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Cu/FeS复合材料摩擦磨损性能与组织演变研究

洪振军

  铜基固体自润滑材料是减摩耐磨材料研究领域的一个重要发展方向,因其在特殊条件下具有优良的摩擦学特性而受到人们的广泛关注,对节约能耗,延长机械使用寿命及提高工作可靠性都有重要意义。本文通过反应合成法制备FeS质量分数为15%的Cu/FeS复合材料,经x-射线衍射分析和能谱分析表明合成的样品中含有Cu,FeS和少量的Fe2O3。 本文对合成的样品进行摩擦磨损实验测试,并对复合材料的摩擦形貌进行显微分析。实验测得,在干摩擦条件下,当载荷和滑动速度在一定范围内变化时,Cu/FeS复合材料的磨损机理主要为粘着磨损和磨粒磨损;在滑动速度、滑动距离和材料本身硬度不变的条件下,载荷的变化,决定着复合材料的磨损量与摩擦系数的变化。在载荷、滑动距离和材料本身硬度不变的条件下,随着滑动速度的增大,Cu/FeS复合材料的磨损量和摩擦系数减小。通过对复合材料摩擦形貌分析得出,干摩擦条件下,主要存在三种摩擦形貌:基体铜与对磨副直接接触而出现的粘着磨损区;润滑材料FeS与对磨副直接接触而出现的减摩区;第三种是微量的氧化物质点造成的磨粒磨损区。 本文在复合材料摩擦形貌分析基础上,运用分子动力学方法对15wt%Cu/FeS复合材料的传导性能、干摩擦条件下,体系内部的微观形貌,同时,本文还对15wt%Cu/FeS复合材料特殊工况—载流摩擦下,电场强度对材料微观结构的作用以及对摩擦性能的影响进行模拟预测。 通过分子动力学理论对理想复合材料传导性能的模拟得出:弥散分布在铜基体中的FeS颗粒的导热率明显低于纯硫化亚铁的导热率;颗粒弥散复合材料的传导性能不仅与环境温度有关,而且与增强相的弥散程度有关,结果证明,在低温时,采用修正后的热导率公式计算的理论值与实验值符合较好,同时也指出:15wt%Cu/FeS复合材料传导性能优异,适合作为受电弓滑板的新材料进一步研制和开发。 本文根据复合材料的透射电子显微镜(TEM)图,构建了15wt%Cu/FeS复合材料与纯铜为摩擦副的原子模型,采用分子动力学理论模拟得出:增强相FeS会在摩擦表面形成层状结构的固体润滑膜,并且容易沿密排面{0001}滑移,可以有效的降低复合材料的磨损量,同时很好地保护对磨纯铜材料,有效地延长对磨件的使用寿命。分析了滑动对粘着磨损的影响,并通过Cu//Cu摩擦副的粘着磨损的各个阶段进行探讨,得出:粘着磨损主要包含三个阶段,即初期阶段(原子排列的转变),中期阶段(混乱区的出现),严重阶段(粘着)。 电场的加入,直接影响到复合材料内部增强相的运动,使得Fe离子和S离子的重心发生偏移,使体系在电场发生转动,并沿电场方向伸长;不同的电场方向,对复合材料的作用有较大的差异,[010]方向的电场对15wt%Cu/FeS复合材料的影响最为明显。电场产生的体系温度变化对摩擦性能造成严重的影响,同时,强电场作用下,体系微观结构的变化也严重影响着摩擦性能。……   
[关键词]:铜基复合材料;摩擦磨损;组织演变;分子动力学;载流摩擦;电场强度
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:昆明理工大学2009年