铜基自润滑材料的设计制备及其在海水环境下的摩擦学性能研究

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本论文选取铝青铜作为自润滑复合材料的基体,通过优化材料组分和微结构以改善其在海水环境中的减摩与抗磨性能。采用粉末冶金工艺制备了兼具良好力学性能、耐腐蚀性能及摩擦学性能的铝青铜自润滑复合材料,并研究了其摩擦学性能,主要结果如下:  1.铝青铜复合材料在海水中的磨损机理包括磨粒磨损、粘着磨损和腐蚀磨损,而在低速率高载荷时易发生剥层磨损。海水中的Cl-和SO42-吸附于材料表面并加速腐蚀;铝青铜复合材料与摩擦对偶表面上存在CaCO3、Mg(OH)2及大量腐蚀产物Cu2O、Al2O3、Al(OH)3、FeOOH和Fe2O3,以上化合物在表面形成微弱结合的吸附膜,并对材料摩擦系数与磨损率的降低产生正面影响。  2.铝青铜复合材料在干滑动条件下具有比铅锡青铜更高的耐磨损性能,其磨损机理为粘着磨损与剥层磨损。摩擦过程中大量物质由铝青铜复合材料表面转移至对偶钢球表面并形成转移层,同时磨损表面发生了严重氧化。  3.铝青铜-Cr-Ag复合材料在海水环境及干滑动条件下均表现出较好的润滑与耐磨性能。添加Cr与Ag元素能够细化基体晶粒,同时少量Cr元素的固溶强化与弥散强化作用有效提高了材料的强度与硬度,从而显著改善了耐磨损性能。含有1 wt% Cr与4-8 wt% Ag的复合材料具有较好的摩擦学性能。  4.Ag元素在摩擦过程中转移至对偶表面,分布于两接触表面的Ag能够有效降低摩擦与磨损。同时Ag元素能够与磨屑相互混合,其优越的延展性减弱了磨屑对摩擦表面造成的磨粒磨损。过量的Cr与Ag元素会降低基体的致密性与组织均匀性,并增加内部缺陷,促进亚表层裂纹的萌生与扩展,最终破坏亚表层结构并加剧剥层磨损。  5.添加Ti3AlC2能够有效提高铝青铜材料的强度、硬度,并有效降低摩擦过程中的粘着磨损,从而提高复合材料的耐磨损性能。但陶瓷相与金属基体的表面润湿性较差,过量的Ti3AlC2会对材料的力学性能和耐磨性能造成不利影响。含有7-14wt%Ti3AlC2的复合材料具有较好的综合性能。  6.铝青铜与钢球表面在静态腐蚀过程中的腐蚀产物,与在海水中进行摩擦实验后磨损表面上的腐蚀产物相同。
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