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三维网络陶瓷/铁合金复合材料制备及其摩擦磨损性能研究

杨少锋

  耐磨性优良的陶瓷相与韧性、塑性、导热导电性良好的金属相形成互穿结构存在于整体材料中,通过陶瓷和金属的优良特性的相互补充,获得综合性能优良的三维网络陶瓷/铁合金复合材料,在耐磨、耐蚀、采矿等设备中具有巨大的潜在应用。目前,利用铁合金熔液无压浸渗陶瓷骨架工艺制备此类互锁结构的复合材料的主要困难在于:一是铁合金与陶瓷之间属于不润湿体系,铁合金不能自发的浸渗陶瓷骨架;二是铁合金与陶瓷之间的界面仅靠单一的机械结合,结合强度低,无法承载比较大的载荷和传递能量;三是铁合金的熔点高,对设备的要求比较高,制备难度大。本研究以解决铁合金与陶瓷之间的润湿和界面结合为目标,采取理论分析与实验相结合的方法,研究三维网络陶瓷/铁合金复合材料的制备工艺、微观组织以及摩擦磨损规律。 本研究中,采用在陶瓷中添加部分的金属Ni颗粒+镍盐液相浸渍-化学处理新工艺+铁合金无压浸渗和砂型铸造新工艺,解决了氧化铝陶瓷与铁合金润湿性差的问题,成功的制备出界面结合强度高的三维网络陶瓷/铁合金复合材料,并进行了摩擦磨损性能测试,分析了该类复合材料的摩擦磨损规律。 在陶瓷粉中添加部分的金属镍,经球磨-压制和有机泡沫浸渍-高温烧结,制备了含镍实芯陶瓷骨架和多孔陶瓷,镍颗粒均匀的分布在陶瓷中,部分颗粒相互连接,形成了联通结构;并首次采用镍盐液相浸渍-化学处理新工艺,对陶瓷体(多孔陶瓷)和氧化铝微粒进行Ni包覆处理,结果表明:采用此新工艺,能够在陶瓷体和陶瓷微粒表面形成均匀的、较致密的Ni包覆层,可以进一步改善与金属之间的润湿性。 采用铁合金真空无压浸渗制备实芯陶瓷增强的304不锈钢复合材料。结果表明:陶瓷与金属之间在界面无微裂纹存在,两相机械啮合,并存在一定厚度的浸渗层;通过对界面断口的XRD分析,有(Fe_xAl_y)_3O_4和(Al_xCr_y)_2O_3两个新相出现;界面结合机构为机械啮合、存在扩散层以及界面反应的混合机构,此混合机构大大提高了金属基体/陶瓷增强体之间的界面结合强度,界面强度(拉伸试验)达到63MPa ,而已有的研究中,复合材料的界面结合(拉伸)强度最高为22MPa。采用砂型铸造制备了三维网络陶瓷增强球墨铸铁、耐磨钢、高铬铸铁复合材料。所得到的复合材料无宏观铸造缺陷,陶瓷与铁合金的界面结合良好,界面结合机构为机械啮合、存在扩散层的混合机构。 对三维网络陶瓷/铁合金复合材料摩擦磨损性能研究发现,在低摩擦频率、中低摩擦载荷的摩擦工况下,由于复合材料中陶瓷骨架与金属基体界面结合良好,陶瓷相在磨损表面形成硬质突体并承载主要的载荷,从而抑制三维网络陶瓷/铁合金复合材料中金属相的塑性变形,减少偶件同金属相的接触,减轻粘着磨损,并有利于氧化膜在磨损表面的留存,复合材料的磨损以氧化磨损为主,摩擦系数稳定,其耐磨性明显优于所用金属材料本身;高摩擦频率,高摩擦载荷,磨损机制包括了氧化磨损、粘着磨损、磨粒磨损三种机制的共同作用,并且金属基体不同,摩擦机制以及耐磨性、磨损面的形貌存在很大差异;三维网络陶瓷/铁合金复合材料中金属相的硬度对提高复合材料的耐磨性能方面发挥重要作用,硬度较高的金属,所制备的三维网络陶瓷/铁合金复合材料的耐磨性越好。……   
[关键词]:陶瓷/金属复合材料;界面结合;三维网络;浸渗机理;摩擦磨损
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:华南理工大学2011年
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