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磷、硼对铁基粉末冶金材料摩擦磨损特性的影响

作　者: 苏柏万
导　师: 焦明华
学　校: 合肥工业大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 磷硼铁基粉末冶金减摩耐磨摩擦学
分类号: TH117
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着航空航天、船舶、汽车等工业技术水平的进步,对粉末冶金零件的使用性能要求也越来越高。由于许多粉末冶金零件应用在高速、高温、贫油、重载等摩擦工况,对粉末冶金材料的耐磨减摩及抗咬合性能要求很高,使得粉末冶金材料的摩擦学性能改善成为粉末冶金科学的一个重要研究方向。合金元素通过在材料中的弥散、偏析等作用,改变材料的组织结构、物相成分、机械性能,使材料获得优异的摩擦磨损特性,因而合金元素被广泛应用在粉末冶金材料优化中。磷、硼作为合金元素改善铁基粉末冶金材料摩擦磨损特性具有巨大的潜力和发展前景。本研究针对磷、硼的理化特性进行了大量的材料配方设计,通过粉末冶金工艺制备铁基烧结材料试样,利用HDM-20端面摩擦磨损试验机进行了含磷、硼铁基烧结材料在不同载荷条件下的摩擦磨损特性实验分析。并借助金相显微镜、扫描电镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)等方法系统地研究了材料的金相组织、磨损形貌、元素组成、物相结构和摩擦磨损性能之间的关系。通过研究磷含量对铁基烧结材料组织结构及摩擦磨损特性的影响表明：烧结过程中,磷的掺杂会促进合金元素富足的奥氏体区域向马氏体、贝氏体区域转化,达到烧结硬化的效果,明显提高材料硬度以及抗粘着擦伤的性能,改善复合材料的耐磨特性和承载能力。当含磷0.3wt%时材料可以获得较优的减摩耐磨效果,对自润滑性能提高也非常明显。但是含磷材料具有明显的脆性,当含磷0.5wt%时材料产生脆裂缺陷。通过研究硼酐、硼砂、硼铁三种添加方式的硼对铁基烧结材料组织结构及摩擦磨损特性的影响表明：硼酐、硼砂含量0.28wt%时可提高铁基材料孔隙率增强减摩性能,但是大幅降低材料承载能力；硼铁含量6wt%(B-1.2wt%)时可显著提高材料的摩擦稳定性,但是材料组织结构松散,承载能力差；20wt%Cu对添加6wt%FeB的铁基材料组织结构及摩擦磨损特性有明显优化作用；硼元素在铁基体中发生的硼化反应阻碍了材料烧结时的渗碳进程,促使片状珠光体球化,降低材料硬度。通过研究铜含量对含磷、含硼铁基烧结材料组织结构及摩擦磨损特性的影响表明：通过在含磷铁基材料中添加大量Cu,可有效改善材料脆性,提高摩擦磨损性能；Cu-15wt%含磷材料减摩性较无铜含磷材料提高2倍,耐磨性增强3倍以上。适量超出铜铁固溶极限的铜存在于硼化物、石墨和铁基体之间形成合金相,起到“粘结”作用,有效改善材料各相结合牢固程度,提高摩擦学性能。铜含量20wt%的材料中硼化物耐磨相和铜、石墨减摩相分布均匀,综合摩擦学特性优良。本论文研究通过对磷、硼影响铁基烧结材料组织和摩擦磨损性能的作用机理及其烧结理论的深入探索,对合金元素磷、硼在铁基烧结减摩耐磨材料中的应用拓展,为改善含磷、硼铁基烧结材料性能缺陷提供可供参考的技术思路,对制备高耐磨、低成本的新型高性能铁基烧结耐磨合金具有现实指导意义和实际应用价值。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
致谢  9-15
第一章绪论  15-23
  1.1 粉末冶金技术及应用  15
  1.2 粉末冶金材料的研究现状  15-17
    1.2.1 摩阻材料  16
    1.2.2 减摩材料  16-17
  1.3 合金元素磷、硼在冶金工业中的应用研究  17-21
    1.3.1 磷在冶金工业中的应用研究  17-18
    1.3.2 硼在冶金工业中的应用研究  18-21
  1.4 本文研究意义、目的和内容  21-23
第二章实验材料及方法  23-31
  2.1 实验材料  23-24
  2.2 烧结试样制备工艺  24-27
  2.3 材料配方设计  27-28
    2.3.1 磷含量不同的材料配方设计  27
    2.3.2 硼含量不同的材料配方设计  27-28
    2.3.3 铜含量不同的材料配方设计  28
  2.4 烧结材料组织表征分析  28-29
  2.5 烧结材料性能测试  29-31
第三章磷对铁基烧结材料组织及摩擦磨损特性的影响  31-40
  3.1 引言  31
  3.2 磷对铁基烧结材料机械物理性能的影响  31-32
  3.3 磷对铁基烧结材料组织结构变化的影响  32-35
  3.4 磷对铁基烧结材料摩擦磨损特性的影响  35-38
  3.5 本章小结  38-40
第四章硼对铁基烧结材料摩擦磨损特性的影响  40-53
  4.1 引言  40
  4.2 不同添加形式的硼对铁基烧结材料摩擦磨损特性的影响  40-45
    4.2.1 硼酐对铁基烧结材料摩擦磨损性能的影响  40-42
    4.2.2 硼砂对铁基烧结材料摩擦磨损性能的影响  42-43
    4.2.3 硼铁对铁基烧结材料摩擦磨损性能的影响  43-45
  4.3 硼铁-高铜铁基烧结材料的摩擦磨损特性  45-51
    4.3.1 摩擦磨损实验分析  45-47
    4.3.2 摩擦磨损机理分析  47-51
  4.4 本章小结  51-53
第五章铜对含磷、硼铁基烧结材料组织及摩擦磨损特性的影响  53-63
  5.1 引言  53
  5.2 铜对含磷铁基烧结材料组织结构及摩擦磨损特性的影响  53-57
    5.2.1 铜对含磷烧结材料机械物理性能的影响  53-54
    5.2.2 铜对含磷烧结材料组织结构变化的影响  54-55
    5.2.3 铜对含磷烧结材料摩擦磨损特性的影响  55-57
  5.3 铜对含硼铁基烧结材料组织及摩擦磨损特性的影响  57-62
    5.3.1 铜对含硼烧结材料机械物理性能的影响  57-58
    5.3.2 铜对含硼烧结材料组织结构变化的影响  58-59
    5.3.3 铜对含硼烧结材料摩擦磨损特性的影响  59-62
  5.4 本章小结  62-63
第六章总结与展望  63-65
  6.1 课题总结  63
  6.2 展望  63-65
参考文献  65-68
攻读硕士学位期间发表的论文  68

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