粉末冶金铁基磁性摩擦材料的制备与性能研究

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随着有轨列车运行速度不断提高,对保障列车安全运行的摩擦制动材料提出了更高的要求。本论文是基于采用电磁力进行摩擦制动的应用背景,研究铁基粉末冶金磁性摩擦材料的制备技术与综合性能。通过成分选择与优化,研究了无压烧结与SPS(Spark Plasma Sintering)烧结工艺下,P、Si、Ni、Cu、Mo、CeO2对粉末冶金铁基材料的组织、综合力学性能、摩擦性能以及磁性能的影响。在Fe-P二元粉末冶金合金中,当P质量分数为0.4%时,材料具有最高的冲击韧度值69.5J/cm2,随着P含量的增加材料的硬度、强度、密度、摩擦系数、饱和磁化强度呈先增加后减小的趋势,当P含量为0.8%时材料的综合性能最优,Fe-0.8P的密度为7.52g/cm3、抗拉强度为500Mpa、摩擦系数为0.53、饱和磁化强度为2.08T。合金中加入Si和Ni后,无压烧结Fe-0.8P-0.45Si的饱和磁化强度达到2.04T、摩擦系数为0.55、密度7.37g/cm3,无压烧结Fe-0.8P-0.45Si-1.75Ni的饱和磁化强度达到2.17T、摩擦系数达到0.53、密度为7.45g/cm3。添加Si使材料的摩擦系数增大、强度提高、韧性降低,材料的磁导率提高使得材料在低的外加磁场下具有高的磁化强度,加入Ni提高了材料的饱和磁化强度、改善了材料的韧性。加入Cu之后使得材料的韧性显著提高,含有Cu元素合金材料的冲击韧度普遍较高,均在15 J/cm2以上,Fe-0.4P-1.75Ni-2Cu高达30.47J/cm2,材料的摩擦系数为0.38,饱和磁化强度为1.86T。在合金材料中加入Mo与CeO2可以改善材料的密度、强度与饱和磁化强度,同时也可以细化晶粒,合金Fe-0.8P-0.45Si-1.75Ni-0.5Mo-0.2CeO2的致密度高达98.4%,摩擦系数高达0.56,饱和磁化强度为2.01T。合金的XRD分析结果显示,材料的物相大多为α-Fe,表明大多数合金元素都固溶到Fe基体中,但有少量的元素在晶界与晶内析出。其中采用SPS烧结工艺可以获得均匀细小的组织,基体的晶粒细小并且缺陷较少,而无压烧结材料的孔洞数量明显多于SPS烧结材料,晶粒也稍大于SPS烧结材料。采用SPS烧结工艺获得了致密度、强度、摩擦系数和饱和磁化强度等综合性能较优的材料,使得材料的密度与硬度大幅提高。其中,Fe-0.4P-1.75Ni-2Cu摩擦系数由0.38提高到0.57,提高了50.00%,对于Fe-0.4P-1.75Ni-2Cu合金的饱和磁化强度由1.86T提高到2.07T,提高幅度达11.29%。Fe-0.8P-0.45Si、Fe-0.8P-0.45Si-1.75Ni的磁导率较高,分别为30.7与33.0,Fe-0.8P-0.45Si的磁导率由25.0提高到30.7,提高了22.8%。
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