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粉末冶金综述论文
来源:未知 发布时间:2018-05-16 22:53
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  粉末冶金综述论文_材料科学_工程科技_专业资料。合金元素在 Cu-PM 材料中的应用研究进展 (重庆理工大学 重庆 巴南) 摘 要:在铜基粉末冶金材料中添加合金元素可以显著改善材料的性能特别是摩擦性能,烧结含合金元素 的 Cu-PM 材料是一种有发

  合金元素在 Cu-PM 材料中的应用研究进展 (重庆理工大学 重庆 巴南) 摘 要:在铜基粉末冶金材料中添加合金元素可以显著改善材料的性能特别是摩擦性能,烧结含合金元素 的 Cu-PM 材料是一种有发展前景的粉末冶金材料,如添加 Al、Cr、Ni 等元素。本文综述了合金元素对铜 基粉末冶金材料的性能和组织结构等的影响,总结了到目前为止相关领域的结论和进展,并讨论了 Cu-PM 材料生产现状和发展趋势。 关键词:合金元素;Cu-PM;应用;进展 1 引言 铜基粉末冶金摩擦材料是以铜粉为主要成分,此外含有润滑组元石墨和摩擦组元陶瓷颗粒以及强 化铜基体的合金元素等多种组分。其最早出现于 1929 年,材料是含少量的铅、锡和石墨的铜基合金。 铜基粉末冶金摩擦材料在飞机、汽车、船舶、工程机械等刹车装置上的应用发展较快,使用较成熟是 在 70 年代之后。前苏联于 1941 年后成功地研制了一批铜基摩擦材料,广泛应用于汽车和拖拉机上。 美国对铜基摩擦材料的研究也较多,主要是致力于基体强化,从而提高材料的高温强度和耐磨性。 二十 世纪初,铜基摩擦材料大多用在干摩擦条件下工作,五十年代以后,大约 75%的铜基摩擦材料,均在润 滑条件下工作。这些摩擦材料都是以青铜为基,以锌、铝、镍、铁等元素强化基体。由于合金元素在 铜基粉末冶金材料中的良好作用,国内很多单位及个人展开了相关方面的工作并发表了论文及成果。 本文就国内含合金元素的铜基粉末冶金材料的相关研究进行了论述。 2 Cu-PM 材料生产现状及国内外对比 纯铜粉末主要用电解法和雾化法生产。 电解法是借助电流的作用, 使电解液中的铜离子在阴极析出成粉的制粉过程。 用电解法生产的铜 粉呈表面积发达的树枝状、纯度高、压制性能优良, 是纯铜粉末的主要生产方法。相关文献表中数字 表明, 我国的铜及铜基合金粉末的产量和用量与欧美等国家差距很大, 这从一个侧面说明我国铜粉 生产与应用还具有十分广阔的开发空间。电解铜粉与国外产品相比, 主要差距在于:(1)产品的规格 少。(2)粉末的抗氧化性不足, 国外电解铜粉可以保存一年甚至数年都不氧化变色, 而国内铜粉保存 期一般不超过半年。 雾化法是借助于高压气流或水流介质的冲击作用将液态铜或其合金粉碎成粉末的工艺过程。所产 生的纯铜粉末为近球形, 松装密度大, 流动性好, 但压制性能较差, 用量不及电解铜粉。 由于雾化法 生产成本低、效率高、对环境污染小, 是一个很有发展潜力的生产方法。 我国的铜基合金粉末的应用以粉末冶金零件为主,与国外相比主要存在两个方面的不足:(1)在新 产品的开发能力方面。如美国青铜粉末公司开发了无铅可切削黄铜粉末,已形成 Cu-10Zn、Cu-20Zn 、 Cu-30Zn 三个牌号;而且国外大公司除完全合金化的粉末外, 还普遍开发部分合金化粉末和预混合粉 末, 为不同的产品和用户提供特定的粉末, 以提高产品性能, 降低生产成本, 而我国在这方面还是 空白。(2)特种铜基粉末的研制和生产能力不足。特种铜基粉末一般指非结构材料中应用的铜合金粉 末。这类粉末对合金的成分、纯度、粒度、粒形均有着较高的要求, 如热喷涂、钎焊、化工等领域应 用的铜基粉末。 目前这些高性能粉末主要是由高等学校和研究院进行研制和小批量生产试制, 还未形 成成熟的牌号和批量生产能力。而且部分特殊性能的粉末还需依靠进口。 3 合金元素添加对 Cu-PM 材料影响进展 3.1 Al 元素在 Cu-PM 材料中的应用 综合相关文献可知,材料的显微组织有新相生成,基体组织得到细化且晶粒分布均匀,材料整体 性能得到提高。其中,黄建龙等[1]关于 Al 元素含量对 Cu-PM 材料性能的影响研究中发现在 Cu-PM 材 料中添加铝元素后,材料的密度、孔隙度和抗压强度、摩擦因数降低,硬度和线膨胀率增加,而磨损 率明显降低,同时随着 Al 含量的增加,材料的密度、孔隙度、抗压强度逐渐降低,线膨胀率呈上升 趋势,磨损率明显降低,而摩擦因数变化不明显。杨明关于 Al、Zr 元素含量对 Fe-18Cu-PM 材料组织 和性能影响的硕士论文[2]中发现,Al 元素的添加量为 0%~3%,添加 Al 后材料的显微组织有 AlCu4 新相生成,且随着 Al 含量的增加,其力学性能不断提高(含铝 2%时材料的力学性能最佳),材料的摩 擦因数随 Al 含量和转速的增加先上升后下降,在 Al 量为 2%时, 在中高转速下摩擦材料的表面出现薄 的氧化膜,这些氧化膜薄较薄且致密,在 Al 含量为 3%时,在高转速下材料由于摩擦热的产生在表面 形成氧化膜较厚,且易剥落,剥落后的氧化以磨粒的形式存在,材料的磨损以粘着和犁削为主。 3.2 Cr 元素在 Cu-PM 材料中的应用 铬是改善铜基摩擦材料摩擦磨损性能的一个重要组元,以 Cr 或 Cr-Fe 取代传统材料中的陶瓷相 作为硬质相(即摩擦组元)制备铜基粉末冶金摩擦材料, 可改善硬质相与基体间的结合状态从而使摩擦 [3] 系数和磨损量降低。大连交通大学房顺利的学位论文 成果表明,铜基摩擦材料中添加铬元素有利于 提高材料的硬度和致密度,且随铬含量的增加,材料的摩擦系数降低、耐磨性增加,而摩擦系数随着 摩擦压力的增大整体降低,铬含量较高时,随着压力的增加,摩擦系数的降低幅度变小,磨损量随压力 增加而增加,且对于铬含量较少的材料比较明显。赵翔[4]等人的研究结论为用 Cr-Fe 取代传统铜基粉 末冶金摩擦材料中的陶瓷摩擦组元, 可有效改善硬质相与基体间的结合状态,摩擦过程中硬质颗粒不 易脱落,同时可改变传统摩擦材料的摩擦因数随速度提高而降低的特性,摩擦因数随转速提高呈先降 低后增加的趋势,从整体上看,以 Cr-Fe 为摩擦组元的摩擦材料相对于以 Al2O3 为摩擦组元的材料, 其摩擦因数提高 12%-27%,摩擦因数稳定性提高 10%-20%,线 为 摩擦组元的材料,在 7000 r/min 转速下摩擦后磨损表面存在脱落掉块的现象,而以 Cr-Fe 为摩擦组 元的摩擦材料的摩擦面平整,形成的氧化膜致密、无明显脱落掉块现象。 3.3 Fe 元素在 Cu-PM 材料中的应用 由相关文献可知,粉末冶金摩擦材料中经常加入铁粉,或作为基体组元,或作为摩擦组元,或是 与基体组元合金化。钟志刚等人[5]研究了 Fe 含量对 Cu 基金属陶瓷摩擦材料的摩擦磨损性能的影响, 发现随 Fe 含量从 5%增至 35%, Cu 基金属陶瓷摩擦材料的硬度基本呈线性增加,但 Fe 对摩擦系数的 提高是有限的。Fe 含量的增加导致了 Cu 基金属陶瓷摩擦材料的耐磨性降低,并且当 Fe 含量大于 20% 时,材料的磨损性急剧降低。从摩擦磨损综合性能考虑, Fe 粉可以部分替代 Cu 粉用以制造 Cu 基金属 陶瓷摩擦材料,但 Fe 粉含量不应超过 20%。陈洁等人[6] 发现 Fe 在铜基航空摩擦材料中起摩擦组元的 作用,当 Fe 含量超过 4%后能提高材料的摩擦系数,并且随 Fe 含量的增加,材料摩擦系数不断增加。低 转速摩擦条件下,Fe 组元起磨粒作用,使磨损量增大,降低了摩擦材料的耐磨性能。但在高速摩擦条件 下,随摩擦面温度的升高,Fe 参与摩擦面氧化膜工作层的形成,从而降低了磨损量,提高了材料的耐磨 性。对比 Fe 和 SiO2 的作用[7],Fe、 SiO2 都能提高材料的硬度,但加入 SiO2 降低了材料的密度。Fe、SiO2 都可作为摩擦组元,但二者增摩效果不同,摩擦速度较低时 SiO2 能较大地提高摩擦因数,却增加了材 料的磨损量;摩擦速度较高时,因表面工作膜的形成,SiO2 提高摩擦因数的作用较小,磨损量也较少。 Fe 虽然对摩擦因数的提高作用不显著,但能有效地增加材料的耐磨性。不同转速条件下,加 Fe 材料的摩 擦因数和磨损量的变化都较加入 SiO2 的材料要小。Fe、SiO2 在摩擦过程中的作用机理不同,它们对材 料摩擦性能的影响与本身的性质、 与基体的结合能力以及表面形成的工作膜等因素有关。沈红娟的硕 [8] 士学位论文 中得出了 Fe 在铜基粉末冶金材料中的作用,随着铁含量升高,磨损率增大,摩擦系数 在低速时增大,高速时减小。铁含量为 5%左右时摩擦材料的性能最好,具有较低的磨损率和较高的 摩擦系数,且摩擦系数和磨损率稳定。对铁含量 5%的试样外加铁粉,摩擦系数在低速度时(小于 2000r/min)几乎不变,在较高速度时减小。干湿摩擦相比,湿摩擦的磨损率大于干摩擦。 3.4 其他元素在 Cu-PM 材料中的应用 姚萍屏等人关于合金元素锌/镍对铜基粉末冶金刹车材料的影响[9]的研究发现, 铜基粉末冶金刹车 材料中加入少量的 Zn 能提高材料的摩擦因数,降低材料的磨损量,但 Zn 含量过多则反而会降低材料的 摩擦磨损性能。Zn 溶入基体,对基体起到了固溶强化作用。高转速摩擦条件下,Zn 能提高材料的耐磨 性能。而加入少量的 Ni 能提高材料的摩擦因数和耐磨性能,Ni 在基体中起到了固溶强化作用和细晶 强化作用,改善了材料的显微结构和物理性能,从而提高了材料的摩擦磨损性能。但 Zn、Ni 含量不宜 过高,加 Ni 比加 Zn 更有利于提高材料的综合性能。由文献[2]可知,添加 Zr 后材料基体显微组织有 FeZr3 新相生成,材料的组织晶粒细化,孔隙率下降,随着 Zr 含量的增加材料的抗压强度先上升后 下降, 材料的摩擦系数总体趋势呈先下降后上升的趋势。在 500r/min 的转速下材料摩擦划痕也显著 小于不含 Zr 的材料,材料主要以磨粒磨损为主。材料在中速 1500r/min 转速下有第三体生成,含锆 材料的由于基体组织完善,材料主要以氧化磨损为主,并掺杂少量磨粒磨损。在高速 3000r/min 下, 材料磨损以氧化磨损和磨粒磨损及疲劳磨损为主。赵翔等人[11]的研究表明 Al2O3 颗粒表面镀铜能使烧 结后的铜基粉末冶金摩擦材料 Al2O3-Fe-Sn-C/Cu 的力学性能有所改善,布氏硬度增加了 12%,弹性模 量提高了约 7%。Al2O3 颗粒镀铜使铜基粉末冶金摩擦材料 Al2O3-Fe-Sn-C/Cu 的摩擦磨损性能提高,摩 擦系数提高了 5%-10%,摩擦系数稳定性提高了 13%-23%,线 镀铜能使摩 擦材料 Al2O3-Fe-Sn-C/Cu 在摩擦过程中于摩擦表面形成致密的氧化膜,且不易出现脱落掉块现象。 4 Cu-PM 材料研究前景及效益 4.1 研究前景 铜基粉末冶金研究显示,由于材料的用途不同,配方的侧重点也有很大的差异,材料的力学性能也 不同,这似乎暗示影响摩擦材料性能的因素很多。目前,理论研究的结论很少,比如材料的动态性能, 高温疲劳性能分析,刹车的热机动态藕合等等,都是一些值得研究的问题。 材料应用的条件不同则可能 表现出不同的性能(比如被动围压),今后研究铜基粉末冶金摩擦材料可从以下几个方面考虑: (l)摩擦时产生振动的原因分析。 (2)刹车时摩擦材料中的热应力测量,磨损测量等。 (3)具有减震层的摩擦材料的抗震和除噪研究。 (4)摩擦材料的高温冲击及冲击磨损性能研究。 (5)材料在高速刹车时抗冲击性的 1:l 试验研究等。 (6)摩擦材料冲击疲劳过程中的微观形变。 4.2 铜基粉末冶金材料效益 4.2.1 经济效益(内容数据由郑州车辆北段技术设备科提供) 经估算,每吨铜基粉末冶金闸瓦的生产成本为 1.3 万元,每件闸瓦重 SKg,成本价约 40 元左右。目前列 车所用高磷铸铁闸瓦每件售价 30 元左右,复合材料闸瓦每件售价 65 元左右,由于铜基粉末冶金闸瓦性 能优越,建议每件售价 90 元,即每吨售价为 1.8 万元。全国消耗闸瓦达 5 亿元以上。对中型粉末冶金 厂,按年产 850 吨(约 17 万件)铜基粉末冶金闸瓦的生产能力计算,则: 铜基粉末冶金摩擦材料高温疲劳磨损和冲击性能研究年产值=年产量 x 售价=850x1.8=1530(万元) 年利润=年产量 x(售价-成本价)=805x(1.8-1.3)=25(万元) 利润率=(利润/成本)x100%=425/(850x1.3)=38% 摩擦片的需求:每根轮轴上装有个制动盘,每个制动盘有 2 个闸片,每节车有 4 根轮轴,所以每节车上需 用这种闸片 32 块,每片售价 50 元,一片的重量大约 3Kg,即每吨售价为 1.7 万元。仍按年产 850 吨,则 年产值为 1445 万元,年利润为 340 万元,利润率为 31%。 4.2.2 社会效益 铜基粉末冶金闸瓦寿命为高磷铸铁的 4 倍左右,消耗 850 吨闸瓦(约 17 万件)所用资金为 1530 万元, 相当于消耗 68 万件(17 万件 x4)高磷铸铁闸瓦,所需资金为 2040 万元(68 万件 x30 元/件)。因此年产 850 吨铜基粉末冶金闸瓦可为国家节约资金 510 万元(2040 万元一 1530 万元)。若用铜基粉末冶金闸 瓦/闸片,每件闸瓦/闸片寿命约为一年。这些闸瓦/闸片若全用铜基粉末冶金闸瓦代替,每年为我国节 约的资金数目是非常庞大的。另外,采用铜基粉末冶金闸瓦,由于更换次数大大减少,可省去列车检修 人员的大量工作,节省列车维修时间,其间接经济效益也很可观。 4.2.3 环境效益 铜基粉末冶金材料配方中各组分无毒、 无味,产品生产时无环境污染,而高磷铸铁生产时存在炉气、粉 尘等环境污染。另外,铜基粉末冶金闸瓦使用时,可避免或减轻铸铁闸瓦制动时的噪音和火花,减轻对 环境的危害。 5 结束语 改革开放以来,我国航天行业,航空行业,汽车制造业,机械行业和电子设备制造行业等快速发 展,迎合 21 世纪经济时代,更是呈井喷式飞速发展。行业制造中的活塞环、滑块、滑板、轴承、轴 瓦及精密仪器机床导轨等零部件表面长期受交变载荷作用,其中摩擦成为影响零部件主要因素,经常 会导致零部件失效甚至报废,从而一定程度上影响企业的经济效益。所以,对传统的减摩装置、减摩 材料和减摩工艺提出了更新观念、 引进先进技术的客观要求应运而生,粉末冶金减摩涂层就是一种防 止摩擦磨损的新兴技术。粉末冶金减摩涂层就是以金属及其合金为基体,常用的基体有铁基、铜基、 镁基、铝基、镍基等,用粉末冶金技术在基体表面层添加一层减摩层制成复合材料,以达到增强材料 抗高温、耐磨、疲劳强度增强的目的。日本的三部隆宏等专家指出:铜基粉末冶金摩擦材料具有更优 异的综合性能。 随着粉末冶金工业的不断发展及市场需求的不断扩大,合金元素在 Cu-PM 材料中的应 用将愈加成熟和广泛。 参考文献: [1] 黄建龙 . 王建吉 .党兴武 . 陈生圣 . 谢军太 . 铝含量对铜基粉末冶金材料性能的影响 [J]. 润滑与密 封,2013,(1):57-60. [2]杨明.Al、Zr 对 Fe-18Cu 基粉末冶金摩擦材料组织和性能的影响[D].南京航空航天大学,2011. [3]房顺利.铬对铜基粉末冶金材料摩擦磨损性能的影响[D].大连交通大学,2013. [4]赵翔.郝俊杰.彭坤.于潇.裴广林 Cr-Fe 为摩擦组元的铜基粉末冶金摩擦材料的摩擦磨损性能[J]. 粉末冶金材料科学与工程,2014,(6):935-939. [5]钟志刚.邓海金.李明.李东生.Fe 含量对 Cu 基金属陶瓷摩擦材料摩擦磨损性能的影响[J].材料工 程,2002,(8):17-23. [6]陈洁.熊翔.姚萍屏.李世鹏.Fe 在铜基粉末冶金摩擦材料中的作用[J].粉末冶金工业, 2006,(4):17-20. [7]姚萍屏.熊翔.黄伯云.航空刹车出来的应用现状与发展[J].粉末冶金工业,2000,10(6):34-37. [8]沈红娟.铁在铜基粉末冶金摩擦材料中的作用[D].大连交通大学,2009. [9]姚萍屏.熊翔.李世鹏.陈洁.黄伯云.合金元素锌/镍对铜基粉末冶金刹车材料的影响[J].润滑与密 封,2006,(4):2-3,22. [10]赵翔.郝俊杰.于潇.彭坤.张永振.Al2O3 镀铜对铜基粉末冶金摩擦材料 Al2O3-Fe-Sn-C/Cu 摩擦磨损 性能的影响[J].复合材料学报,2015,2):451-457. [11]陈仕奇.铜基粉末及材料研究新进展[J].粉末冶金工业,2002,(5):37-41. [12]邓陈虹.葛启录.范爱琴.粉末冶金金属基复合材料的研究现状及发展趋势[J].粉末冶金工 业,2011,(1):54-59. [13]丁华东.铜基粉末冶金含油自润滑材料研究进展[J].粉末冶金材料科学与工程, 1998, (1):34-38. [14]韩凤麟.铜基粉末冶金的过去、现状及前景[J].粉末冶金工业,2009,(1):39-48 [15]赵洪汐.熊计.稀土在铁基粉末冶金材料中的应用研究进展[J].稀土,2009,(3):76-78.

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