铜基先进无油润滑复合材料的制备及其机理研究

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我国是高速缝制机械生产大国,其高性能摩擦零件具有巨大的应用需求,随着环境友好意识的增强及高速缝制机械无油润滑的发展趋势,研究具有高耐磨自润滑性能的摩擦零件用新材料具有重要的科学研究与应用价值。663锡青铜具有良好的导热和摩擦性能,是制备该领域摩擦零件的主要材料之一。本文以663锡青铜为基体原料,设计添加Ni、W、nano-Al2O3等为强化相,Ag、CaF2、MoS2、石墨(镀Ni石墨)等为润滑相,形成多组元复合粉末体系,制备出铜基石墨固体自润滑材料。在此基础上,为了进一步改善材料的力学性能,加入了镀铜碳纤维制备出了纤维增强铜基复合自油润滑材料。然后,在造孔后的材料中热浸聚四氟乙烯(PTFE)来制备具有良好自润滑性能的复合新材料。主要应用金相显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射对材料的组织结构和物相进行了分析;利用宏观维氏硬度计、拉伸试验机和摩擦磨损试验机对制备样品的力学性能和摩擦磨损性能及机理进行检测与分析。实验结果表明:通过对制备工艺的优化,得到的最优结果为:烧结温度为940℃,保温时间为4h;此工艺下制备的含3%石墨,镀铜碳纤维体积分数为11%的样品的组织含白色的基体相,孔隙中填充了润滑相和增强相,其维氏硬度为35.5HV,压溃强度为154MPa,性能优于其他烧结工艺下烧结的样品。当样品中镀镍石墨含量为1%时,随着镀铜碳纤维体积分数的增加,样品的密度、硬度和压溃强度等呈现出先增加后减小的趋势,而当镀铜碳纤维体积分数为15%时,材料的综合性能最好:其密度为6.53g/cm3,维氏硬度为39HV,压溃强度为180MPa,磨损量为10mg,摩擦系数为0.14,该样品具有良好的自润滑性能,其摩擦磨损机制主要是磨粒磨损和疲劳磨损。加入5%-13%造孔剂NH4HCO3后制备材料的力学性能随着造孔剂体积分数的增大呈现出先增大后减小的趋势;当NH4HCO3体积分数为9%时,样品的密度、硬度和压溃强度达到最大值,密度为5.52g/cm3,硬度为35.5HV,压溃强度值为148MPa。造孔后样品的组织中孔隙的分布比较均匀,大小不一,数量也较多。在造孔剂体积分数为9%的样品中,分别在50℃、60℃、70℃、80℃和90℃的水浴中热浸PTFE,随着热浸温度的逐渐升高,热浸到样品中的PTFE的量呈现出先增大后减小的趋势,当热浸温度为60℃时,样品中PTFE的含量最高。通过与相同配方的没有热浸PTFE的样品进行对比可以发现,PTFE的复合明显减小了材料的磨损量和摩擦系数,其磨损量为6mg,摩擦系数为0.08,证明该材料具有优异的自润滑性能。
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