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作者：陈思潭四川大学

学位级别：硕士

石墨烯通过sp2杂化碳原子的堆积,呈现二维蜂窝状平面结构,其性能十分优异。单层石墨烯的强度高达(130±10)GPa,平均断裂强度为55 N/m,热导率最大可达5300 W/(m·K),是铜热导率的10倍。基于超高的性能,石墨烯被广泛作为增强相应用于金属... 详细信息

石墨烯通过sp2杂化碳原子的堆积,呈现二维蜂窝状平面结构,其性能十分优异。单层石墨烯的强度高达(130±10)GPa,平均断裂强度为55 N/m,热导率最大可达5300 W/(m·K),是铜热导率的10倍。基于超高的性能,石墨烯被广泛作为增强相应用于金属基材料中,以期提高金属基复合材料的性能。目前,采用石墨烯作为增强相的金属基材料主要有Al基、Mg基和Cu基等。我国攀枝花地区蕴藏的大量钒钛磁铁矿以铁矿为主,并伴生V、Ti等优质元素,具有极高的综合开发利用价值。目前,多采用高炉冶炼技术进行资源开发,在此流程下不仅V和Ti回收率低,TiC和VC还会增加炉渣粘度,从而影响渣铁分离。既造成了资源的浪费,又加剧了环保的压力。本课题组前期针对攀枝花钒钛磁铁矿的成分和铁基摩擦材料成分要求进行了充分研究,提出了通过选择性原位碳热反应和真空烧结来制备铁基摩擦材料。这一技术考虑了原矿的成分特点并充分利用,极大提高了资源利用率。同时,该技术工艺简易且绿色环保。课题组前期通过“选择性碳热还原+真空烧结”技术制备出的铁基摩擦材料已经达到JB/T 3063-2011《烧结金属摩擦材料技术条件》中成分和性能的要求。为进一步提高材料的摩擦性能,借鉴石墨烯在增强金属基材料的有利作用,本文在前期研究的基础上添加石墨烯,探究石墨烯对铁基摩擦材料组织和性能的影响规律,确定石墨烯的最佳添加种类及其含量,以及对铁基摩擦材料组织和性能的增强机制。主要研究结果如下:(1)由钒钛磁铁矿直接制备的铁基摩擦材料主要由铁基体、润滑相(石墨)和硬质相(主要为TiC)组成,其微观组织主要是珠光体。石墨烯或石墨烯中间合金的添加不改变材料物相组成。(2)在铁基摩擦材料中添加石墨烯,石墨烯与基体润湿性差导致结合力弱,孔隙和裂纹易在界面结合处生成,一定程度上阻碍了材料的烧结致密化。利用化学镀法制备石墨烯中间合金,石墨烯表面镀铜后与铁基体润湿性提高,结合力增强,克服了石墨烯直接添加导致阻碍材料烧结致密化的不足。(3)添加石墨烯(0.2～1.0 wt.%)有助于改善铁基摩擦材料的微观组织。石墨烯的高导热能力加快了烧结后的冷却速度,从而提高过冷度,进而影响珠光体片间距。随着石墨烯添加量不断增加到0.8 wt.%,基体中的珠光体组织片间距逐渐减小。当石墨烯过量(>0.8 wt.%),珠光体片间距有所增大。(4)添加石墨烯(0.2～1.0 wt.%)有助于提高铁基摩擦材料的性能。与未添加石墨烯材料相比,随着石墨烯添加量不断增加到0.8 wt.%,硬度提高12%,磨损率和摩擦系数分别下降44%和19%。同时,材料磨损表面趋于完整和光滑,摩擦行为由严重的磨粒、粘着和氧化磨损转变为以中度的磨损和粘着磨损为主,伴随轻微的氧化磨损。然而,当石墨烯过量(>0.8 wt.%),在珠光体片间距增大和相对密度下降的共同作用下,材料性能降低,磨损表面出现大片剥落。综合来说,铁基摩擦材料中石墨烯的最佳添加量为0.8 wt.%。(6)添加石墨烯中间合金(0.2～1.0 wt.%)有助于改善铁基摩擦材料的微观组织。石墨烯中间合金提高了材料的吸热率,使得奥氏体形成和转变向高温推移,当石墨烯中间合金含量逐步增加至0.8 wt.%,基体的珠光体片间距和α-Fe晶粒尺寸逐渐减小。继续添加至1.0 wt.%,珠光体片间距和α-Fe晶粒尺寸有所增大。(7)添加石墨烯中间合金(0.2～1.0 wt.%)有助于提高铁基摩擦材料的性能。与未添加石墨烯样品相比,随着石墨烯中间合金添加量不断增加到0.8 wt.%,材料硬度提高29%,磨损率和摩擦系数分别下降69%和27%。同时,磨损表面趋于光滑,仅存在一些微磨痕。摩擦行为由严重的磨粒、粘着和氧化磨损转变为轻微的三者协同磨损。当石墨烯中间合金添加过量(>0.8 wt.%),材料硬度和摩擦性能下降,磨损表面恶化。综合来说,0.8 wt.%为石墨烯中间合金改善铁基摩擦材料组织和性能最佳含量。(8)石墨烯和石墨烯中间合金对铁基摩擦材料组织和性能的影响程度不同。达到与添加0.8 wt.%石墨烯材料相同的性能指标(硬度、磨损率和摩擦系数),仅需添加0.2～0.4wt.%石墨烯中间合金。综合来说,添加石墨烯中间合金材料的微观组织和性能更好,且通过石墨烯中间合金的形式添加可大幅降低石墨烯用量。(9)通过上述研究,确定了石墨烯改善钒钛磁铁矿直接制备铁基摩擦材料的最佳方案,即添加0.8 wt.%由化学镀制备的石墨烯中间合金(Cu包覆石墨烯)。其硬度、磨损率和摩擦系数分别为75 HB、0.468×10-7 cm3/J、0.3704。

关键词：钒钛磁铁矿铁基摩擦材料石墨烯中间合金摩擦性能

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Ni含量对钒钛磁铁矿原位合成制备铁基摩擦材料的影响

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材料工程 2018年第9期46卷 73-79页

作者：税玥冯可芹岳慧芳张燕燕严子迪四川大学制造科学与工程学院成都610065

以钒钛磁铁矿为主要原料,利用选择性碳热原位还原技术真空烧结制备铁基摩擦材料,研究添加合金元素Ni(1%~4%,质量分数,下同)对铁基摩擦材料的微观组织、力学性能及摩擦磨损行为的影响。结果表明:烧结试样由铁基体、润滑相石墨和硬质相(... 详细信息

以钒钛磁铁矿为主要原料,利用选择性碳热原位还原技术真空烧结制备铁基摩擦材料,研究添加合金元素Ni(1%~4%,质量分数,下同)对铁基摩擦材料的微观组织、力学性能及摩擦磨损行为的影响。结果表明:烧结试样由铁基体、润滑相石墨和硬质相(主要为TiC)3种组元构成,其基体组织主要是层片状的珠光体,具有较高强度和硬度。与未添加Ni的试样相比,添加Ni对铁基摩擦材料的组织和性能有不同程度的促进作用。添加少量的Ni(1%~2%)能有效促进材料烧结致密化,材料中的孔隙细小且数量较少,硬质相和石墨均匀分布,硬度和摩擦磨损性能均随着Ni含量的增加大幅度提高。但当Ni含量超过2%时,烧结试样中出现较大的孔洞并且石墨与硬质相均出现偏聚,材料硬度逐渐降低,磨损率和摩擦因数均随Ni含量的增加而有所增大。综合而言,当Ni含量为2%时材料的组织结构和性能均达到最佳。

关键词：铁基摩擦材料原位合成钒钛磁铁矿 Ni

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钒钛铁精矿碳热还原制备铁基摩擦材料的热力学分析

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材料研究学报 2014年第1期28卷 44-50页

作者：邓伟林冯可芹张光明李莹张雨四川大学制造科学与工程学院成都610065 四川工程职业技术学院德阳618000

利用钒钛铁精矿中的铁和钛元素,以钒钛铁精矿、石墨为主要原料,按铁基摩擦材料的成分添加其他组份,采用原位合成技术,实现合成与烧结一体化,制备铁基摩擦材料。对钒钛铁精矿还原过程中的热力学进行计算和分析,利用TG–DSC检测方法对还... 详细信息

利用钒钛铁精矿中的铁和钛元素,以钒钛铁精矿、石墨为主要原料,按铁基摩擦材料的成分添加其他组份,采用原位合成技术,实现合成与烧结一体化,制备铁基摩擦材料。对钒钛铁精矿还原过程中的热力学进行计算和分析,利用TG–DSC检测方法对还原过程中的质量变化进行分析。结果表明:当温度高于979 K时,钒钛铁精矿中Fe氧化物和Ti氧化物相继发生还原反应,其还原过程为:首先Fe3O4被还原,其次是钛磁铁矿和钛铁矿发生反应生成Fe和Ti的氧化物,最后是Ti的各阶氧化物反应生成TiC。本实验根据分析结果,制定了合理的工艺路线,获得了组织致密,结合优良的铁基摩擦材料。

关键词：钒钛铁精矿铁基摩擦材料原位合成热力学

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利用热处理改善钒钛磁铁矿直接制备的铁基摩擦材料组织与性能

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材料导报 2021年第14期35卷 14120-14124,14129页

作者：陈思潭冯可芹张燕燕蔡雨晨四川大学机械工程学院成都610065

以攀枝花钒钛磁铁矿为原料,通过选择性碳热原位反应和真空烧结技术直接制备得到铁基摩擦材料。为进一步提高材料性能,本工作研究了淬火与回火处理对铁基摩擦材料组织和性能的影响。结果表明:900~1000℃淬火使材料基体组织由珠光体向马... 详细信息

以攀枝花钒钛磁铁矿为原料,通过选择性碳热原位反应和真空烧结技术直接制备得到铁基摩擦材料。为进一步提高材料性能,本工作研究了淬火与回火处理对铁基摩擦材料组织和性能的影响。结果表明:900~1000℃淬火使材料基体组织由珠光体向马氏体转变,硬度和摩擦性能随淬火温度的升高先提升后下降,在950℃时效果最佳,摩擦磨损行为由热处理前较严重的磨粒磨损和粘着磨损转变为磨粒磨损,且磨损程度降低。950℃淬火试样分别在250℃、500℃和650℃进行回火处理,基体组织随着温度的升高先由马氏体向低硬度屈氏体转变,而后转变为硬度更低的索氏体,但500℃回火时发生的回火二次硬化和碳化物的脱溶使得材料硬度提升,摩擦性能进一步提高,摩擦磨损行为表现为轻微的磨粒磨损。综合而言,950℃淬火+500℃回火处理后的铁基摩擦材料组织及性能最优,相比未热处理材料,硬度提高32%,磨损率降低61%,摩擦系数降低18%。

关键词：铁基摩擦材料钒钛磁铁矿淬火回火摩擦磨损

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石墨对钒钛铁精矿原位制备铁基摩擦材料的影响

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材料热处理学报 2015年第10期36卷 16-21页

作者：岳慧芳冯可芹李莹张光明四川大学制造科学与工程学院四川成都610065 四川工程职业技术学院四川德阳618000

在真空条件下以钒钛铁精矿为原料原位碳热还原烧结制备铁基摩擦材料,研究石墨含量对铁基摩擦材料显微组织、硬度、摩擦性能以及磨损形貌的影响。结果表明,利用钒钛铁精矿可制备出性能优良的铁基摩擦材料;少量石墨促进烧结过程,石墨含量... 详细信息

在真空条件下以钒钛铁精矿为原料原位碳热还原烧结制备铁基摩擦材料,研究石墨含量对铁基摩擦材料显微组织、硬度、摩擦性能以及磨损形貌的影响。结果表明,利用钒钛铁精矿可制备出性能优良的铁基摩擦材料;少量石墨促进烧结过程,石墨含量为5%时,材料组织最致密,且孔隙趋于球形,过量石墨阻碍烧结颈的形成,割裂基体;当石墨含量从3%增加到7%时,材料硬度降低约36%,摩擦系数降低约25%,材料的磨损机制由粘着磨损和轻微的磨粒磨损转变为石墨自润滑磨粒磨损,最后转变为犁削磨损;适当的石墨含量和孔隙度能有效降低磨损率,石墨含量为6%时耐磨性最好,其磨损率为2.00×10-7cm3/J。

关键词：铁基摩擦材料钒钛铁精矿原位还原石墨

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铁基摩擦材料的使用性能

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粉末冶金技术 1991年第1期9卷 40-42页

作者：鲁焕民

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MoS_2对铁基摩擦材料烧结行为及力学性能的影响

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粉末冶金技术 2006年第3期24卷 182-186页

作者：熊翔陈洁姚屏萍李江鸿黄伯云中南大学粉末冶金研究所国家重点实验室长沙410083

MoS2作为润滑组元广泛应用于粉末冶金摩擦材料中。采用X射线衍射和能谱微区成份分析的方法,深入系统地探讨了铁基摩擦材料中MoS2的烧结行为,同时研究MoS2对这些材料力学性能的影响。结果表明:在烧结过程中,铁基摩擦材料中MoS2会分解为S... 详细信息

MoS2作为润滑组元广泛应用于粉末冶金摩擦材料中。采用X射线衍射和能谱微区成份分析的方法,深入系统地探讨了铁基摩擦材料中MoS2的烧结行为,同时研究MoS2对这些材料力学性能的影响。结果表明:在烧结过程中,铁基摩擦材料中MoS2会分解为S与Mo,且分解后的S、Mo活性很大,与材料中其他组元相互作用,或产生液相,促进烧结致密化过程;随MoS2质量分数从0增加到8%,材料的物理-力学性能先升高后降低,MoS2含量为4%的材料性能最佳。

关键词： MoS2 铁基摩擦材料烧结力学性能

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稀土氧化物掺杂对铁基摩擦材料性能的影响

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江苏理工学院学报 2023年第2期29卷 72-77页

作者：车明超刘联军李利冯建武西安航空制动科技有限公司粉末冶金厂陕西西安713100

文章采用洛氏硬度计对摩擦材料的力学性能进行表征,利用电子扫描显微镜(SEM)和MM-3000型摩擦磨损性能试验台,研究了微观形貌和摩擦磨损性能。研究结果表明:微量的稀土氧化物掺杂在铁基摩擦材料中可细化晶粒,降低烧结密度和硬度。相较于... 详细信息

文章采用洛氏硬度计对摩擦材料的力学性能进行表征,利用电子扫描显微镜(SEM)和MM-3000型摩擦磨损性能试验台,研究了微观形貌和摩擦磨损性能。研究结果表明:微量的稀土氧化物掺杂在铁基摩擦材料中可细化晶粒,降低烧结密度和硬度。相较于掺杂CeO_(2)和Dy_(2)O_(3),掺杂La_(2)O_(3)更有利于提高铁基摩擦材料的平均摩擦系数和耐热系数,并且在压力2000 N,转速6000 r/min的试验条件下,摩擦后的试样表面较为平整,无明显的犁沟和摩擦组元脱落现象。

关键词：稀土氧化物铁基摩擦材料摩擦系数耐热系数

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铁含量对钒钛铁精矿原位合成铁基摩擦材料的影响

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热加工工艺 2017年第22期46卷 100-104,108页

作者：张光明冯可芹岳慧芳蔺虹宾四川工程职业技术学院材料工程系四川德阳618000 四川大学制造科学与工程学院四川成都610065

以钒钛铁精矿和石墨为原料,在真空条件下采用原位碳热反应加烧结工艺制备了铁基摩擦材料,研究了铁含量(66wt%~82wt%)对铁基摩擦材料微观组织、相对密度、硬度、摩擦系数、磨损率、导热系数和压缩强度等性能的影响。结果表明:利用钒钛铁... 详细信息

以钒钛铁精矿和石墨为原料,在真空条件下采用原位碳热反应加烧结工艺制备了铁基摩擦材料,研究了铁含量(66wt%~82wt%)对铁基摩擦材料微观组织、相对密度、硬度、摩擦系数、磨损率、导热系数和压缩强度等性能的影响。结果表明:利用钒钛铁精矿可制备出性能良好的铁基摩擦材料。随铁含量增加,材料孔隙率逐渐减小,材料微观组织里出现层片状珠光体的趋势先增强后减弱。材料相对密度、布氏硬度、导热系数和压缩强度均随铁含量的增加而增大,但对磨损率而言,当铁含量从66wt%增加到78wt%时,磨损率从2.27×10^(-7)cm^3/J逐渐增大到3.82×10^(-7 )cm^3/J。当铁含量再增大到82wt%时,磨损率反而快速降低至1.06×10^(-7)cm^3/J。综合来看,当铁含量在70wt%~74wt%内时制备的铁基摩擦材料有较适中的摩擦系数、磨损率和导热系数。

关键词：钒钛铁精矿原位合成铁含量铁基摩擦材料

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MoS_2在铁基摩擦材料烧结过程中的行为研究

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非金属矿 2003年第4期26卷 50-52页

作者：陈洁姚萍屏熊翔乔卫东粉末冶金国家重点实验室长沙410083 万方铝业股份有限公司焦作454100

研究了MoS2 在铁基粉末冶金摩擦材料烧结过程中的行为。作为润滑组元广泛应用于粉末冶金摩擦材料中的MoS2 ,在氢气保护气氛下加压烧结时发生分解反应 ,通过分解后的Mo、S与材料中其他组元相互作用。

关键词：二流化钼铁基摩擦材料加压烧结分解反应固体润滑剂金相航空材料

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