-10 mass%C）的摩擦系數平均值與同濃度（7.5 mass%C）非梯度銅碳復合材料相差不大,但其動態(tài)摩擦系數的波動性明顯減小。其摩損率與碳含量7.5 mass%C非梯度銅碳復合材料相比明顯降低,與碳含量為10 mass%的銅基復合材料相差不大,磨損率約為7 mg/m。梯度材料的載流效率和載流穩(wěn)定性和10 mass%C銅基復合材料的相近,分別約為74%和73%。對于非梯度材料:隨著石墨含量的增加,銅基復合材料的摩擦系數降低,摩擦系數波動幅度也減小,磨損率降低,載流效率和載流穩(wěn)定性增加。采用放電等離子燒結（SPS）技術制備的銅基復合材料,磨損過程主要表現為機械磨損和電弧侵蝕。其中電弧侵蝕的行為主要是熔融、噴濺。非梯度復合材料的電弧侵蝕區(qū)域分布比較分散,在摩擦出口區(qū)域和材料的其他部位也都有存在,而梯度銅基復合材料的電弧燒蝕區(qū)域明顯減小,僅...
【文章來源】：材料熱處理學報. 2020,41(07)北大核心
【文章頁數】：8 頁
【部分圖文】：
不同復合材料的磨損表面宏觀形貌
圖9是銅基復合材料載流摩擦磨損后表面進出口的碳含量和氧含量的分布情況。從圖9(a)中可以看出,磨損表面的含碳量遠遠高于試樣自身的含量,在摩擦過程中,在進口端機械磨損區(qū)域,石墨在表面上脫落,石墨涂抹到了表面。并且,由于電弧的噴濺作用,使石墨裸露在磨損表面。從而使摩擦表面形成了有一定厚度的石墨膜。而在進口端,梯度材料和非梯度材料的碳含量差別不大,在進口端磨損形式主要是機械磨損,主要以涂抹作用形成的碳膜,進口處形成的石墨膜含量變化不大。而在出口處,梯度材料和非梯度材料相比,有明顯的差異。且在出口處,隨著試樣石墨含量的增加,其出口處的碳含量也相應增加,而梯度材料的碳含量明顯高于非梯度材料。10 mass% C非梯度銅基復合材料的碳含量明顯低于梯度銅基復合材料,由于非梯度銅基復合材料的電弧侵蝕嚴重,梯度銅基復合材料的出口端的電弧侵蝕低于非梯度銅基復合材料,電弧溫度較高,造成石墨氧化,形成氣體,脫離材料。從圖9(b)中可以看出,在載流摩擦過程中,摩擦表面均存在氧化行為,碳的氧化物以氣體的形式散發(fā),而銅的氧化物則滯留在了摩擦表面。隨著石墨含量的增加,電弧侵蝕強度逐漸降低,因此,在出口處的氧含量降低。梯度銅基復合材料的氧含量最少。圖8 銅基復合材料的顯微組織(a)與對應區(qū)域的元素能譜分析(b)
試驗材料為電解純銅粉(粒度200目,密度為8.90 g/cm3,純度大于99.9%)和鱗片狀天然石墨粉(粒度200目,密度為2.20 g/cm3,純度大于99.9%)�；诘入x子燒結(SPS)技術,采用粉末冶金方法分別制備了非梯度銅基復合材料(5 mass% C-95 mass% Cu(No.1)、7.5 mass% C-92.5 mass% Cu(No.2)、10 mass% C-90 mass% Cu(No.3))和雙層梯度復合材料(5 mass% C-95 mass% Cu和10 mass% C-90 mass% Cu(No.4))。圖1為粉末冶金制備的非梯度銅基復合材料和梯度銅基復合材料摩擦表面的微觀形貌。采用配料—混料—等離子放電燒結的工藝流程[16]制備銅基復合材料和梯度銅基復合材料。按試樣配比(5 mass% C-95 mass% Cu、7.5 mass% C-92.5 mass% Cu、10 mass% C-90 mass% Cu)分別稱取組分并混合,加入紫銅球,按照球料比1∶1進行混合,在V型混料機上混粉18 h;采用SPS-30放電等離子燒結爐真空燒結,其最高燒結溫度為780 ℃。試樣制備燒結的升溫規(guī)范:在高真空爐膛內,升溫速度為100 ℃/min,溫度升至400 ℃ 時將燒結壓力增加至30 MPa,保溫1 min后繼續(xù)以100 ℃/min的速度升溫;燒結溫度升至780 ℃,保溫5 min,爐冷至200 ℃時卸載,繼續(xù)爐冷至室溫[8]。最后將?28 mm的燒結試樣,線切割成25 mm×9 mm×16 mm的塊試樣。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]燒結溫度對銅-石墨復合材料性能的影響[J]. 葛月鑫,楊正海,孫樂民,張永振,張軍偉. 材料熱處理學報. 2019(02)
[2]鍍鎢碳納米管增強鎂基復合材料的摩擦磨損性能研究[J]. 吳瓊,賈成廠,聶俊輝. 粉末冶金技術. 2018(06)
[3]Nb-Si超高溫材料的放電等離子燒結（SPS）工藝研究[J]. 張愛軍,韓杰勝,馬文林,孟軍虎. 材料工程. 2016(03)
[4]銅基粉末冶金摩擦材料特征摩擦組元與基體的界面形成及磨損機理[J]. 周海濱,姚萍屏,肖葉龍,張忠義,貢太敏,趙林,鄧敏文,鐘愛文,王奇. 中國有色金屬學報. 2016(02)
[5]不同載流條件下Cu-Ag-Cr合金導線的摩擦磨損行為[J]. 高勤琴,張吉明,謝明,王松,程勇,楊有才. 貴金屬. 2014(S1)
[6]銅基粉末冶金滑塊材料組織及性能研究[J]. 馬行馳,何國求,何大海. 材料導報. 2011(24)
[7]碳/銅載流滑動摩擦過程中摩擦學與電弧行為（英文）[J]. 林修洲,朱旻昊,莫繼良,陳光雄,金學松,周仲榮. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2011(02)
[8]載流摩擦磨損研究現狀及前景[J]. 李占君,孫樂民,張永振. 鐵道運輸與經濟. 2005(01)
博士論文
[1]載流摩擦副的電弧損傷機制研究[D]. 楊正海.機械科學研究總院 2015
[2]載流摩擦磨損機理研究[D]. 董霖.西南交通大學 2008
本文編號：3043970
【文章來源】：材料熱處理學報. 2020,41(07)北大核心
【文章頁數】：8 頁
【部分圖文】：
不同復合材料的磨損表面宏觀形貌
圖9是銅基復合材料載流摩擦磨損后表面進出口的碳含量和氧含量的分布情況。從圖9(a)中可以看出,磨損表面的含碳量遠遠高于試樣自身的含量,在摩擦過程中,在進口端機械磨損區(qū)域,石墨在表面上脫落,石墨涂抹到了表面。并且,由于電弧的噴濺作用,使石墨裸露在磨損表面。從而使摩擦表面形成了有一定厚度的石墨膜。而在進口端,梯度材料和非梯度材料的碳含量差別不大,在進口端磨損形式主要是機械磨損,主要以涂抹作用形成的碳膜,進口處形成的石墨膜含量變化不大。而在出口處,梯度材料和非梯度材料相比,有明顯的差異。且在出口處,隨著試樣石墨含量的增加,其出口處的碳含量也相應增加,而梯度材料的碳含量明顯高于非梯度材料。10 mass% C非梯度銅基復合材料的碳含量明顯低于梯度銅基復合材料,由于非梯度銅基復合材料的電弧侵蝕嚴重,梯度銅基復合材料的出口端的電弧侵蝕低于非梯度銅基復合材料,電弧溫度較高,造成石墨氧化,形成氣體,脫離材料。從圖9(b)中可以看出,在載流摩擦過程中,摩擦表面均存在氧化行為,碳的氧化物以氣體的形式散發(fā),而銅的氧化物則滯留在了摩擦表面。隨著石墨含量的增加,電弧侵蝕強度逐漸降低,因此,在出口處的氧含量降低。梯度銅基復合材料的氧含量最少。圖8 銅基復合材料的顯微組織(a)與對應區(qū)域的元素能譜分析(b)
試驗材料為電解純銅粉(粒度200目,密度為8.90 g/cm3,純度大于99.9%)和鱗片狀天然石墨粉(粒度200目,密度為2.20 g/cm3,純度大于99.9%)�；诘入x子燒結(SPS)技術,采用粉末冶金方法分別制備了非梯度銅基復合材料(5 mass% C-95 mass% Cu(No.1)、7.5 mass% C-92.5 mass% Cu(No.2)、10 mass% C-90 mass% Cu(No.3))和雙層梯度復合材料(5 mass% C-95 mass% Cu和10 mass% C-90 mass% Cu(No.4))。圖1為粉末冶金制備的非梯度銅基復合材料和梯度銅基復合材料摩擦表面的微觀形貌。采用配料—混料—等離子放電燒結的工藝流程[16]制備銅基復合材料和梯度銅基復合材料。按試樣配比(5 mass% C-95 mass% Cu、7.5 mass% C-92.5 mass% Cu、10 mass% C-90 mass% Cu)分別稱取組分并混合,加入紫銅球,按照球料比1∶1進行混合,在V型混料機上混粉18 h;采用SPS-30放電等離子燒結爐真空燒結,其最高燒結溫度為780 ℃。試樣制備燒結的升溫規(guī)范:在高真空爐膛內,升溫速度為100 ℃/min,溫度升至400 ℃ 時將燒結壓力增加至30 MPa,保溫1 min后繼續(xù)以100 ℃/min的速度升溫;燒結溫度升至780 ℃,保溫5 min,爐冷至200 ℃時卸載,繼續(xù)爐冷至室溫[8]。最后將?28 mm的燒結試樣,線切割成25 mm×9 mm×16 mm的塊試樣。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]燒結溫度對銅-石墨復合材料性能的影響[J]. 葛月鑫,楊正海,孫樂民,張永振,張軍偉. 材料熱處理學報. 2019(02)
[2]鍍鎢碳納米管增強鎂基復合材料的摩擦磨損性能研究[J]. 吳瓊,賈成廠,聶俊輝. 粉末冶金技術. 2018(06)
[3]Nb-Si超高溫材料的放電等離子燒結（SPS）工藝研究[J]. 張愛軍,韓杰勝,馬文林,孟軍虎. 材料工程. 2016(03)
[4]銅基粉末冶金摩擦材料特征摩擦組元與基體的界面形成及磨損機理[J]. 周海濱,姚萍屏,肖葉龍,張忠義,貢太敏,趙林,鄧敏文,鐘愛文,王奇. 中國有色金屬學報. 2016(02)
[5]不同載流條件下Cu-Ag-Cr合金導線的摩擦磨損行為[J]. 高勤琴,張吉明,謝明,王松,程勇,楊有才. 貴金屬. 2014(S1)
[6]銅基粉末冶金滑塊材料組織及性能研究[J]. 馬行馳,何國求,何大海. 材料導報. 2011(24)
[7]碳/銅載流滑動摩擦過程中摩擦學與電弧行為（英文）[J]. 林修洲,朱旻昊,莫繼良,陳光雄,金學松,周仲榮. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2011(02)
[8]載流摩擦磨損研究現狀及前景[J]. 李占君,孫樂民,張永振. 鐵道運輸與經濟. 2005(01)
博士論文
[1]載流摩擦副的電弧損傷機制研究[D]. 楊正海.機械科學研究總院 2015
[2]載流摩擦磨損機理研究[D]. 董霖.西南交通大學 2008
本文編號：3043970
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