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Fe在銅基粉末冶金摩擦材料中的作用
銅基粉末冶金摩擦材料由于其良好的導(dǎo)熱性、耐磨性而被廣泛應(yīng)用于各種離合器和剎車裝置中。粉末冶金摩擦材料是以金屬及其合金為基體，添加硬質(zhì)顆粒摩擦組元和固體潤(rùn)滑組元，用粉末冶金的方法制造而成的金屬基顆粒復(fù)合材料。因此，可以通過調(diào)節(jié)和控制復(fù)合材料中各組元的含量及存在形式來改善材料的物理機(jī)械性能，進(jìn)而提高材料的摩擦磨損性能，最終得到綜合性能優(yōu)異的粉末冶金摩擦材料。
粉末冶金摩擦材料中大都加有Fe作為摩擦組元，以提高材料的摩擦系數(shù)，其含量一般在5％~25％ 的范圍內(nèi)。有資料顯示，F(xiàn)e含量在5％以下時(shí)，摩擦系數(shù)才有所提高，隨后Fe含量增加，材料的摩擦系數(shù)變化不大，且Fe含量增加，材料磨損量增加，對(duì)偶磨損量則減少。本文即針對(duì)Fe在新型銅基粉末冶金摩擦材料中的作用機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，明確了Fe對(duì)銅基粉末冶金摩擦材料摩擦系數(shù)的影響。
實(shí)驗(yàn)材料與方法
1>材料制備
按比例稱取各種粉末，經(jīng)手工混合后置于v 型混料器中混合6～8 h，混合料在400～600 MPa壓力下冷壓成形。在加壓燒結(jié)爐中于氫氣保護(hù)下進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為920～950℃ ，燒結(jié)壓力為2.0~3.5 MPa，保溫3～4h，然后水冷待溫度低于100℃后出爐。出爐后將燒結(jié)材料加工成 75 mm ×53mm的環(huán)塊。
2>檢測(cè)項(xiàng)目和方法
在HBRF一187.5型洛氏硬度計(jì)上測(cè)試材料的表觀硬度(HRF)，每個(gè)試樣測(cè)定五個(gè)點(diǎn)，取其平均值；在MeF3A型金相顯微鏡上觀測(cè)材料微觀組織；根據(jù)GB/T10421—1989測(cè)出材料密度：在MM-1000型摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行定速摩擦實(shí)驗(yàn)，試環(huán)及對(duì)偶尺寸 均為75mm ×53mm。對(duì)偶材料為30CrMoSiVA合金結(jié)構(gòu)鋼，硬度40 HRC。摩擦壓力為0.5 MPa，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為2.5 kg·cm·s^2，速度分別為1000、3000、5000、7000 r/min，摩擦?xí)r間為20 S；在KYKY一2800型掃描電鏡下觀察材料摩擦面形貌。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
1>Fe對(duì)材料結(jié)構(gòu)及物理性能的影晌
Fe顆粒多以游離狀態(tài)分布于銅錫基體中，在與基體結(jié)合處少量Fe原子能固溶于基體中。Fe與基體銅間這種良好的潤(rùn)濕性，以及該材料較高的燒結(jié)溫度(920～950℃ )，使得燒結(jié)過程中Fe原子活性增大，在基體中的擴(kuò)散加快，因此能在基體中均勻分布，且與基體結(jié)合良好。，隨銅基材料中Fe含量的增加，材料密度變化并不大，而材料硬度明顯提高。銅基摩擦材料中加入Fe后硬度提高的主要原因是，F(xiàn)e微溶于基體，與基體相不發(fā)生反應(yīng)，但在與基體結(jié)合處，少量Fe原子能固溶于基體中，起到了一定的固溶強(qiáng)化作用；另外，F(xiàn)e顆粒硬度明顯高于基體Cu，因此均勻分布的Fe顆粒又起到了一定的顆粒強(qiáng)化的作用，從而提高了材料的硬度。
2>Fe對(duì)材料摩擦系數(shù)的影響
隨摩擦速度的提高，材料的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。究其原因，摩擦是兩摩擦表面間相互粘著和嚙合程度及其性質(zhì)的函數(shù)。根據(jù)分子一機(jī)械嚙合理論，當(dāng)兩摩擦面間微凸體相互接觸時(shí)，接觸點(diǎn)材料由于分子間作用力而粘和在一起。摩擦過程中，這些接觸點(diǎn)間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而發(fā)生剪切現(xiàn)象。這種剪切力必然成為摩擦阻力。在低轉(zhuǎn)速下摩擦?xí)r，摩擦表面溫升不大，摩擦表面未發(fā)生相變等復(fù)雜變化，摩擦阻力主要來源于材料表面微凸體與對(duì)偶表面微凸體間的相互作用。而銅基摩擦材料較對(duì)偶材料軟得多，因此，此時(shí)摩擦副間的相互作用主要是對(duì)偶表面硬質(zhì)微凸體對(duì)較軟的銅基材料表面的犁溝作用。故低轉(zhuǎn)速摩擦?xí)r摩擦系數(shù)較大。隨著摩擦轉(zhuǎn)速的提高，由于大量摩擦熱的存在導(dǎo)致材料摩擦表面溫度迅速提高，而基體銅較軟，因此，材料摩擦面在摩擦過程中發(fā)生軟化和產(chǎn)生大量變形。材料表面存在的這種嚴(yán)重畸變導(dǎo)致材料表面能急劇升高，表面原子活性增大。因此高溫下表面層中均勻分布的Fe極易與大氣中的氧發(fā)生反應(yīng)，形成一層致密的氧化膜。高摩擦速度下，一方面材料表面的軟化，增強(qiáng)了材料的塑性，降低了微凸體間的機(jī)械嚙合作用，因此，降低了材料的摩擦系數(shù)。
另一方面，表面氧化膜的形成也阻隔了對(duì)偶與材料金屬問的直接接觸，從而進(jìn)一步降低了高速摩擦下的摩擦系數(shù)。Fe在銅基粉末冶金摩擦材料中一般是作為摩擦組分加入的。作為摩擦組元加入銅基材料的Fe，只有當(dāng)其含量大于4％后，材料的摩擦系數(shù)才隨Fe含量的增加而提高。Fe含量越高，材料摩擦系數(shù)的提高程度也越大，并且在不同的轉(zhuǎn)速條件下都能保持較高的摩擦系數(shù)，特別是在高轉(zhuǎn)速摩擦條件下也能表現(xiàn)出較高的摩擦系數(shù)。Fe對(duì)材料的增磨作用一方面在于，如前所述，F(xiàn)e顆粒均勻彌散地分布在材料基體中，起到了顆粒強(qiáng)化作用，明顯提高了材料的強(qiáng)度、硬度；另一方面，存在于摩擦面的Fe顆粒本身強(qiáng)度、硬度就比基體銅大，在摩擦過程中當(dāng)較軟的基體磨損后，F(xiàn)e顆粒便突出于摩擦表面，直接與對(duì)偶表面相接觸，承受摩擦阻力。并且材料中Fe顆粒與基體銅結(jié)合緊密，基體銅對(duì)鑲嵌其中的Fe顆粒的把持作用較強(qiáng)，摩擦過程中
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