Fe-,3-Al-Si-,3-N-,4-基復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、火車等運輸機械高速重載化的進程，從而對制動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、溫度范圍內具有穩(wěn)定的摩擦性能。本文針對已有體系中的材料在使用中的某些缺陷，查閱、分析了大量國內外相關文獻，在選用Fe3Al/Si3N4作為基體材料研制開發(fā)了Fe3Al/Si3N4基復合摩擦材料基復合摩擦材料，本文根據國際上摩擦材料研究及應用情況，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定、摩擦磨損機制、摩擦過程熱-力耦合作用等方面進行了研究。并獲得初步成功。論文涉及材料學、熱力學、摩擦學等諸多方面，研究內容富有創(chuàng)新性。 本文針對以下幾個方面進行了研究： 一、用球磨機械合金化工藝制備了Fe3Al粉體材料，并對Fe3Al的形成過程和機理進行了研究。也對粉體的制備工藝和隨后的熱處理過程的必要性，進行了研究，并借用XRD，TEM，SEM，DSC等現代化的測試手段，對Fe3Al形成過

3、程的組織結構演變及Fe3Al粉體的形貌進行了表征和測試。研究表明通過球磨機械合金化工藝，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，轉變?yōu)橛行蚨容^高的DO3結構。通過該工藝，用相對低廉的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”計算機械合金化過程中Fe相和Al相的應變，結果表明F

4、e相應變?yōu)?.1142，Al相應變?yōu)?0.1961，說明Fe相膨脹，Al相收縮，這與XRD測試結果一致。這也為“二原子模型”在機械合金化金屬間化合物領域的應用提供了有利證據。 二、在系統分析欲制備的Fe3Al/Si3N4復合材料結構和性能的基礎上，分析計算了組元間的相容性，根據物理和化學相容原理，初步設計了復合材料配方，對它們進行混料。隨后對其燒結工藝進行了優(yōu)化，對其燒結原理進行了探討。對制備的材料的性能和結構進行了研究，分析了

5、燒結材料的相組成和界面結合方式。分析表明復合材料燒結后界面結合良好，界面處無明顯的反應產物存在。發(fā)現材料的致密化過程受到原始粉料組成、粒度以及燒結溫度、壓力、保溫時間等多種因素的影響。最佳工藝參數為：燒結溫度1320℃，壓力10-20MPa，保壓10-30min，保溫30-60min，此時致密度為90％-95％。燒結過程中未發(fā)現晶粒異常長大。 三、根據摩擦材料的設計原則，選擇Fe3Al/Si3N4復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。根據熱力學原理，考察了Fe3Al/Si3N4基摩擦材料中各組元之間的化學相容性。XRD，SEM，EMPA，TEM以及EDS分析表明，Fe3Al基復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。對制備的Fe3Al/Si3N4基復合摩擦材料進行了力學性能測試，著重測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理。研究表明加

7、入石墨降低材料的力學性能，主要是因為石墨與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。加入少量石墨時復合材料以輕微粘著磨損形式為主，加入大量時，石墨界面缺陷累積，材料力學性能急劇下降。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復合摩擦材料在制動過程中其磨損機制可能有磨粒磨損、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。表現為微切削、微犁溝、點蝕以及剝落。 四、利用有限元方法對摩擦材料摩擦熱-力耦合過程進行了模擬，并在定速式摩擦磨損試驗機上測試摩擦材料摩擦過程中摩擦表面溫度變化情況。通過模擬結果與定速摩擦溫升試驗對比，發(fā)現模擬結果與試驗結果較好吻合，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)、摩擦材料磨損機制的研究提供了理論與試驗依據。結果表明：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，且隨著制動壓力的提高，摩擦表面最高溫度相應提高，表面溫度梯度越大。隨著制動摩擦時間的推移，摩擦材料表面沿著滑動方向所受的剪切力逐漸增大，制動壓力越大，剪切力越大，且增長速度越快。定速摩擦溫升試驗中，摩擦襯片材料表面溫度隨著制動摩擦時間的推移逐漸升高，隨著制動壓力的提高，摩擦表面溫度上升速度加快。對比有限元模擬結果發(fā)現，模擬表面溫度高于定速摩擦升溫試驗結果，主要是由于有限元模擬過程中忽略了摩擦熱以空氣對

10、流、輻射、磨損微粒溫升等形式的耗散。有限元模擬結果與試驗結果中溫度隨時間的變化趨勢基本相同。要得到更加準確的模擬結果，要在模型中增加材料的磨損、化學變化等因素。 總之，本文嘗試性的設計了Fe3Al/Si3N4基復合摩擦材料體系，并試驗性證明了設計的可行性，對設計的材料進行了力學性能測試，著重測試了其摩擦磨損性能。測試中，不但考慮其它組元對其摩擦性能的影響，而且模擬測試了該材料在一些復雜工況條件下的摩擦性能?？寡趸詫嶒灪湍透g性