粉末冶金法制备碳化硅晶须增强镁基复合材料性能研究 毕业论文.doc
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1、分类号 学校代号 10462 密 级 公开 学 号 0793082004 硕 士 学 位 论 文 粉末冶金法制备碳化硅晶须增强镁基粉末冶金法制备碳化硅晶须增强镁基 复合材料性能研究复合材料性能研究 学位申请人: 导师姓名及职称: 专业名称:机械制造及其自动化 学科门类:工学 论文提交日期:2012 年 5 月 II Dissertation Submitted to Zhengzhou University of Light Industry For the Academic Degree of Master Of Engineering Science Mechanics Propertie
2、s of Sic Whisker Reinforced Magnesium Matrix Composites by Powder Metallurgy Candidate: Zhou Yajun Supervisor: Liu Jianxiu Major: Mechanical and Electronic Engineering School of Electromechanical Science and Engineering Zhengzhou University of Light Industry Zhengzhou 450002, P.R.China May 2012 郑州轻工
3、业学院 学 位 论 文 原 创 性 声 明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中作 出了明确的声明并表示了谢意。 本人学位论文与资料若有不实,愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名: 年 月 日 郑州轻工业学院 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定,即:研究生在校攻读学位期间论文 工作的知识产权单位属于郑州轻工业学院。学校有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和电子版。
4、本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时,本人保证,毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一 律注明作者单位为郑州轻工业学院。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名: 指导教师签名: 年 月 日 年 月 日 I 摘要摘要 本论文以研制风力发电用制动衬垫摩擦材料为目的,以粉末冶金法制备了以镁合 金 AZ91 为基体、碳化硅晶须为增强体的镁基复合材料,主要研究了碳化硅晶须的分 散处理方式及对复合材料性能的影响;研究了不同烧结温度和压力对材料性能的影响; 制定了粉末冶金法制备镁基复
5、合材料的工艺方法;探讨了复合材料的摩擦磨损机制。 晶须的分散溶液选用 0.5g/L 的焦磷酸钠(SPP)水溶液、5%的吐温 80(Tween80)无水乙醇分散溶液和质量分数为 1%的硅烷偶联剂(KH550)无水乙 醇分散溶液,先后采用超声分散和磁力搅拌器搅拌两种方式进行分散。通过扫描电镜 (SEM)观察晶须的分散,结果表明质量分数为 1%的硅烷偶联剂(KH550)无水乙醇 分散溶液分散效果较好。 材料的制备采用先冷压后压制烧结的工艺方案,以基体 AZ91 为例进行实验。通 过测试不同压力下的试样密度,确定了 30KN 为合适的最高压制压力。烧结温度实验 选用 450、500、550、600四组
6、进行,通过密度、硬度、摩擦磨损性能测试和 显微组织观察,认为 550为合适的最高烧结温度,由此制定本实验的最优工艺路线。 用最优工艺制备了基体 AZ91、未分散处理的 20%SiCw/AZ91 和采用硅烷偶联剂分 散处理的 20%SiCw/AZ91 三种材料的试样,并对其进行性能测试。 摩擦磨损及硬度测试实验表明:与基体 AZ91 相比,加入 20%的 SiCw 使基体的摩 擦系数提高了 29.6%,硬度提高了 12.6%。分散处理后的 20%SiCw/AZ91 复合材料比 未进行分散处理的复合材料综合性能好。 通过对磨痕微观形貌的观察,结合磨屑的能谱分析以及硬度与磨损量的测试结果进 行分析,
7、认为 AZ91 基体的磨损机理主要是脆性材料的磨粒磨损,同时伴有粘着磨损 和氧化磨损;未进行分散处理的镁基复合材料的磨损形式主要是磨粒磨损,磨损量大, 经过分散处理的 20%SiCw/AZ91 复合材料的磨损机制为磨粒磨损和粘着磨损,磨屑较 少,磨痕较浅,基体与 SiCw 结合紧密,硬度与耐磨性最好。 关键词:关键词:碳化硅晶须;粉末冶金;分散剂;镁基复合材料;摩擦磨损 II ABSTRACT This article aims to prepare the magnesium-based composite materials as the friction materials by pow
8、der metallurgy ,wihich is a new attempt using in wind power as brake pads. The magnesium-based composite materials bases on the magnesium alloy AZ91, and silicon carbide whiskers is a strengthening phases. The paper mainly discusses the prosess modes of silicon carbide whiskers, and the influence to
9、 magnesium-based composite materials among those prosess modes. The paper researchs the influence of different sintering temperature and pressure on the properties of materials;makes out the production technique about preparing magnesium base composite materials by powder metallurgy; discusses the i
10、nfluence of silicon carbide whisker on composite hardness ,friction , abrasion wear and so on. Whisker distribution solution uses the 0.5g / L sodium pyrophosphate ( SPP ) aqueous solution, 5% Tween 80( Tween80) absolute ethyl ethanol solution and the 1wt.% silane coupling agent ( KH550) - absolute
11、ethyl ethanol solution, and dispersed these solution by ultrasonic and magnetic stirrer. Observing the disperssion degree of SiC whisker in the Scanning electron microscopy (SEM), it show that 1 wt.% silane coupling agent ( KH550) - absolute ethy ethanol dispersion solution is better. The power meta
12、llurgy process is according to the way of first cold pressing and then pressing and sintering process, and the discussions in this paper are based on the matrix as the example. Through testing different density under different pressure, it can be deduced that the pressure of 30KN is the suitable hig
13、hest pressure; select 450, 500, 550, 600, four kinds of temperature as a contrast, through density, hardness and friction abrasion wear tests, and microstructure observation prove, the results indicate that it is reasonable to sinter composites in the temperature 0f 550. Then make up the best experi
14、mental process acorring to the above. Acorring to the experimental process, it is prepared adopting the matrix of AZ91, no-diapersed 20% SiCw/AZ91 and the diapersed 20%SiCw/AZ91 three materials. The property test shows that: compared with AZ91, the matrix compositess friction coefficient has a 29.6%
15、 rise, and its hardness has a 12.6% rise. And the diapersed 20%SiCw/AZ91 is better than the no-diapersed 20% SiCw/AZ91. Through the observation of the micro topography, the EDS analysis, hardness test and the ware quantity test, it can be decused that the main wear mechanism of the matrix AZ91 is II
16、I abrasive wear and a little adhesive wear and oxidative wear; the main wear mechanism of the no-diapersed 20%SiCw/AZ91 is abrasive wear, and the ware quantity is the maximum. The main wear mechanism of the diapersed 20%SiCw/AZ91 is abrasive wear and the adhesive ware, and the the ware quantity is l
17、ittle, the matrix and the SiCw combines closely, and it has the best hardness and the friction and wear properties. Keywords: silicon carbide whiskers; powder metallurgy; dispersant; magnesium matrix composites; friction and wear I 目录目录 第一章 绪论.1 1.1 课题背景及意义.1 1.2 风力发电制动系统概述.1 1.2.1 制动器概述 .1 1.2.2 制动
18、衬垫 .2 1.3 国内外研究现状.3 1.3.1 摩擦材料研究概况 .3 1.3.2 镁基复合材料研究概况 .4 1.4 课题的提出及主要工作.5 1.4.1 课题的提出 .5 1.4.2 主要研究内容 .5 第二章 实验方法及分析手段7 2.1 复合材料的成分设计.7 2.1.1 基体材料的选择 .7 2.1.2 增强相的选择 9 2.2 制备方法的选择和技术路线的拟定 .11 2.2.1 制备方法 .11 2.2.2 技术路线的拟定 .11 2.3 实验设备及化学试剂.12 2.3.1 实验设备 .12 2.3.2 化学试剂 .12 2.4 复合材料的制备工艺过程 .12 2.4.1 晶
19、须分散处理 .12 2.4.2 配粉 .13 2.4.3 混料 .13 2.4.4 球磨 .13 2.4.5 模具的选择 .14 II 2.4.6 试样的压制烧结 .15 2.5 微观分析.15 2.5.1 SEM (Scanning Electron Microscope) 分析.15 2.5.2 EDS (Energy Dispersive Spectrometer) 分析.16 2.6 试样实际密度测量.16 2.7 性能测试.17 2.7.1 显微硬度测试 .17 2.7.2 摩擦磨损性能测试 .17 第三章 SIC 晶须分散方法研究19 3.1 SIC 晶须原始形貌19 3.2 SI
20、C 晶须分散原理.20 3.3 SIC 晶须分散试验.20 3.3.1 焦磷酸钠 (SPP) 分散处理21 3.3.2 吐温 80(Tween80)分散处理22 3.3.3 硅烷偶联剂分散处理 .23 3.4 小结.24 第四章 复合材料的制备及组织分析25 4.1 制样前期准备工作.25 4.1.1 理论密度的计算 .25 4.1.2 配料 .25 4.1.3 混料 .25 4.1.4 球磨 .25 4.1.5 球磨对复合混合粉末的影响 .26 4.2 复合材料的制备.27 4.2.1 冷压 .27 4.2.2 压制烧结 .28 4.3 压力对材料密度的影响.28 4.4 温度对材料密度的影
21、响.29 4.5 烧结工艺的制定.30 4.6 温度对 AZ91 基体组织形貌的影响32 III 4.7 小结 .33 第五章 性能测试与结果分析35 5.1 硬度测试分析.35 5.2 摩擦磨损性能分析.36 5.2.1 磨损概述 .36 5.2.2 复合材料摩擦磨损性能分析 .40 5.3 复合材料磨损微观形貌和机理分析.44 5.3.1 基体的磨损微观形貌和机理分析 .44 5.3.2 2复合材料的磨损微观形貌和机理分析 46 5.3.3 3复合材料的磨损微观形貌和机理分析 49 5.4 小结.51 结论与展望.53 致谢.55 参考文献57 附录.61 附录 1 攻读硕士学位期间发表论
22、文目录.61 第一章 绪论 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题背景及意义课题背景及意义 本课题来源河南省教育厅科技攻关项目,项目编号为092102210382。 风能作为一种清洁的可再生能源,越来越受到世界各国的重视。其蕴藏量巨大, 全球风能资源总量约为 2.74109 兆瓦,其中可利用的风能为 2107 兆瓦。中国风能 储量很大、分布面广,开发利用潜力巨大1。 随着世界经济的发展,风能市场也迅速发展起来。2010 年底,全球风电总装机容 量达 199,520 兆瓦,发电量超过 4099 亿千瓦时,占世界电力总发电量的 1.92%。传统 市场发展缓慢,新兴市场却蓬勃向上。中国拥有世界上增长最
23、快的风电市场,其风电 装机容量自 2005 年以来每年要翻一番。到 2020 年,中国国内风电厂运行中的总装机 容量有望达到 15 万兆瓦。在全球海上风电场领域占据领先地位的西门子也加入到中国 浩浩荡荡的风电产业发展大潮中。中国风电 2010 年新增装机容量达到 18, 928 兆瓦, 占全球新增装机容量 48%,超过美国,成为世界第一大风电市场2。但是,由于我国 风电产业基础薄弱,风电产业近期快速发展的瓶颈也很明显,无论是技术水平还是市 场规模,我国都落后于国外。目前国内风机市场的大部分份额被国外厂商占据,我国 的风电产业还面临国家投入不足,研究开发的系统性、完整性及连续性不够,工业基 础薄
24、弱,不足以支撑国家风力发电快速健康和稳定发展的市场需求等一系列问题。 1.2 风力发电制动系统概述风力发电制动系统概述 1.2.11.2.1 制动器概述制动器概述 制动系统是使风力发电机停止运转的装置,又称刹车系统,是风力发电机的组成 部分。大中型风机制动系统是由空气制动机构和机械制动机构组成。空气制动是通过 叶尖的扰流器来实现的,空气制动机构能够使风轮的转速减小,但却不能使风轮完全 停止转动。机械制动机构作为制动系统的重要组成部分,起着使风机停机的作用3。 对于不同的制动工况停机方案不同。风力发电机的制动工况主要有三种:正常停 机、安全停机和紧急停机。 (1)正常停机是指风电机组的外界环境改
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