梯度铜碳复合材料的载流摩擦磨损性能
发布时间：2021-02-21 06:22
基于放电等离子烧结（SPS）技术,采用粉末冶金的方法制备梯度铜碳复合材料和非梯度铜碳复合材料。并在专用销-盘高速摩擦磨损试验机HST-100上进行摩擦磨损试验,研究载流条件下,梯度铜碳复合材料的摩擦磨损性能。结果表明:梯度铜碳复合材料（5 mass%C-10 mass%C）的摩擦系数平均值与同浓度（7.5 mass%C）非梯度铜碳复合材料相差不大,但其动态摩擦系数的波动性明显减小。其摩损率与碳含量7.5 mass%C非梯度铜碳复合材料相比明显降低,与碳含量为10 mass%的铜基复合材料相差不大,磨损率约为7 mg/m。梯度材料的载流效率和载流稳定性和10 mass%C铜基复合材料的相近,分别约为74%和73%。对于非梯度材料:随着石墨含量的增加,铜基复合材料的摩擦系数降低,摩擦系数波动幅度也减小,磨损率降低,载流效率和载流稳定性增加。采用放电等离子烧结（SPS）技术制备的铜基复合材料,磨损过程主要表现为机械磨损和电弧侵蚀。其中电弧侵蚀的行为主要是熔融、喷溅。非梯度复合材料的电弧侵蚀区域分布比较分散,在摩擦出口区域和材料的其他部位也都有存在,而梯度铜基复合材料的电弧烧蚀区域明显减小,仅...
【文章来源】：材料热处理学报. 2020,41(07)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
不同复合材料的磨损表面宏观形貌
图9是铜基复合材料载流摩擦磨损后表面进出口的碳含量和氧含量的分布情况。从图9(a)中可以看出,磨损表面的含碳量远远高于试样自身的含量,在摩擦过程中,在进口端机械磨损区域,石墨在表面上脱落,石墨涂抹到了表面。并且,由于电弧的喷溅作用,使石墨裸露在磨损表面。从而使摩擦表面形成了有一定厚度的石墨膜。而在进口端,梯度材料和非梯度材料的碳含量差别不大,在进口端磨损形式主要是机械磨损,主要以涂抹作用形成的碳膜,进口处形成的石墨膜含量变化不大。而在出口处,梯度材料和非梯度材料相比,有明显的差异。且在出口处,随着试样石墨含量的增加,其出口处的碳含量也相应增加,而梯度材料的碳含量明显高于非梯度材料。10 mass% C非梯度铜基复合材料的碳含量明显低于梯度铜基复合材料,由于非梯度铜基复合材料的电弧侵蚀严重,梯度铜基复合材料的出口端的电弧侵蚀低于非梯度铜基复合材料,电弧温度较高,造成石墨氧化,形成气体,脱离材料。从图9(b)中可以看出,在载流摩擦过程中,摩擦表面均存在氧化行为,碳的氧化物以气体的形式散发,而铜的氧化物则滞留在了摩擦表面。随着石墨含量的增加,电弧侵蚀强度逐渐降低,因此,在出口处的氧含量降低。梯度铜基复合材料的氧含量最少。图8 铜基复合材料的显微组织(a)与对应区域的元素能谱分析(b)
试验材料为电解纯铜粉(粒度200目,密度为8.90 g/cm3,纯度大于99.9%)和鳞片状天然石墨粉(粒度200目,密度为2.20 g/cm3,纯度大于99.9%)。基于等离子烧结(SPS)技术,采用粉末冶金方法分别制备了非梯度铜基复合材料(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))和双层梯度复合材料(5 mass% C-95 mass% Cu和10 mass% C-90 mass% Cu(No.4))。图1为粉末冶金制备的非梯度铜基复合材料和梯度铜基复合材料摩擦表面的微观形貌。采用配料—混料—等离子放电烧结的工艺流程[16]制备铜基复合材料和梯度铜基复合材料。按试样配比(5 mass% C-95 mass% Cu、7.5 mass% C-92.5 mass% Cu、10 mass% C-90 mass% Cu)分别称取组分并混合,加入紫铜球,按照球料比1∶1进行混合,在V型混料机上混粉18 h;采用SPS-30放电等离子烧结炉真空烧结,其最高烧结温度为780 ℃。试样制备烧结的升温规范:在高真空炉膛内,升温速度为100 ℃/min,温度升至400 ℃ 时将烧结压力增加至30 MPa,保温1 min后继续以100 ℃/min的速度升温;烧结温度升至780 ℃,保温5 min,炉冷至200 ℃时卸载,继续炉冷至室温[8]。最后将?28 mm的烧结试样,线切割成25 mm×9 mm×16 mm的块试样。
【参考文献】：
期刊论文
[1]烧结温度对铜-石墨复合材料性能的影响[J]. 葛月鑫,杨正海,孙乐民,张永振,张军伟. 材料热处理学报. 2019(02)
[2]镀钨碳纳米管增强镁基复合材料的摩擦磨损性能研究[J]. 吴琼,贾成厂,聂俊辉. 粉末冶金技术. 2018(06)
[3]Nb-Si超高温材料的放电等离子烧结（SPS）工艺研究[J]. 张爱军,韩杰胜,马文林,孟军虎. 材料工程. 2016(03)
[4]铜基粉末冶金摩擦材料特征摩擦组元与基体的界面形成及磨损机理[J]. 周海滨,姚萍屏,肖叶龙,张忠义,贡太敏,赵林,邓敏文,钟爱文,王奇. 中国有色金属学报. 2016(02)
[5]不同载流条件下Cu-Ag-Cr合金导线的摩擦磨损行为[J]. 高勤琴,张吉明,谢明,王松,程勇,杨有才. 贵金属. 2014(S1)
[6]铜基粉末冶金滑块材料组织及性能研究[J]. 马行驰,何国求,何大海. 材料导报. 2011(24)
[7]碳/铜载流滑动摩擦过程中摩擦学与电弧行为（英文）[J]. 林修洲,朱旻昊,莫继良,陈光雄,金学松,周仲荣. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2011(02)
[8]载流摩擦磨损研究现状及前景[J]. 李占君,孙乐民,张永振. 铁道运输与经济. 2005(01)
博士论文
[1]载流摩擦副的电弧损伤机制研究[D]. 杨正海.机械科学研究总院 2015
[2]载流摩擦磨损机理研究[D]. 董霖.西南交通大学 2008
本文编号：3043970
【文章来源】：材料热处理学报. 2020,41(07)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
不同复合材料的磨损表面宏观形貌
图9是铜基复合材料载流摩擦磨损后表面进出口的碳含量和氧含量的分布情况。从图9(a)中可以看出,磨损表面的含碳量远远高于试样自身的含量,在摩擦过程中,在进口端机械磨损区域,石墨在表面上脱落,石墨涂抹到了表面。并且,由于电弧的喷溅作用,使石墨裸露在磨损表面。从而使摩擦表面形成了有一定厚度的石墨膜。而在进口端,梯度材料和非梯度材料的碳含量差别不大,在进口端磨损形式主要是机械磨损,主要以涂抹作用形成的碳膜,进口处形成的石墨膜含量变化不大。而在出口处,梯度材料和非梯度材料相比,有明显的差异。且在出口处,随着试样石墨含量的增加,其出口处的碳含量也相应增加,而梯度材料的碳含量明显高于非梯度材料。10 mass% C非梯度铜基复合材料的碳含量明显低于梯度铜基复合材料,由于非梯度铜基复合材料的电弧侵蚀严重,梯度铜基复合材料的出口端的电弧侵蚀低于非梯度铜基复合材料,电弧温度较高,造成石墨氧化,形成气体,脱离材料。从图9(b)中可以看出,在载流摩擦过程中,摩擦表面均存在氧化行为,碳的氧化物以气体的形式散发,而铜的氧化物则滞留在了摩擦表面。随着石墨含量的增加,电弧侵蚀强度逐渐降低,因此,在出口处的氧含量降低。梯度铜基复合材料的氧含量最少。图8 铜基复合材料的显微组织(a)与对应区域的元素能谱分析(b)
试验材料为电解纯铜粉(粒度200目,密度为8.90 g/cm3,纯度大于99.9%)和鳞片状天然石墨粉(粒度200目,密度为2.20 g/cm3,纯度大于99.9%)。基于等离子烧结(SPS)技术,采用粉末冶金方法分别制备了非梯度铜基复合材料(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))和双层梯度复合材料(5 mass% C-95 mass% Cu和10 mass% C-90 mass% Cu(No.4))。图1为粉末冶金制备的非梯度铜基复合材料和梯度铜基复合材料摩擦表面的微观形貌。采用配料—混料—等离子放电烧结的工艺流程[16]制备铜基复合材料和梯度铜基复合材料。按试样配比(5 mass% C-95 mass% Cu、7.5 mass% C-92.5 mass% Cu、10 mass% C-90 mass% Cu)分别称取组分并混合,加入紫铜球,按照球料比1∶1进行混合,在V型混料机上混粉18 h;采用SPS-30放电等离子烧结炉真空烧结,其最高烧结温度为780 ℃。试样制备烧结的升温规范:在高真空炉膛内,升温速度为100 ℃/min,温度升至400 ℃ 时将烧结压力增加至30 MPa,保温1 min后继续以100 ℃/min的速度升温;烧结温度升至780 ℃,保温5 min,炉冷至200 ℃时卸载,继续炉冷至室温[8]。最后将?28 mm的烧结试样,线切割成25 mm×9 mm×16 mm的块试样。
【参考文献】：
期刊论文
[1]烧结温度对铜-石墨复合材料性能的影响[J]. 葛月鑫,杨正海,孙乐民,张永振,张军伟. 材料热处理学报. 2019(02)
[2]镀钨碳纳米管增强镁基复合材料的摩擦磨损性能研究[J]. 吴琼,贾成厂,聂俊辉. 粉末冶金技术. 2018(06)
[3]Nb-Si超高温材料的放电等离子烧结（SPS）工艺研究[J]. 张爱军,韩杰胜,马文林,孟军虎. 材料工程. 2016(03)
[4]铜基粉末冶金摩擦材料特征摩擦组元与基体的界面形成及磨损机理[J]. 周海滨,姚萍屏,肖叶龙,张忠义,贡太敏,赵林,邓敏文,钟爱文,王奇. 中国有色金属学报. 2016(02)
[5]不同载流条件下Cu-Ag-Cr合金导线的摩擦磨损行为[J]. 高勤琴,张吉明,谢明,王松,程勇,杨有才. 贵金属. 2014(S1)
[6]铜基粉末冶金滑块材料组织及性能研究[J]. 马行驰,何国求,何大海. 材料导报. 2011(24)
[7]碳/铜载流滑动摩擦过程中摩擦学与电弧行为（英文）[J]. 林修洲,朱旻昊,莫继良,陈光雄,金学松,周仲荣. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2011(02)
[8]载流摩擦磨损研究现状及前景[J]. 李占君,孙乐民,张永振. 铁道运输与经济. 2005(01)
博士论文
[1]载流摩擦副的电弧损伤机制研究[D]. 杨正海.机械科学研究总院 2015
[2]载流摩擦磨损机理研究[D]. 董霖.西南交通大学 2008
本文编号：3043970
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/yjlw/3043970.html
