新型风力发电机制动片材料研制.wps

1、1新型风力发电机制动片材料研制摘 要本文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，制定了粉末冶金法制备镁基复合材料的工艺方法。粉末冶金工艺采用先冷压后压制烧结的工艺方案。通过测试，确定了 36KN 为合适的最高压制压力。基体的烧结温度选用 550，制定本实验的优化工艺路线。性能测试实验表明：四种不同配比材料的烧结试样相比，20N 轻载时加入分散处理后的 SiC 晶须，在无润滑的情况下，通过对磨痕形貌的观察，发现 5%SiC 含量时使基体的摩擦磨损性能、硬度和力学性能较好；而 40N 重载时加入分散处理后的 SiC 晶须在无润滑的情况下，通过对磨痕形貌的观察

2、，得出加入 15%SiC 含量时复合材料的综合性能较好。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2The New Wind Turbine of Brake Material Development AbstractIn this paper the method for powder metallurgy in AZ91 magnesium alloyas mat-rix,silicon carbide whisker in order to strengthen the bodys magnesium based compo-sites.The sintering te

3、mperature and pressure with different influence on the performanc-e of the materials.Formulated the powder metallurgy method for magnesium matrix composite technology methods.Powder metallurgy process of the first cold pressing the sintering process scheme.Through the tests to determine the 36 KN ap

4、propriate for the highest thrust pressure.The matrix sintering temperature is 550.Thus the optimization of the experimentis formulated to process route.Performance testing experiment shows that four kinds of different proportion of the materials sintering,with 20 N light load,joined the scattered tr

5、eatment of SiC,inno lubrication,through to the morphology of grinding mark observation,wear resistance and hardness mechanical properties of 5%SiC matrix is better;And 40 N,through the observation of grinding mark morphology,joined the scattered process after the SiCin no lubrication,shows that 15%S

6、iC of the composite material comprehensive performance is better.Key words:Silicon carbide whisker,Powder metallurgy,Dispersant,Magnesium matrix composite materials,Friction and wear3目 录1 绪 论.1 1.1 本课题的提出.1 1.2 镁基复合材料的概述.1 1.2.1 镁及镁合金.1 1.2.2 镁基复合材料的研究现状.2 1.2.3 镁合金的强化方法.3 1.2.4 粉末冶金法制取镁基复合材料的优点.4 1

7、.3 增强体的简介.4 1.4 镁基复合材料的发展趋势.5 1.5 本论文研究目的与内容.62 晶须的分散处理.8 2.1 SiC 晶须和硅烷偶联剂的特性.8 2.2 SiC 晶须的应用现状.9 2.3 SiC 晶须分散的处理方法.9 2.4 SiC 晶须用硅烷偶联剂分散处理的步骤.93 实验材料及方案的选择.11 3.1 实验材料及实验设备.11 3.1.1 实验材料.11 3.1.2 实验设备.11 3.1.3 化学试剂.13 3.1.4 配粉过程.13 3.2 试样制备过程.14 3.3 工艺方案.14 3.4 实验方案的确定.15 3.5 试样表面预处理.154 复合材料性能及微观形貌

8、的分析.17 4.1 压缩试样的硬度测试.17 4.2 压缩试样的力学性能测试及分析.174 4.3 摩擦磨损试样性能测试与结果分析.20 4.3.1 轻载和重载时的磨损量比较.20 4.3.2 轻载和重载时磨损试样微观形貌的观察结果.21 4.3.3 轻载和重载时四种不同配比的摩擦系数.245 结论与展望.28 5.1 结论.28 5.2 展望.28致谢.29参考文献.3011 绪 论1.1 本课题的提出众所周知电是人们生活中必不可少的，近年来各国对于风力发电机的研究，逐渐增多。当然，作为风力发电机的的制动片装置的材料研究也是必须的，制动片一个很重要的性能评价标准就是抗摩擦磨损性能好。目前国

9、内外所用的摩擦材料有铸铁摩擦材料、碳/碳复合材料、粉末冶金摩擦材料等。下面分别介绍各种材料的优缺点:(1)铸铁摩擦材料:铸铁材料在铁路车辆上使用的历史最长，应用也最广，且价格低廉，摩擦系数一般在0.25-0.35，不受气候影响，并且导热性较好，对车轮损害小，可使车轮踏面粗化，从而获得较大的粘着力。但普通铸铁的摩擦系数小，且随车速的提升而迅速下降，为此各国都做了许多改进，如在铸铁中加磷或少量合金，但又带来脆性大，使用中容易出现裂纹。(2)碳/碳复合材料:由于碳纤维比重小(密度为1.59/cm-3，约为铁的1/5)。强度高、模量大、热膨胀系数小、耐高温，表现出了优良的综合性能碳复合材料是高速列车推

10、荐使用的较好的材质体系。但在不改革系统结构的情况下，磨耗量大、在湿润环境下摩擦系数小，还由于碳纤维价格昂贵，制造周期长(约需3个月)，制备工艺复杂。直接使用碳复合材料是不现实的。(3)粉末冶金摩擦材料:粉末冶金摩擦材料在性能质量上具有突出的优点，在组分的设计，产品的多样化上也极具灵活性，由于它可以任意改变材料的组分，可避免传统制造工艺中的疏松，缩孔材料组织的枝晶偏析及晶粒长大等铸造缺陷，现己有铁基、铜基、铁铜基和镁基等。总之，为了达到更高的工作温度和更好的工作效益，摩擦材料正在向更难熔的金属，更复杂的合金化方向发展。本文主要是采用粉末冶金摩擦材料中的镁基复合材材料作为研究的主要对象。1.2 镁

11、镁基复合材料的概述1.2.1 镁及镁合金镁是地壳中含量最丰富的元素之一，约占地壳总重量的2.35%，在金属元素中仅次于铝、铁元素，居第三位，在自然界中主要以白云石、菱镁矿的形式存在。此外，镁在2海水中约占0.13%，具有极大的潜在开发价值1。镁是银白色金属，原子序数是12，位于周期表第三周期第A主族，化学电位-2.37V。纯镁具有密排六方结构在25时的晶格常数为a=0.3202，c=0.51992，常温下只有0001面上的方向可以作为变形的滑移系，因此冷变形比较困难3。镁在潮湿空气、淡水、海水及绝大多数酸、盐溶液中易受腐蚀，而与其他金属接触时，会发生接触腐蚀。固态镁易发生氧化，熔融状态下的镁则

12、易发生燃烧。镁常用的物理性能如表1-1所示：表表 1-1 镁的主要物理性质镁的主要物理性质4 由于纯镁的力学性能较低，一般不单独用作结构材料，在纯镁中加入铝、锌、锂、锰、锆和稀土等元素形成的镁合金具有较高的强度，可以作为结构材料广泛应用。镁合金具有以下优点：(1)重量轻：镁合金比重在所有结构用合金中属于最轻者，它的比重为铝合金的68%，锌合金的27%，钢铁的23%，它除了可以做产品的外壳、内部结构件外，还是汽车、飞机等零件的优秀材料。(2)比强度、比刚度高：镁合金的比强度明显高于铝合金和钢，比刚度与铝合金和钢相当，而远远高于工程塑料，为一般塑料的10倍。(3)耐振动性好：在相同载荷下，减振性是

13、铝的100倍，钛合金的300500倍。(4)散热性好5：一般金属的热传导性是塑料的数百倍，镁合金的热传导性略低于铝合金及铜合金，远高于钛合金，比热则与水接近，是常用合金中最高者。(5)质感佳：镁合金的外观及触摸质感极佳，使产品更具豪华感。(6)可回收性好：只要花费相当于新料价格的4%，就可将镁合金制品及废料回收利用6。(7)稳定的资源提供：镁元素在地壳中的储量丰富，大部分的镁原料可以从海水中提炼，所以它的资源稳定、充分。1.2.2 镁基复合材料的研究现状 我国镁资源丰富，镁储量占世界总储量的22.5%，使镁合金具备了巨大的应用潜力。目前，镁合金已应用于汽车、摩托车等交通工具，计算机、通讯、仪器

14、仪表、家电等电 密 度熔点膨胀系数导热系数 比 热弹性模量1.74g/cm65026.110-6/145W/m101.7J/44.6GPa3子电器工业，轻工、化工、冶金、航空航天、国防军工等部门，随着镁合金提炼、加工处理技术的发展，镁合金材料将成为继钢铁和铝之后的第三大类金属材料，在世界范围内得到快速发展。21世纪是镁合金材料飞速发展的时代，发达国家已经领导了新世纪镁材料发展的新潮流。加入WTO以后，全球的经济一体化将使我国的制造业面临更大的挑战和机遇。因此，要想使我国在激烈的世界高新技术中占据一席之地，必须尽快开展镁合金产业化成套技术装备的研制和开发，使中国不仅成为镁资源大国，而且成为镁产品

15、强国。镁基复合材料是迄今在工业中应用的最轻的金属结构材料，具有重量轻、密度小、强度高、刚性好、压铸性能好、降低噪音、电磁屏蔽性和减震性好、可循环利用等特性。被材料专家誉为本世纪最具有开发和应用潜力的绿色工程材料7，近几年镁及其合金开始替代铝材和钢材。因此，我国汽车、摩托车等交通行业的骨干企业，己经结合具体产品或部件制订出采用镁合金的新产品研究开发计划。2005年，世界上的原镁产量约有34用于制造镁合金，36用于制造铝合金，其余用于炼钢脱硫剂、金属还原、化学品应用、电子产品以及锻轧合金等领域8。制动片用镁压铸件的增长是近十年来轻量化的热点，美国、欧盟、日本等制动业都成立了相应的研究部门和产业同盟

16、，制定并实施了相关研发计划，预计在21世纪有很大的发展前景。1.2.3 镁合金的强化手段 材料的强化是发挥材料潜力的主要途径，强化的方法也是多种多样，如金属材料的固溶强化、形变强化、热处理强化、高聚物的改性强化等，但对于镁基复合材料所具有的特殊性能和制造某些零件的限制而言，这些强化手段依旧不能满足要求，对于复合强化来说则可以满足。复合强化是指利用高强度、高模量的增强组分与基体材料进行人工复合，以提高材料的强度、硬度的方法。复合强化中常用的增强组分有两种。第一种是金属硬质化合物颗粒，硬质合金就是利用金属硬质化合物相的高硬度与金属的塑性而用作切削工具和耐磨件；第二种是高强度纤维，将具有高强度的纤维或晶须加到基体材料中，使材料得到强化，如玻璃纤维增强塑料基体(即所谓的玻璃钢)从40年代就得到了广泛的应用。目前，应用较多的复合强化工艺主要有纤维增强复合强化和颗粒复合强化9。纤维强化材料有高的强度和比强度、高的比弹性率、高的高温强度、良好的蠕变强4度、良好的抗蚀能力、良好的疲劳强度、高的抗磨损性能等。以颗粒增强金属或合金基体是一种较容易批量制造、加工、成形和成本较低的复合强化方法，可根据工件的工