铁基高温自润滑复合材料的制备、改性及摩擦学性能调控

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现代工业的发展要求机械设备能在更高温度、载荷、速度和复杂环境下具有安全可靠的性能,这对材料的力学和摩擦学性能提出了更高的要求。目前,高温(500℃及其以上)重载的工作条件下,减摩抗磨材料主要为Ni、W、Mo基合金;近年来本课题组已对Ni基飞机发动机返回料进行水雾化获得合金粉末,制备出NiWCr基高温自润滑轴承材料,并在国内大型钢铁企业的辊子运输机、推钢机、连铸机上进行了试用,与原产品相比使用寿命大大提高。但目前存在的问题有:成本较高、合金化理论不足、热处理工艺不完善。  为降低NiWCr基高温自润滑材料的成本,完善合金化理论和热处理工艺,本文以Fe为基体石墨和MoS2为润滑剂,采用粉末冶金工艺,通过控制水雾化NiWCr合金粉末、Cu粉末的比例及热处理工艺制备了铁基高温自润滑材料,并对其成分、形貌、力学和摩擦学性能进行分析和讨论。具体研究如下:  (1)考察了不同质量分数的NiWCr合金对铁基自润滑材料的影响,并对试样进行相关的性能分析。在烧结过程中,MoS2发生部分分解,Mo与NiWCr固溶于Fe基体,其组织为FeNi合金+Cu+自润滑相+合金碳化物相;NiWCr合金的适量加入,游离石墨的含量减少,力学性能得到了明显提高。对不同NiWCr含量试样的摩擦磨损实验结果研究得出:适量的NiWCr合金有效地降低了材料在高温下的摩擦系数和磨损率,提高了材料的减摩抗磨性能。  (2)考察了不同的Cu含量对铁基自润滑材料的影响,发现Cu在烧结时形成液相,对铁基材料进行了活化烧结,Cu的加入减少了微裂纹的数量,提高材料的致密性,使其由脆性断裂向韧性断裂转变,力学性能得到了提高。摩擦学测试结果表明:适量的Cu有利于增强室温下自润滑膜的依附能力;Cu在500℃下变为软质相并融入自润滑膜,使润滑层更容易铺展,润滑膜均匀且磨损较小,在较高温度(500℃)下的摩擦磨损性能优于中温条件(300℃)下。  (3)考察了不同热处理工艺对铁基自润滑材料力学和摩擦学性能的影响,通过改变材料的组织结构改善材料的性能。经过热处理后,碳化物析出相分布更为细小弥散,整体的力学性能得到了提高。当热处理工艺为空冷淬火、淬火温度950℃、高温回火500~650℃时,材料具有较低的摩擦系数和磨损率,形成的润滑膜在高温下能更有效地阻止摩擦副间的相互接触,表现出最佳的摩擦学性能。
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