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粉末冶金综述论文
合金元素在Cu-PM材料中的应用研究进展
(重庆理工大学重庆巴南)
摘要:在铜基粉末冶金材料中添加合金元素可以显著改善材料的性能特别是摩擦性能,烧结含合金元素的Cu-PM材料是一种有发展前景的粉末冶金材料,如添加Al、Cr、Ni等元素。本文综述了合金元素对铜基粉末冶金材料的性能和组织结构等的影响,总结了到目前为止相关领域的结论和进展,并讨论了Cu-PM材料生产现状和发展趋势。
关键词:合金元素;Cu-PM;应用;进展
1 引言
铜基粉末冶金摩擦材料是以铜粉为主要成分,此外含有润滑组元石墨和摩擦组元陶瓷颗粒以及强化铜基体的合金元素等多种组分。其最早出现于1929年,材料是含少量的铅、锡和石墨的铜基合金。铜基粉末冶金摩擦材料在飞机、汽车、船舶、工程机械等刹车装置上的应用发展较快,使用较成熟是在70年代之后。前苏联于1941年后成功地研制了一批铜基摩擦材料,广泛应用于汽车和拖拉机上。美国对铜基摩擦材料的研究也较多,主要是致力于基体强化,从而提高材料的高温强度和耐磨性。二十世纪初,铜基摩擦材料大多用在干摩擦条件下工作,五十年代以后,大约75%的铜基摩擦材料,均在润滑条件下工作。这些摩擦材料都是以青铜为基,以锌、铝、镍、铁等元素强化基体。由于合金元素在铜基粉末冶金材料中的良好作用,国内很多单位及个人展开了相关方面的工作并发表了论文及成果。本文就国
内含合金元素的铜基粉末冶金材料的相关研究进行了论述。
2 Cu-PM材料生产现状及国内外对比
纯铜粉末主要用电解法和雾化法生产。
电解法是借助电流的作用, 使电解液中的铜离子在阴极析出成粉的制粉过程。用电解法生产的铜粉呈表面积发达的树枝状、纯度高、压制性能优良, 是纯铜粉末的主要生产方法。相关文献表中数字表明, 我国的铜及铜基合金粉末的产量和用量与欧美等国家差距很大, 这从一个侧面说明我国铜粉生产与应用还具有十分广阔的开发空间。电解铜粉与国外产品相比, 主要差距在于:(1)产品的规格少。(2)粉末的抗氧化性不足, 国外电解铜粉可以保存一年甚至数年都不氧化变色, 而国内铜粉保存期一般不超过半年。
雾化法是借助于高压气流或水流介质的冲击作用将液态铜或其合金粉碎成粉末的工艺过程。所产生的纯铜粉末为近球形, 松装密度大, 流动性好, 但压制性能较差, 用量不及电解铜粉。由于雾化法生产成本低、效率高、对环境污染小, 是一个很有发展潜力的生产方法。
我国的铜基合金粉末的应用以粉末冶金零件为主,与国外相比主要存在两个方面的不足:(1)在新产品的开发能力方面。如美国青铜粉末公司开发了无铅可切削黄铜粉末,已形成Cu-10Zn、Cu-20Zn 、Cu-30Zn 三个牌号;而且国外大公司除完全合金化的粉末外, 还普遍开发部分合金化粉末和预混合粉末, 为不同的产品和用户提供特定的粉末, 以提高产品性能, 降低生产成本, 而我国在这方面还是空白。(2)特种铜基粉末的研制和生产能力不足。特种铜基粉末一般指非结构材料中应用的铜合金粉末。这类粉末对合金的成分、纯度、粒度、粒形均有着较高的要求
, 如热喷涂、钎焊、化工等领域应用的铜基粉末。目前这些高性能粉末主要是由高等学校和研究院进行研制和小批量生产试制, 还未形成成熟的牌号和批量生产能力。而且部分特殊性能的粉末还需依靠进口。
3 合金元素添加对Cu-PM材料影响进展
Al元素在Cu-PM材料中的应用
综合相关文献可知,材料的显微组织有新相生成,基体组织得到细化且晶粒分布均匀,材料整体性能得到提高。其中,黄建龙等[1]关于Al元素含量对Cu-PM材料性能的影响研究中发现在Cu-PM材料中添加铝元素后,材料的密度、孔隙度和抗压强度、摩擦因数降低,硬度和线膨胀率增加,而磨损率明显降低,同时随着Al含量的增加,材料的密度、孔隙度、抗压强度逐渐降低,线膨胀率呈上升趋势,磨损率明显降低,而摩擦因数变化不明显。杨明关于Al、Zr元素含量对Fe-18Cu-PM材料组织
和性能影响的硕士论文[2]中发现,Al元素的添加量为 0%~3%,添加Al后材料的显微组织有AlCu4 新相生成,且随着Al含量的增加,其力学性能不断提高(含铝 2%时材料的力学性能最佳),材料的摩擦因数随Al含量和转速的增加先上升后下降,在 Al量为2%时,在中高转速下摩擦材料的表面出现薄的氧化膜,这些氧化膜薄较薄且致密,在Al含量为3%时,在高转速下材料由于摩擦热的产生在表面形成氧化膜较厚,且易剥落,剥落后的氧化以磨粒的形式存在,材料的磨损以粘着和犁削为主。
Cr元素在Cu-PM材料中的应用
铬是改善铜基摩擦材料摩擦磨损性能的一个重要组元,以Cr或Cr-Fe取代传统材料中的陶瓷相作为硬质相(即摩擦组元)制备铜基粉末冶