TiCx-Fe基复合材料的制备以及摩擦性能的研究

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为获得一种耐磨的陶瓷增强铁基复合材料,本文从提高陶瓷增强相和铁基体之间的润湿性入手,运用Ti3AlC2特殊的三元层状结构,原位热压制备了 TiCx-Fe基复合材料,测试分析了复合材料的显微结构和弯曲、压缩、拉伸、硬度等力学性能以及分别在干摩擦和润滑摩擦条件下,摩擦系数、磨损率随法向载荷和增强相含量的变化规律,同时分析了复合材料的磨损表面。研究结果表明:(1)以Ti3AlC2粉(体积含量为10%~40%)和Fe粉作为原料,在Ar气保护下升温至1400℃,保温30 min;再降温至1250℃下加压30 Mpa,保温保压30 min,从而制备复合材料。当原料Ti3AlC2的体积含量从10%增加到40%时,Ti3AlC2都分解形成TiCx,而Al原子则扩散进入Fe基体中,进而原位自生制备了增强相体积含量为(7.6%、15.61%、24.07%、33.47%)的TiCx-Fe基复合材料。从显微结构中发现,没有明显的缺陷出现。(2)制备的7.6%TiCx-Fe基复合材料具有优异的塑性,在三点弯曲实验中没有被弯断。在拉伸实验中抗拉强度达到了419 MPa,伸长率达到了 6.82%;15.6%TiCx-Fe基复合材料的抗弯强度达到了 987 MPa,抗拉强度达到了 518 MPa,同时断后延伸率也达到5.19%;观察复合材料的拉伸断口,也能发现很多韧窝和剪切脊,这说明TiCx-Fe基复合材料表现出了较高的强度以及较好的韧性。随着增强相含量的提高,复合的脆性增强,在弯曲和压缩实验中均表现出了脆性断裂,24.07%TiCx-Fe的弯曲强度达到了 786 MPa,33.47%TiCx-Fe的压缩强度达到了1356 MPa,这主要归因于增强相颗粒与基体之间良好的界面结合。(3)干摩擦条件下,速度为10 m/s时,复合材料的摩擦系数变化范围为0.36~0.453;7.6%TiCx-Fe基复合材料的磨损率随法向载荷的变化范围为8.69× 1 0-6 mm3/N·m~19.25×10-6mm3/N·m,其它成分的复合材料的磨损率随法向载荷的变化比较稳定,并且保持在一个相对较小的值;7.6%TiCx-Fe和24.07%TiCx-Fe基复合材料的摩擦系数随速度(5m/s~20m/s)的增大而减小,而磨损率随速度的增大而呈现增大的趋势。这主要归因于磨损面上形成了一层氧化物薄膜。(4)在润滑摩擦条件下,速度为10m/s时,随法向载荷的增大复合材料的摩擦系数先减小后保持相对稳定,随增强相含量的增多而变小,变化范围为0.095~0.17;磨损率随增强相含量的增大而减小,随法向载荷的增大而增大,变化范围为2.17~5.91×10-7mm3/N·m,其良好的干摩擦性能主要与磨损面上的氧化物薄膜和润滑油有关。
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