石墨及镀铜石墨—铜基复合材料摩擦学性能研究

发布时间：2020-11-01 02:46

　　 石墨-铜基复合材料以其优异的制动效果和良好的综合性能,被广泛应用于制动装置中。由于铜与石墨互不相溶而且密度相差悬殊,常规铸造很难解决组织不均匀这个难题,所以本文采用了粉末冶金的方法来制备石墨-铜基复合材料。然而,复合材料中铜与石墨的界面润湿性问题尤为重要,界面结合的好坏基本上决定了复合材料性能的高低,因此限制了石墨在铜基复合材料中的应用与发展。本文对比研究了石墨粒度和石墨表面金属化对材料的微观组织形貌、密度、硬度及摩擦磨损性能的影响规律,并探讨其摩擦磨损机理。结果表明,石墨粒度对铜基复合材料的微观组织和性能影响显著。随着石墨粒度的逐渐增大,铜基体的连续性增强。石墨在平行于压制方向的截面上呈条带状分布,在垂直于压制方向的截面上呈块状分布;材料的密度、硬度均呈现出先增加后减小的趋势,而摩擦系数和磨损量均呈现出先减小后增加的趋势;当石墨的粒度为270μm时,材料的密度为5.76g/cm~3,显微硬度为107.7HV,布氏硬度为37.5HBS;在摩擦速度为800r/min的干摩擦条件下,其平均摩擦系数为0.35,磨损率为7.37×10~(-6)mm~3/m;采用扫面电子显微镜(SEM)对复合材料的摩擦表面进行分析,发现复合材料的磨损形式主要有磨粒磨损、剥层磨损和氧化磨损。为了进一步改善石墨-铜基复合材料的性能,将上述粒度为270μm的石墨进行表面化学镀铜,对比探究了3wt.%~12wt.%石墨及镀铜石墨的添加对铜基复合材料组织及性能的影响规律。结果表明,镀铜层形成空间细小的三维网络结构,提高了材料的整体强度;随着石墨及镀铜石墨含量的逐渐增加,材料的密度和硬度均减小,但是镀铜石墨组试样的密度、硬度均优于石墨组试样;镀铜石墨的添加在一定程度上提高了铜基复合材料平均摩擦系数,降低其磨损量;在800r/min的摩擦速度下,当石墨及镀铜石墨含量为9wt.%时,材料的平均摩擦系数分别为0.314、0.335,且磨损量最低分别为8.05×10~(-6)mm~3/m、7.83×10~(-6)mm~3/m;在摩擦磨损过程中,石墨-铜基复合材料的主要磨损缺陷为凹坑和犁沟,而磨损形式主要为剥层磨损、磨粒磨损和氧化磨损;而镀铜石墨-铜基复合材料的主要磨损缺陷为浅显的犁沟,而磨损形式主要以磨粒磨损和氧化磨损为主。
【学位单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB333
【部分图文】：

第 1 章 绪 论界各个发达国家的青睐。直至 20 世纪 90 年代，时速为 300km/h 的高速轨在日本、法国和德国等发达国家开通。而且德国克诺尔公司、日本川崎公世界 80%以上的高速轨道列车摩擦材料的市场[16]。德国的 ICE 高速轨道的新干线和法国的 TGV 高速轨道列车等都采用粉末冶金摩擦材料[17]。图高速轨道列车用粉末冶金制动材料。

第 2 章 材料的制备方法及表征2.1 石墨-铜基复合材料的制备2.1.1 实验材料铜基复合材料是以铜粉为主要成分，通过添加以石墨为主的润滑组元、以陶瓷颗粒为主的摩擦组元及以强化铜基体为目的的合金元素而制备的。由于以纯铜作为材料基体的强度较低，为了提高其强度，在铜粉中添加铁粉，以便复合材料既具有铜基材料耐磨性好，又具有铁基材料高摩擦系数的优点；摩擦组元选用的是 10～20μm 的SiO2和 400μm 的 Cr-Fe，其中 SiO2粉末均匀弥散在基体中，降低材料的剥层磨损，同时降低磨粒导致的二次磨损；而 Cr-Fe 的加入起到稳定摩擦系数的作用。为了获得综合性能优良的复合材料，本实验选用了形貌不规则的颗粒粉末如图 2.1 所示，其中如图（e）所示石墨的平均粒度为 500μm。

表 2-2 材料组成及质量百分含量(wt.%)Table 2-2 Material composition and mass percentage (wt.%)Cu (%) Fe (%) Cr-Fe (%) SiO2(%) Graphite (%) Graphite particle size(μm)65 20 8 1 6 7565 20 8 1 6 18065 20 8 1 6 27065 20 8 1 6 5002.1.2 主要实验设备根据本实验的需要，主要采用真空热压烧结技术制备铜基复合材料，因此主要有HVRY-1 真空热压烧结炉、多维摆动式高能球磨机、MM-W1B 立式万能摩擦磨损试验机等实验设备（如图 2.2 所示）；为了研究铜基复合材料的微观组织及性能，因此选用以下设备：带有能谱分析仪的日本 JSM-5600LV 扫描电子显微镜（SEM）、XQ-2金相试样抛光机、EIPHOTO NIKON 300 光学显微镜、FM700 型显微硬度计等。
【参考文献】

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本文编号：2864912