粉末冶金的優點范文

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【關鍵詞】粉末冶金 模具 仿真技術 加工方法

中圖分類號：TD353.5 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2013）35-111-01

0引言

粉末冶金是通過制取金屬粉末或金屬粉末與非金屬粉末的混合物作為生產原材料，通過過壓制成形、燒結等工藝過程，制造出各種粉末冶金制品的工藝技術?，F在，這種工藝已經成為我們在新材料研制領域內的重要工藝技術。在粉末冶金工業中，模具對于在很多工序中都有所應用，并且對于整個生產工藝也具有較大的影響。粉末冶金模具是粉末冶金制品生產的重要工藝裝備，粉末冶金模具的質量對粉末冶金制品的質量具有直接的影響。然而，粉末冶金模具的質量主要取決于它的加工過程。因此，對于粉末冶金模具加工方法及仿真技術的研究，對于粉末冶金工業具有重大的意義。

1 粉末冶金模具的加工方法

目前，對于粉末冶金模具的先進加工方法種類很多，其中各種加工方法也是各有特點?，F就幾種主要的粉末冶金模具加工方法進行介紹，并對各種方法的特點和對粉末冶金模具的影響進行探討。

1.1 電火花加工方法

電火花加工的方法，是通過在放電瞬間產生劇烈高溫。然后，利用這一高溫將工件的表面熔化（甚至汽化），從而達到機械加工的目的。這種加工方法在一些難以加工的超硬材料加工中具有明顯的優勢。

（1）電火花加工方法的特點

電火花加工方法能夠有效的填補常規的機械加工方法對于難加工材料的不足，適用于對于強度高、熔點高、硬度高等難加工的材料的加工。另外，由于電火花加工方法直接利用電能與熱能進行加工，因此在加工過程中可以實現加工的自動化控制。再者，這種加工方法的精細度很高，對于粉末冶金模具這種加工質量要求較高的產品是一種較為合適的加工方法。不過，這種方法也存在著一定的缺點，那就是利用電火花加工方法加工的粉末冶金模具的表面粗糙度較高，會對粉末冶金工業造成一定的影響。

（2）電火花加工方法在模具加工中的應用

在粉末冶金模具電火花加工中，常是通過使用數控電火花機床來進行加工的。數控電火花機床可以實現粉末冶金模具的精密加工，確保滿足粉末冶金模具的質量要求。在粉末冶金模具的尺寸精度、仿形精度和表面質量等方面將發揮重要的作用。

1.2 仿形磨削加工方法

利用仿形磨削加工方法加工粉末冶金模具，即是通過利用專門的平面磨床，通過仿形尺對粉末冶金模具進行仿形磨削。這種粉末冶金模具加工方法的特點是其加工生產的粉末冶金模具的精密度較高，且表面較為光滑、平整，粗糙度較低。這種加工方法的缺點是加工效率較低。

1.3 數控線切割加工方法

數控線切割加工的方法，是通過將金屬絲電極安裝在一個轉動的貯絲筒上，然后分別將被切割工件與金屬絲電極接到高頻電源的正、負極上，通過計算機技術控制控制電極的移動方向，并通過電火花加工達到自動切割的目的。

數控線切割方法是計算機技術與電火花加工技術的結合，可以發揮電火花加工方法的優點，還可以實現自動切割的目的。其在粉末冶金模具的加工上具有重要的作用。由于這種加工方法對于電極沒有特別的要求，并可以對各種硬度和形狀的工件進行加工。數控線切割加工的方法，還可以反復的使用電極絲，加工損耗小、精度高等特點，非常適合粉末冶金模具的加工生產。因此，數控線切割加工的方法也是目前在粉末冶金模具加工中最常用的方法之一。

2 粉末冶金模具的數控加工動態仿真

計算機仿真技術在各類科技領域都有廣泛的影響，隨著計算機仿真技術不斷發展成熟，已經可以應用到產品從概念設計到結束使用壽命的整個周期的各個環節中，其中在產品的加工階段應用更為廣泛。在粉末冶金模具的加工過程中，仿真技術的應用將對粉末冶金模具的加工行業，甚至整個粉末冶金工業都具有重要的意義。

在粉末冶金模具的加工過程中，建立一個較為精確的數控加工動態仿真模型，通過模擬整個模具加工過程，從而獲得在粉末冶金模具加工過程中所需的幾何數據和力學信息，以及加工過程中可能發生的不良影響和可能出現的偏差值。通過數控動態仿真模型，便可以在加工前獲得準確的信息，規避可能產生的不良影響，有效的降低了加工失誤、偏差等現象發生的可能性。

在粉末冶金模具的加工過程中，利用精確的數控加工動態仿真模型，可以獲得準確的數控加工代碼，避免加工的錯誤和偏差；另外，還可以對加工誤差值、刀具磨損等進行預測，為保證粉末冶金模具的質量要求和刀具的更換提供重要的參考信息。因此，在粉末冶金模具的制造加工過程中，計算機仿真技術發揮了重要的作用，對于保證模具加工生產的質量和提高模具生產效率都有很大的幫助。

3 結語

粉末冶金模具的加工，對于粉末冶金制品的質量具有很大的影響。目前，對于粉末冶金模具的加工方法仍具有很大的發展空間，計算機仿真技術在粉末冶金模具加工中的應用，也還需要人們不斷的進行發展和研究。

參考文獻：

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1高速壓制

高速壓制技術的誕生實現了總質量大于5.0kg的高密度大型粉末冶金零件的燒結，在20ms之內對粉末實現壓縮處理，在3000ms之內實現多次的壓制，提高齒輪零件的密度。當前粉末冶金的困境可通過高速壓制打破，鑒于傳統的壓制成形對成形壓力的要求非常高，但是壓機噸位又對成形壓力造成了限制，因此無法滿足傳統壓制成形技術的成形壓力要求，高速壓制基本上不會受到成形壓力的影響。粉末帶有預合金化與擴散合金化的雙重特征，其密度最大可達到7.7g/cm3，在粉末冶金行業得到了廣泛的應用。通過液壓進行控制的沖錘，其產生的沖擊波比較強，可實現高速壓制的致密化，而致密化的程度主要是由沖錘的速度以及質量而決定的，因此其采用的是液壓控制，因此可防止出現非軸向反彈，避免損壞壓坯。進行多次高速壓制是可行的，并且經過重復壓制之后，齒輪零件的密度會顯著增加，單次的沖擊時間間隔要求＜300ms，通過計算機對沖錘的沖擊功以及行程實現精準的控制，確保多次沖擊壓制可快速完成。然而，高速壓制技術尚處于研究階段，在復雜的臺階型的零件制備方面尚有很大的潛力可供挖掘。

2燒結齒輪的表面致密化技術

提高粉末冶金齒輪零件性能的核心方法在于提高密度，筆者認為，經過熱處理以及后加工的齒輪零件，其性能并不十分理想，出現了失效的問題，而失效問題出現的主要原因是齒輪的表面接觸疲勞，提高齒輪疲勞性能的的主要途徑及時提高其表面的密度。對齒輪進行表面滲碳或者是激光熱處理，可提高齒輪的外部硬度，增加其碳含量，提高其耐磨性與韌性。粉末冶金齒輪普遍存在著一定數量的孔隙，因此其表面接觸疲勞強度不如經過鑄軋鋼加工的齒輪，然而經過表面致密化處理之后，齒部跟軋輥模進行接觸的表面可達到全致密的效果。經過表面致密化之后，齒輪的齒部表面處于無孔狀態，心部則是多孔體，因為只有齒輪的表面承受外加的應力，所以可降低齒輪的生產成本。通過軋輥模對燒結齒輪進行反復地軋制，可切實提高齒輪的齒形精度以及尺寸精度。如果齒輪的表面致密化深度＞0.7mm，則齒輪的表面接觸疲勞強度得以增強，降低齒輪的表面粗糙度，臻于“鏡面”標準，保持絕對的光滑狀態，降低齒輪在運行時所產生的噪音。再對表面無孔的齒輪進行熱處理，按照滲碳鋼的水平對齒輪的接觸疲勞強度以及彎曲疲勞強度進行適當的調整，大致的技術流程為成形燒結機加工表面致密化熱處理。表面致密化技術的優點可概括為噪音低、尺寸精度高、耐磨性高、耐腐蝕性強等，而這正是高質量的齒輪所必須要具備的客觀條件，即便是密度僅僅為7.25g/cm3的燒結齒輪，經過表面致密化處理之后，其表面接觸的疲勞性能比鑄軋鋼更高。

3結語

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[關鍵詞] CNTs；鎂基；復合材料；制備方法

[中圖分類號] TB331 [文獻標識碼] A 文章編號：1671-0037（2014）01-66-1.5

鎂及鎂合金具有密度低，比強度、比剛度高，鑄造性能和切削加工性好等優點，被廣泛應用于汽車、航空、航天、通訊、光學儀器和計算機制造業。但鎂合金強度低，耐腐蝕性能差嚴重阻礙其廣泛應用。

碳納米管不僅具有極高的強度、韌性和彈性模量，而且具有良好的導電性能，還是目前最好的導熱材料。這些獨特的性能使之特別適宜作為復合材料的納米增強相。近年來，碳納米管作為金屬的增強材料來強度、硬度、耐摩擦、磨損性能以及熱穩定性等方面發揮了重要作用。

近些年，鎂基復合材料成為了金屬基復合材料領域的新興研究熱點之一，碳納米管增強鎂基復合材料的研究也逐漸成為材料學者研究重點之一。本文就目前有關碳納米管增強鎂基合金復合材料的制備技術做綜述，以供研究者參考。

1 熔體攪拌法

熔體攪拌法是通過機械或電磁攪拌使增強相充分彌散到基體熔體中，最終凝固成形的工藝方法。主要原理是利用高速旋轉的攪拌器攪動金屬熔體，將CNTS加入到熔體漩渦中，依靠漩渦的負壓抽吸作用使CNTS進入金屬熔體中，并隨著熔體的強烈流動迅速擴散[1]。

周國華[2]等人采用攪拌鑄造法制備了CNTs/AM60鎂基復合材料。研究采用機械攪拌法，在精煉處理后，在機械攪拌過程下不斷加入碳納米管到鎂熔體中，攪拌時間20 min，然后采用真空吸鑄法制得拉伸試樣。研究結果顯示，碳納米管具有細化鎂合金組織的作用，在拉伸過程中，能夠起到搭接晶粒和承載變形抗力的作用。

C.S.Goh[3]等采用攪拌鑄造法制備了CNTS / Mg基復合材料時，金屬熔化后采用攪拌槳以450 r / min的轉速攪拌，然后用氬氣噴槍將熔體均勻地噴射沉積到基板上，從而制得CNTS / Mg基復合材料。力學性能測試表明，復合材料具有較好的力學性能。

李四年[4]等人采用液態攪拌鑄造法制備了CNTS/Mg基復合材料。CNTS加入前首先經過了化學鍍鎳處理，研究采用了正交實驗，考察了CNTS加入量、加入溫度和攪拌時間對復合材料組織和性能的影響。研究結果表表明，CNTS加入量在1.0%、加熱溫度在680 ℃、攪拌3 min時，能獲得綜合性能較好的復合材料。

攪拌鑄造法優點是工藝簡單、成本低、操作簡單，因此在研究CNTS增強鎂基復合材料方面得到廣泛應用。但攪拌鑄造法在熔煉和澆鑄時，金屬鎂液容易氧化，CNTS均勻地分散到基體中也存在一定難度。

2 消失模鑄造法

消失模鑄造是將與鑄件尺寸形狀相似的石蠟或泡沫模型黏結組合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘干后，埋在干石英砂中振動造型，在負壓下澆注，使模型氣化，液體金屬占據模型位置，凝固冷卻后形成鑄件的新型鑄造方法。

周國華[5]等人就通過消失模鑄造法制備CNTs / ZM5鎂合金復合材料。將PVC母粒加入到二甲苯中溶解，把CNTs加入上述溶液中超聲分散10 min后過濾、靜置20 h，裝入發泡模具發泡成型，用線切割機加工制得消失模。把制得的含碳納米管的消失模具放入砂箱內，填滿砂并緊實，將自行配制的ZM5鎂合金熔體澆注制得復合材料。實驗結果表明，碳納米管對鎂合金有較強的增強效果，對ZM5合金的晶粒有明顯的細化作用。

3 粉末冶金法

粉末冶金法是把CNTS與鎂合金基體粉末進行機械混合，通過模壓等方法制坯，然后加入到合金兩相區進行燒結成型的一種成型工藝。粉末冶金法的優點在于合金成分體積分數可任意配比而且分布比較均勻，可以避免在鑄造過程中產生的成分偏析現象，而且由于燒結溫度是在合金兩相區進行，能夠避免由于高溫產生的氧化等問題。

沈金龍[6]等人采用粉末冶金的方法制備了多壁碳納米管增強鎂基復合材料。試驗采用CCl4作為分散劑將鎂粉和CNTS混合，在室溫下將混合粉末采用雙向壓制成型后進行真空燒結，制成碳納米/強鎂基復合材料。研究結果表明：碳納米管提高了復合材料的硬度和強度，鎂基復合材料的強化主要來自增強體的強化作用、細晶強化和析出強化。

Carreno-Morelli[7]等利用真空熱壓燒結粉末冶金法制備了碳納米管增強鎂基復合材料。研究發現，當CNTs含量為2%時，復合材料的彈性模量提高9%。

楊益利用利用粉末冶金法，制備了碳納米管增強鎂基復合材料，研究了碳納米管制備工藝和含量對復合材料組織和性能的影響。研究采用真空熱壓燒結技術，通過研究發現，在熱壓溫度為600 ℃、保壓時間20 min、保壓壓力在20MPa、CNTS含量為1.0%時，制得的復合材料具有強度最高值。TEM分析CNTS與鎂基體結合良好，增強機理主要有復合強化、橋連強化和細晶強化。

4 熔體浸滲法

熔體浸滲法是先把增強相預制成形，然后將合金熔體傾入，在熔體的毛細現象作用下或者一定的壓力下使其浸滲到預制體間隙而達到復合化的目的。按施壓方式可以分為壓力浸滲、無壓浸摻和負壓浸滲三種。

Shimizu等采用無壓滲透的方法制備了碳納米管增強鎂基復合材料，隨后進行了熱擠壓，力學性能測試顯示，抗拉強度達到了388MPa、韌性提高了5%。

5 預制塊鑄造法

周國華等人采用碳納米管預制塊鑄造法制備了CNTS / AZ91鎂基復合材料。將AL粉、Zn粉、CNTs按比例混合分散后，用50目不銹鋼網篩過濾后在模具中壓制成預制塊。然后利用鐘罩將預制塊壓入鎂熔體并緩慢攪拌至預制塊完全溶解，采用真空吸鑄法制得復合材料試樣。研究結果表明，預制塊鑄造法能夠使CNTs均勻分散到鎂合金熔體中，復合材料的晶粒組織得到細化，力學性能明顯提高。

6 結語

近年來，CNTs在增強鎂基復合材料的研究越來越多，目前存在的主要問題是CNTs的分散和與基體界面的結合等問題。由于但碳納米管具有高的比表面能，使其在與其他材料的復合過程中易形成團聚，導致復合材料性能不甚理想，最終起不到納米增強相的效果，同時碳納米管屬輕質納米纖維，與各類金屬的比重相差太大，不易復合。目前有關碳納米管增強鎂基合金復合材料的研究還處于初期階段，隨著技術的不斷發展，新工藝和新方法不斷出現，CNTs的分散及與基體的界面結合等問題將逐漸被解決，開發出性能優異的CNTs / Mg基復合材料將有著重要的意義。

參考文獻：

[1]張玉龍.先進復合材料制造技術手冊[M].北京：機械工業出版社，2003

[2]周國華，曾效舒，袁秋紅.鑄造法制備CNTS/AM60鎂基復合材料的研究[J].鑄造，2009，58（1）：43-46.

[3]Goh C S， Wei J， et al.Ductility improvement and fatigue studies in Mg-CNT nano-composites[J].Compos Sci.Techn，2008，

68：1432.

[4]李四年，宋守志，余天慶等.鑄造法制備納米碳管增強鎂基復合材料[J].特種鑄造及有色合金，2005，25（5）：313-315.

[5]周國華，曾效舒，袁秋紅等.消失模鑄造法制備CNTS/ZM5鎂合金復合材料的研究[J].熱加工工藝，2008，37（9）：11-14.

[6]沈金龍，李四年，余天慶等.粉末冶金法制備鎂基復合材料的力學性能和增強機理研究[J].鑄造技術，2005，26（4）：309-312.

[7]Carreno-Morelli E， Yang J， et al.Carbon nanotube/magnesium composites[J].Phys Status Solidi A， 2004，201（8）：53.

[8]楊益.碳納米管增強鎂基復合材料的制備與性能研究[D].北京：國防科學技術大學碩士論文，2006.

收稿日期：2013年12月12日。

基金項目：鄭州市科技攻關項目（20130839），黃河科技學院大學生創新創業實踐訓練計劃項目（2013XSCX025）。

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關鍵詞：激光焊接技術 種類 特點 方法應用

激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導體之后，人類的又一重大發明。激光指在能量相應于兩個能級能量差的光子作用下，誘導在高能態的原子向低能態躍遷，并同時發射出相同能量的光子。其產生的基本條件包括泵浦源、激活介質和諧振腔等。激光具有方向性好、單色性好、相干性好和光脈沖可以極窄的特點。

激光焊接是激光加工技術應用的重要方面之一。激光焊接技術的發展歷經了固體受激物質氣體受激物質固體受激物質、脈沖激光焊接連續激光焊接、低功率高功率、薄板厚件、低速高速、低頻高頻及低效高效的歷史。激光焊接技術以其獨具的深寬比高，焊縫寬度小，熱影響區小、變形小，焊接速度快，焊縫質量高，無氣孔，可精確控制，聚焦光點小，定位精度高，易實現自動化等優點，在各種加工制造業中得到了高度重視。

1 激光焊接技術

激光焊接是以高功率聚焦的激光束為熱源，熔化材料形成焊接接頭的高精度高效率焊接方法。激光技術采用偏光鏡反射激光產生的光束使其集中在聚焦裝置中產生巨大能量的光束，當高強度激光束照射在材料表面上時，部分光能將被材料吸收而轉變成熱能，使材料熔化，從而達到焊接的目的。一般要根據金屬材料的光學性質（如反射和吸收）和熱學性質（如熔點、熱傳導率、熱擴散率、熔化潛熱等）來決定所使用的激光的功率密度和脈寬等，對普通金屬來說，光強吸收系數大約在105～109cm-1數量級。如果激光的功率密度為105～109瓦/cm2，則在金屬表面的穿透深度為微米數量級。為避免焊接時產生金屬飛濺或陷坑，要控制激光功率密度，使金屬表面溫度維持在沸點附近。對一般金屬，激光功率密度常取105～106瓦/cm2左右。

1.1激光焊接技術的種類

激光焊接分為脈沖激光焊接和連續激光焊接兩大類。脈沖激光焊特別適用于對電子工業和儀表工業微形件的焊接，可以實現薄片（012mm以上）、薄膜（幾微米到幾十微米）、絲與絲（直徑0102）012mm）、密封縫焊和異種金屬、異種材料的焊接，如集成電路外引線和內引線（硅片上蒸鍍有118Lm的鋁膜和50Lm厚鋁箔間）的焊接，微波器件中速調管的鉭片和鉬片的焊接，零點幾毫米不銹鋼、銅、鎳、鉭等金屬絲的對接、重迭、十字接、T字接，密封性微型繼電器、石英晶體器件外殼和航空儀表零件的焊接等。

連續激光焊接主要使用大功率CO2氣體激光器，適合于從薄板精密焊到50mm厚板深穿入焊的各種焊接。

1.2激光焊接技術的特點

激光焊接技術具有的優勢主要集中在以下幾個方面：

（1）能量密度大且放出極其迅速，在高速加工中能避免熱損傷和焊接變形，可進行精密零件、熱敏感性材料加工。

（2）被焊材料不易氧化，可以在大氣中焊接，不需要氣體保護或真空環境。

（3）激光可對絕緣材料直接焊接，對異種金屬材料焊接比較容易，甚至能把金屬與非金屬焊接在一起。

（4）激光焊接裝置不需要與被焊接工件接觸。激光束可用反射鏡或偏轉棱鏡將其在任何方向上彎曲或聚焦，還可用光導纖維將其引到難以接近的部位進行焊接。激光還可以穿過透明材料進行聚焦，因此可以焊接一般方法難以接近的接頭或無法安置的接焊點，如真空管中電極的焊接。

（5）激光束不會帶來任何磨損，且能長時間穩定工作。

1.3激光焊接技術不足之處

激光焊接也存在不足，包括激光器及用于激光束傳導和聚集的附屬系統成本過高，操作成本也很高，特別是需要大量昂貴保護氣體（如氦等）的應用場合。激光束的緊密聚集、熱量向工件的有效傳遞以及狹小的熱影響區等優點，也帶來了接頭裝配的難題，很小的組裝偏差就會導致焊接條件較大的變化，甚至很窄的間隙（≤0.1mm）也能引起激光輻射耦合的缺陷和熱效率的降低。高反射率材料（如鋁、銅等）的激光焊接，如要減少反射，則需要仔細優化激光輻射的條件，必要時還需采用涂層材料。同時，這些金屬的熱導率較大，在焊接啟動時應使用較高的激光能量密度，這有時會導致激光反射回激光器，從而引起光學元件的損壞。構件在焊接過程中的裝配偏差也可能引起激光束具有危險性的反射。

2 技工焊接技術應用領域

2.1制造業應用

激光拼焊（Tailored Bland Laser Welding）技術在國外轎車制造中得到廣泛的應用，據統計，2000年全球范圍內剪裁坯板激光拼焊生產線超過100條，年產轎車構件拼焊坯板7000萬件，并繼續以較高速度增長。國內生產的引進車型Passat，Buick，Audi等也采用了一些剪裁坯板結構。日本以CO2激光焊代替了閃光對焊進行制鋼業軋鋼卷材的連接，在超薄板焊接的研究，如板厚100微米以下的箔片，無法熔焊，但通過有特殊輸出功率波形的YAG激光焊得以成功，顯示了激光焊的廣闊前途。日本還在世界上首次成功開發了將YAG激光焊用于核反應堆中蒸氣發生器細管的維修等，在國內蘇寶蓉等還進行了齒輪的激光焊接技術。

2.2粉末冶金領域

隨著科學技術的不斷發展，許多工業技術上對材料特殊要求，應用冶鑄方法制造的材料已不能滿足需要。由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造優點，在某些領域如汽車、飛機、工具刃具制造業中正在取代傳統的冶鑄材料，隨著粉末冶金材料的日益發展，它與其它零件的連接問題顯得日益突出，使粉末冶金材料的應用受到限制。在八十年代初期，激光焊以其獨特的優點進入粉末冶金材料加工領域，為粉末冶金材料的應用開辟了新的前景，如采用粉末冶金材料連接中常用的釬焊的方法焊接金剛石，由于結合強度低，熱影響區寬特別是不能適應高溫及強度要求高而引起釬料熔化脫落，采用激光焊接可以提高焊接強度以及耐高溫性能。

2.3汽車工業

20世紀80年代后期，千瓦級激光成功應用于工業生產，而今激光焊接生產線已大規模出現在汽車制造業，成為汽車制造業突出的成就之一。德國奧迪、奔馳、大眾、瑞典的沃爾沃等歐洲的汽車制造廠早在20世紀80年代就率先采用激光焊接車頂、車身、側框等鈑金焊接，90年代美國通用、福特和克萊斯勒公司竟相將激光焊接引入汽車制造，盡管起步較晚，但發展很快。意大利菲亞特在大多數鋼板組件的焊接裝配中采用了激光焊接，日本的日產、本田和豐田汽車公司在制造車身覆蓋件中都使用了激光焊接和切割工藝，高強鋼激光焊接裝配件因其性能優良在汽車車身制造中使用得越來越多，根據美國金屬市場統計，至2002年底，激光焊接鋼結構的消耗將達到70000t比1998年增加3倍。根據汽車工業批量大、自動化程度高的特點，激光焊接設備向大功率、多路式方向發展。在工藝方面美國Sandia國家實驗室與PrattWitney聯合進行在激光焊接過程中添加粉末金屬和金屬絲的研究，德國不萊梅應用光束技術研究所在使用激光焊接鋁合金車身骨架方面進行了大量的研究，認為在焊縫中添加填充余屬有助于消除熱裂紋，提高焊接速度，解決公差問題，開發的生產線已在奔馳公司的工廠投入生產。

2.4電子工業

激光焊接在電子工業中，特別是微電子工業中得到了廣泛的應用。由于激光焊接熱影響區小加熱集中迅速、熱應力低，因而正在集成電路和半導體器件殼體的封裝中，顯示出獨特的優越性，在真空器件研制中，激光焊接也得到了應用，如鉬聚焦極與不銹鋼支持環、快熱陰極燈絲組件等。傳感器或溫控器中的彈性薄壁波紋片其厚度在0.05-0.1mm，采用傳統焊接方法難以解決，TIG焊容易焊穿，等離子穩定性差，影響因素多而采用激光焊接效果很好，得到廣泛的應用。

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關鍵詞：鐵基，粉末冶金，激光，表面強化

 

1.激光表面強化工藝參數的確定

激光熱處理工藝參數主要是指激光器輸出功率P，光斑直徑d（兩者決定了功率密度）和掃描速度V（決定了激光與工件的作用時間），它們直接影響硬化層的寬度、深度、硬度、組織以及機械性能。

1.1激光功率

當光斑直徑和掃描速度一定時，工件表面的最大加熱時間是恒定的。隨著激光器輸出功率的增加，硬化層寬度和深度增加。這是因為當激光器輸出功率增大時，光斑的平均功率密度增加，金屬表面吸收的能量增加，使得表面溫度進一步提高，經過金屬基體的快速熱傳遞，金屬表面下處于相變溫度Ac1 以上的區域亦增大，從而導致硬化層深度和寬度增加。

1.2掃描速度

掃描速度是工件與激光束相對運動速度，它反映了金屬表面被加熱的時間。當其它條件一定時，隨著掃描速度的增大，硬化層深度和寬度減小。這是因為掃描速度高，加熱時間減小，金屬表面層吸收的能量降低，導致硬化層深度和寬度減小。

降低掃描速度，以延長加熱時間可使硬化層深度和硬度提高。試驗結果表明：如果激光器輸出功率不足，即使延長加熱時間，金屬硬化效果也并不好，反而加寬了熱影響區。

若掃描速度太慢，使得熱量向光束移動方向的反向傳導，致使冷卻速度太慢，使表面出現熔融和回火現象，使硬度降低；若掃描速度太快，由于照射時間太短，輸入的能量不足，使得照射區內溫度達不到完全淬火溫度，從而使得表面硬度降低。

激光輸出功率和掃描速度對硬化層深度的影響幾乎為線性關系。隨著激光輸出功率的增大和掃描速度的降低，硬化層深度增加。激光功率增加意味著單位時間內的能量增加，則試件吸收的總能量增加，在試件內溫度場中超過臨界轉變溫度的范圍擴大，即發生馬氏體轉變的區域增加，故硬化層的深度增加。掃描速度的降低，意味著熱作用時間的延長。在其它條件不變時，總能量也是增加的，因此降低激光掃描速度和增加激光輸出功率效果是一致的。綜上所述，激光相變硬化層的深度取決于激光加熱時的溫度場。而材料達到給定溫度的深度主要依賴于能量密度。激光相變硬化層層深與激光能量密度之間存在良好的線性關系。

還可知激光功率和掃描速度不同，顯微硬度的分布也不同。激光功率為3200W，掃描速度為8mm/s 時的表面硬度最高，約828HV。隨著激光功率增加和掃描速度降低，材料的表面加熱溫度提高，在激光的快速加熱和隨后的快速冷卻過程中，奧氏體晶粒得到了進一步的細化，馬氏體中的固溶含碳量和合金元素含量增加，碳和合金元素的大量溶入也造成了靜畸變強化，從而增大了表面顯微硬度。激光輸出功率過高或掃描速度過低時，樣品中的蓄熱量增大，造成冷卻速度緩慢，無法達到自激淬火的臨界冷卻速度，淬不成馬氏體，使硬度值降低。

試驗研究表明，如果不對激光淬火提出過高的要求，利用連續輸出功率在千瓦級的二氧化碳激光設備，對鐵基材料表面進行熱處理并不困難。然而不同激光設備之間的工藝移植并非易事。工業生產中，維護激光處理工藝的可重復性是保證產品質量的需要。但是，激光淬火同其他傳統的熱處理相比，它具有可以精確控制熱處理區域及工件變形小等一系列優點。只要能夠較好的控制激光淬火工藝過程，原則上可以使用價格便宜、易于加工的材料制造工件的基體，在工件的關鍵部位用激光進行處理，便能顯著提高產品的質量，簡化工件的生產工藝，降低工件的生產成本，增強激光淬火對其它傳統熱處理工藝的競爭能力。

2.激光表面淬火鐵基粉末冶金材料的硬度分布

各種成分的鐵基粉末冶金材料經過寬帶激光表面淬火后顯微硬度有了顯著的提高。鐵基粉末冶金材料的顯微硬度從淬火前到淬火后提高近3倍，合金元素Cr含量的增加使得硬化層深度略有增加，因為Cr 能提高鋼的淬透性。從表層到心部，隨著與表面距離的增加，顯微硬度也呈現出層狀分布并呈逐漸降低趨勢直至基體。在此我們還可大概將其分為三層：第一層為完全淬硬層，顯微硬度約為HV0.3623-669，厚度約為1.0-1.2mm。在這一層中顯微硬度變化幅度不大，基本上曲線比較平坦，這同其他淬火方式相同，所不同的是激光淬火最高顯微硬度一般在次表層；第二層為過渡區，厚度約為0.3mm，顯微硬度約為HV0.3400-650；第三層為基體，顯微硬度約為HV0.3250-320。

3.激光淬火表面強化的機理

激光表面處理具有加熱速度快、熱效率高，加熱范圍及熱變形小的特點，不致引起開裂缺陷。寬帶激光束與聚集光束比較，具有一次掃描處理區域大、硬化層更為均勻的優點，具有廣闊的工業應用前景。。

激光硬化時，激光與材料的相互作用可根據激光輻照作用的強度和持續時間分為幾個階段：把激光輻照引向材料；吸收激光能量并把光能傳給材料；光能轉變為熱能，加熱材料達到快速加熱、快速冷卻、熔化材料的目的，并且不引起材料表面的破壞；材料在激光輻照后的相變或融化凝固或沖擊產生晶格畸變及位錯，最終達到硬化效果。。

從物理冶金角度，激光相變硬化與常規熱處理并無兩樣，只不過是前者為局部的急熱急冷過程。由于加熱時間短，加熱溫度高，當激光束被切斷或移開后，材料表面冷速很快，熱影響區域小，硬化層較淺，一般只有0.3-2.0mm。這對于要求變形小，形狀復雜和要求局部處理的零件來說較為合適。由于加熱速度快，加熱時間短，因此其相變硬化也具有自己的特點：激光熱處理加熱速度比其他淬火方法更快，使材料表面迅速達到奧氏體化溫度，使得擴散均勻化來不及進行，原有材料中珠光體組織通過無擴散轉化為奧氏體組織。在隨后通過自身熱傳遞而快速冷卻，奧氏體組織通過無擴散過程轉化為馬氏體。由于是快速冷卻，使Ms 線升高，使得我們試驗中得到的馬氏體組織含量較常規熱處理的多，不同的微觀區域內馬氏體形成溫度有很大的差異，這也導致了細小馬氏體組織的形成，同時組織細化，這是由于激光超快速加熱條件下，過熱度大，造成相變驅動力大，奧氏體形核數目劇增，它既可以在原晶界和亞晶界上形核，也可以在相界面和其它晶體缺陷處成核。而在快速加熱的瞬間奧氏體化使晶粒來不及長大。在馬氏體轉變時，必然轉變為細小的馬氏體組織。。研究表明，激光相變硬化處理后可獲得直徑為2μm 的超細晶粒。激光處理加熱速度快，易使金屬表面過熱，隨后冷速亦快，殘留奧氏體量增加，碳來不及擴散，使得奧氏體中碳量增加，隨著奧氏體向馬氏體轉變，得到高碳馬氏體，提高了硬度。而激光處理后的馬氏體組織為板條馬氏體和孿晶馬氏體組織，其中位錯密度極高，可達1011-1012條/cm2，比常規淬火提高至少兩個數量級，并且殘余奧氏體中存在大量的位錯塞積群。馬氏體在高度受扼的狀態下形成，因此形成了本質上是變形馬氏體的淬硬組織。因此，我們認為，晶粒超細化，高的馬氏體含量，馬氏體高位錯密度和高的固溶含碳量是材料經激光熱處理后獲得超高表面硬度的主要原因。

參考文獻

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[2]程繼貴,夏永紅,王華林,徐衛兵.聚苯乙烯/銅粉溫壓成型的研究[J].工程塑料應用,2000,(06) .

篇6

一、金屬間化合物材料的概述和應用

金屬間化合物是指以金屬元素或類金屬元素為主組成的二元或多元系合金中出現的中間相。金屬間化合物主要指金屬與金屬間，金屬與類金屬之間按一定劑量比所形成的化合物，金屬間化合物有的已是或將是重要的新型功能材料和結構材料。金屬間化合物的歷史由來已久，金屬間化合物的研究已經成為材料科學研究的熱點之一。人們發現許多金屬間化合物的強度并不是隨溫度的升高而單調地下降，相反是先升高后降低。因為這一特性，掀起了新一輪金屬間化合物的研究熱潮，使金屬間化合物具備了成為新型高溫結構材料的基礎?，F在已研究出許多方法和措施，用來改善和提高金屬間化合物的塑性，為將金屬間化合物材料開發成為有實用價值的結構材料打下基礎。金屬間化合物是航空材料和高溫結構材料領域內具有重要應用價值的新材料。金屬間化合物強度高，抗氧化性能好和抗硫化腐蝕性能優良，優于不銹鋼和鈷基，鎳基合金等傳統的高溫合金，而且具有較高的韌性，因此金屬間化合物被公認為是航空材料和高溫結構材料領域內具有重要應用價值的新材料。金屬間化合物材料作為近20年內才發展起來的新材料，相對于傳統金屬材料具有特殊的優點和規律，廣泛用于制備金屬間化合物基復合材料。金屬間化合物相對于金屬材料為脆性材料，相對于其他材料則具有一定的韌性，并且具有相當高的塑性。某些金屬間化合物還具有反常的強度-溫度關系，在一定的溫度范圍內，強度隨著溫度的升高而升高，這對高溫結構材料的開發和應用給予很大的希望。此外許多金屬間化合物材料具有良好的抗氧化性能，耐腐蝕性能和耐磨損性能，如Ni-Al金屬間化合物和Fe-Al金屬間化合物材料。因此采用金屬間化合物和其他材料相復合制備復合材料可以提高金屬間化合物材料的力學性能。

金屬間化合物具有一系列的優異性能是最具有吸引力的新一代高溫結構材料和表面涂層材料。金屬間化合物的種類非常多，近年來國內外主要研究集中于Ni-Al金屬間化合物，Ti-Al金屬間化合物，Fe-Al金屬間化合物等含Al金屬間化合物的研究。目前金屬間化合物材料已經研究和開發的較為廣泛。許多金屬間化合物材料已經用于鑄造，鍛壓和高溫熔煉等。金屬間化合物材料具有高溫強度好，高溫抗蠕變性能強，抗腐蝕性能好，抗氧化性能好等優點，且在一定的溫度范圍內金屬間化合物的屈服強度隨著溫度的升高而升高。但是金屬間化合物材料作為使用的結構材料，還存在硬度低，斷裂韌性差以及高溫強度低等缺點。將金屬間化合物與其他材料進行復合制備金屬間化合物基復合材料，以制備出兼具有二者優點的復合材料是當前的重要研究和發展方向。金屬間化合物材料具有較高的加工硬化率和較特殊的高溫性能，因而被認為是下一代高溫結構材料和高溫耐磨損材料之一，特別是在改善金屬間化合物材料的塑性后，更是受到了廣泛的重視和研究。為了進一步提高金屬間化合物材料的綜合性能，很多研究工作者在金屬間化合物材料中加入強化相制備金屬間化合物復合材料，即形成金屬間化合物基復合材料?？梢韵蚪饘匍g化合物中加入碳化物硬質相制備耐磨損的金屬間化合物基復合材料。金屬間化合物材料具有許多優秀的性能而被廣泛的應用到工程領域中。

二、金屬間化合物在材料科學與工程專業教學實踐中的研究和應用

金屬間化合物材料由于具有許多優異的性能而被廣泛的應用在工程領域中，所以應該在材料科學與工程專業的課堂教學和實踐教學中增加一些金屬間化合物的知識和內容。金屬間化合物材料主要包括Al系金屬間化合物材料，主要有Fe-Al金屬間化合物，Ni-Al金屬間化合物，Ti-Al金屬間化合物等，還有其他的如Cu-Al合金，Cu-Zn合金以及Ni-Ti合金體系等金屬間化合物材料。由于一般常用的金屬間化合物是由兩種金屬元素形成的化合物并具有典型的二元相圖，所以可以通過認識和了解金屬間化合物學習和掌握二元相圖的知識內容。此外金屬間化合物材料的制備工藝方法也有很多，主要有金屬熔煉法，高溫自蔓延反應合成法，機械合金化法，反應燒結法，粉末冶金工藝等多種方法。其中反應熔煉法是將不同種金屬元素放到熔煉爐中進行熔化形成金屬合金熔體使其均勻混合并冷卻形成金屬間化合物材料。高溫自蔓延反應合成方法是通過反應放出大量的熱量維持反應繼續進行最終形成所需要的金屬合金材料。機械合金化工藝過程是利用高能球磨機把兩種純金屬粉末放入球磨罐中并加入適量的添加劑進行球磨，粉末的制備由機械合金化過程完成，塊體的制備則由燒結過程實現，機械合金化工藝是一種固態反應的過程。機械合金化技術是近年來發展起來的一種材料制備方法，機械合金化工藝通過對粉末反復的破碎，焊合來達到合金化的目的，由于合金化過程中引入大量的應變，缺陷以及納米級的微結構，機械合金化制備的材料具有一些與傳統方法制備材料不同的特性。通過機械合金化工藝就可以制備出金屬間化合物粉末。粉末冶金技術是制備金屬間化合物材料比較常用的一種方法。以單質或合金粉末為原料，一般是先用塑性加工的方法把粉末制備成所需要的復合材料制件，然后在燒結同時實現了制件的成型。反應燒結法是將不同種金屬元素粉末通過熱壓燒結工藝或者常壓燒結工藝形成金屬間化合物塊體材料。金屬間化合物材料的制備通常采用粉末冶金工藝進行制備。

由于金屬間化合物材料原料成本較低，制備工藝不復雜，所以對于金屬間化合物材料的制備和性能的研究工作可以引入到材料科學與工程專業的實驗教學工作中?？梢栽趯嶒灲虒W的課程中增加金屬間化合物材料的制備和性能的研究內容，例如通過反應熔煉法，機械合金化方法和粉末冶金法等制備金屬間化合物材料，并對金屬間化合物材料的結構和性能進行研究。通過以上實驗教學過程可以鍛煉學生的實踐能力和分析能力，還可以加深學生對材料科學與工程專業知識內容的認識和了解。在上述實驗方法中，其中機械合金化工藝是比較實用并且能夠在實驗室里進行的。機械合金化工藝是將兩種不同的金屬粉末混合并經過高能球磨過程制成金屬間化合物粉末，并通過燒結過程制備金屬間化合物塊材。機械合金化工藝可以在實驗室里進行，可以安排學生通過機械合金化工藝制備金屬間化合物材料。此外在本科學生的專業課程設計和畢業設計期間也可以安排學生進行金屬間化合物材料的制備和性能的研究工作。通過對金屬間化合物材料的制備和性能的研究工作，使得學生充分的認識和了解金屬間化合物材料的性能特點，并加深學生對所學習的材料科學與工程專業課程知識內容的認識和了解，使得學生對材料科學與工程專業的課程內容有一定的掌握和熟悉，并通過實驗教學過程提高了學生的實踐能力和分析問題解決問題的能力，擴展了學生的知識面。所以本文作者認為應該在材料科學與工程專業的實踐教學過程中增加一些關于金屬間化合物材料的實驗課程，并以金屬間化合物材料的制備和性能的研究內容作為實驗教學課程，這將有助于提高學生的實踐能力并擴展了學生的知識面，這為本科學生以后學習材料科學與工程專業的知識內容打下堅實的實驗基礎。

三、金屬間化合物材料未來的研究方向和發展趨勢

篇7

關鍵詞：碳滑板；地鐵備件；消耗規律

中圖分類號：TF341 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）09-0097-02

1 受電弓滑板背景知識介紹

1.1 受電弓滑板的概念

受電弓滑板是直接連接受電弓與接觸網導線的繼電器，在靜止或者滑動的狀態下，為電力機車從接觸導線上獲取電力。在使用過程中，滑板直接在自然環境中，并且不停地與接觸網導線發生摩擦與沖擊，其中有兩種磨損形式，分別是機械磨損和電氣磨損。因此在選用過程中，要考慮以下性能與參數：導電性、抗電弧燒傷性、建模耐磨性、強度、適應性、電阻率和接觸電阻。

1.2 受電弓滑板發展概況

在受電弓滑板的發展過程中，共采用過以下幾種繼電材料，分別是純金屬滑板、粉末冶金滑板、碳滑板、浸金屬碳滑板以及復合材料滑板，其中純金屬滑板雖然壽命長、強度高，但由于對接觸導線磨耗大，現已禁止生產。粉末冶金滑板也由于其含油率低對接觸網導線嚴重磨耗而適用范圍受限。碳滑板雖然磨耗較小，但機械強度低、耐沖擊韌性差，在運用中不斷改進，形成了浸金屬碳滑板，包括整體式和組裝式兩種，具有較好的電學性能，并且由于碳基中大量存在的氣孔被填滿金屬，形成實用的凝體，結合了碳材料和金屬材料的優點，目前運用最為廣泛。

2 南京地鐵受電弓滑板使用狀況

南京地鐵一號線、二號線及南延線電客車受電弓滑板采用的是德國Schunk品牌，并配套使用的是Schunk自主研發制造的碳滑板。屬于整體式碳滑板，一條完整的碳滑板由金屬和在金屬槽內的碳條組成，金屬槽能夠導出電流以及一個防止振動和扭動的起穩定的面。

該碳滑板擁有良好的摩擦系數、最小的受電網磨損、很輕的重量以及很小的環境污染。碳石墨不會融化，有很好的導電性和導熱性，有很好的抗火花性能。另外Schunk 公司的碳滑板結合了夾緊控制、焊接以及粘結技術。所有的碳滑板以較強的操作可靠性為特征。在使用壽命里，能很好地阻止外部溫度以及穩定的性能。有很好的恢復性以及突然事故后的自行恢復能力，可靠的受流器需要在特殊環境條件下工作，因為碳滑條可能在異常電流負荷和長時間的超負荷情況下工作。

3 南京地鐵受電弓滑板消耗現狀

目前南京地鐵一號線運行時間已有7年多，共有電客車20列，總里程為21.72km，二號線運行時間有3年，總里程為37.95km，一號線南延線運行時間有3年，總里程為25.08km，另外與一號線并線運行里程為14.32km，總計39.4公里。三條線全部采用同一型號的碳滑板和接觸網導線，當碳滑板本身沒有貫穿裂紋時，按照磨耗厚度進行更換，當碳刷條最薄處小于4.5mm時，必須成對更換，每季度歷年消耗狀況如表1所示。

由于一號線開通時間較長，下面主要對一號線進行分析，雖然每季度用量波動較大，但從年用量來看，從2008～2011年，一號線每年更換數量為80、74、80、81，剛好保持在線路安裝量80左右，也就是說每年更換一批碳滑板，消耗率較為穩定。平均每年更換一次，碳滑板的初始厚度為22mm，按照一號線電客車平均每年運營10萬km來算，平均每萬km消耗1.75mm，低于業內同類碳滑板消耗率。

但在2012年消耗數量迅速增加，經分析主要有以下三個原因：

（1）一號線和南延線車輛在一起維修，按照領用數量統計不準確，合起來一號線和南延線2012年的更換率為26%，而一號線從2008～2011年的更換率為25%，基本

持平。

（2）從2010～2012年第三季度一號線電客車全部進行大修，大修時更換了一批國產碳滑板，使用壽命較短，導致從2011年下半年到2012年消耗量猛增。

（3）南延線開通以來，客流量一直較大，幾次更改運營圖后列車上線比例加大，年運營公里達到18萬km，對碳滑板的消耗量也有很大的影響。

4 結語

作為地鐵車輛動力來源的一個重要媒介，碳滑板承擔著從受電弓接收電流的作用，如果質量不穩定，將大大影響電客車運營，目前南京地鐵采用的Schunk公司碳滑板，消耗率低于業內水平，質量穩定可靠。由于南京地鐵開通時間較多，樣本量不大，目前難以對季度消耗中突發性大需求進行分析，同時由于缺乏每列車具體的用量數據，將在以后的研究中進一步深入。

參考文獻

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現代城市軌道交通，2011，（3）.

篇8

關鍵詞:梯度功能材料，復合材料，研究進展

Abstract :This paper introduces the concept ，types，capability，preparation methods of functionally graded materials. Based upon analysis of the present application situations and prospect of this kind of materials some problems existed are presented. The current status of the research of FGM are discussed and an anticipation of its future development is also present.

Key words :FGM；composite；the Advance

0 引言

信息、能源、材料是現代科學技術和社會發展的三大支柱?，F代高科技的競爭在很大程度上依賴于材料科學的發展。對材料，特別是對高性能材料的認識水平、掌握和應用能力，直接體現國家的科學技術水平和經濟實力，也是一個國家綜合國力和社會文明進步速度的標志。因此，新材料的開發與研究是材料科學發展的先導，是21世紀高科技領域的基石。

近年來，材料科學獲得了突飛猛進的發展[1]。究其原因，一方面是各個學科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實驗技術;另一方面是實際應用的迫切需要對材料提出了新的要求。而FGM即是為解決實際生產應用問題而產生的一種新型復合材料，這種材料對新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質化”，“高性能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用[2]，并且它也可廣泛用于其它領域，所以它是近年來在材料科學中涌現出的研究熱點之一。

1 FGM概念的提出

當代航天飛機等高新技術的發展，對材料性能的要求越來越苛刻。例如：當航天飛機往返大氣層，飛行速度超過25個馬赫數，其表面溫度高達2000℃。而其燃燒室內燃燒氣體溫度可超過2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2， 其空氣入口的前端熱通量達5MW/m2.對于如此大的熱量必須采取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強制冷卻的冷卻劑，此時燃燒室內外要承受高達1000K以上的溫差，傳統的單相均勻材料已無能為力[1]。若采用多相復合材料，如金屬基陶瓷涂層材料，由于各相的熱脹系數和熱應力的差別較大，很容易在相界處出現涂層剝落[3]或龜裂[1]現象，其關鍵在于基底和涂層間存在有一個物理性能突變的界面。為解決此類極端條件下常規耐熱材料的不足，日本學者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以連續變化的組分梯度來代替突變界面，消除物理性能的突變，使熱應力降至最小[3]。

隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計算機輔助材料設計為基礎，采用先進復合技術，使構成材料的要素（組成、結構）沿厚度方向有一側向另一側成連續變化，從而使材料的性質和功能呈梯度變化的新型材料[4]。

2 FGM的特性和分類

2.1 FGM的特殊性能

由于FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續變化的特點如圖2，因此它能有效地克服傳統復合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統復合材料相比FGM有如下優勢:

1)將FGM用作界面層來連接不相容的兩種材料，可以大大地提高粘結強度;

2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應力和熱應力;

3)將FGM用作涂層和界面層可以消除連接材料中界面交叉點以及應力自由端點的應力奇異性;

4)用FGM代替傳統的均勻材料涂層，既可以增強連接強度也可以減小裂紋驅動力。

2.2 FGM的分類

根據不同的分類標準FGM有多種分類方式。根據材料的組合方式，FGM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料[1]；根據其組成變化FGM分為梯度功能整體型（組成從一側到另一側呈梯度漸變的結構材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個基體間的界面層呈梯度變化）[1]；根據不同的梯度性質變化分為密度FGM，成分FGM，光學FGM，精細FGM等[4]；根據不同的應用領域有可分為耐熱FGM，生物、化學工程FGM，電子工程FGM等[7]。

3 FGM的應用

FGM最初是從航天領域發展起來的。隨著FGM 研究的不斷深入，人們發現利用組分、結構、性能梯度的變化，可制備出具有聲、光、電、磁等特性的FGM，并可望應用于許多領域。

功　能

應　用　領　域 材　料　組　合

緩和熱應

力功能及

結合功能

航天飛機的超耐熱材料

陶瓷引擎

耐磨耗損性機械部件

耐熱性機械部件

耐蝕性機械部件

加工工具

運動用具:建材 陶瓷　金屬

陶瓷　金屬

塑料　金屬

異種金屬

異種陶瓷

金剛石　金屬

碳纖維　金屬　塑料

核功能

原子爐構造材料

核融合爐內壁材料

放射性遮避材料 輕元素　高強度材料

耐熱材料　遮避材料

耐熱材料　遮避材料

生物相溶性

及醫學功能

人工牙齒牙根

人工骨

人工關節

人工內臟器官:人工血管

補助感覺器官

生命科學 磷灰石　氧化鋁

磷灰石　金屬

磷灰石　塑料

異種塑料

硅芯片　塑料

電磁功能

電磁功能 陶瓷過濾器

超聲波振動子

IC

磁盤

磁頭

電磁鐵

長壽命加熱器

超導材料

電磁屏避材料

高密度封裝基板 壓電陶瓷　塑料

壓電陶瓷　塑料

硅　化合物半導體

多層磁性薄膜

金屬　鐵磁體

金屬　鐵磁體

金屬　陶瓷

金屬　超導陶瓷

塑料　導電性材料

陶瓷　陶瓷

光學功能 防反射膜

光纖;透鏡;波選擇器

多色發光元件

玻璃激光 透明材料　玻璃

折射率不同的材料

不同的化合物半導體

稀土類元素　玻璃

能源轉化功能

MHD 發電

電極;池內壁

熱電變換發電

燃料電池

地熱發電

太陽電池 陶瓷　高熔點金屬

金屬　陶瓷

金屬　硅化物

陶瓷　固體電解質

金屬　陶瓷

電池硅、鍺及其化合物

4 FGM的研究

FGM研究內容包括材料設計、材料制備和材料性能評價。

轉貼于 4. 1 　FGM設計

FGM設計是一個逆向設計過程[7]。

首先確定材料的最終結構和應用條件，然后從FGM設計數據庫中選擇滿足使用條件的材料組合、過渡組份的性能及微觀結構，以及制備和評價方法，最后基于上述結構和材料組合選擇，根據假定的組成成份分布函數，計算出體系的溫度分布和熱應力分布。如果調整假定的組成成份分布函數，就有可能計算出FGM體系中最佳的溫度分布和熱應力分布，此時的組成分布函數即最佳設計參數。

FGM設計主要構成要素有三:

1)確定結構形狀，熱—力學邊界條件和成分分布函數;

2)確定各種物性數據和復合材料熱物性參數模型;

3)采用適當的數學—力學計算方法，包括有限元方法計算FGM的應力分布，采用通用的和自行開發的軟件進行計算機輔助設計。

FGM設計的特點是與材料的制備工藝緊密結合，借助于計算機輔助設計系統，得出最優的設計方案。

4. 2　FGM的制備

FGM制備研究的主要目標是通過合適的手段，實現FGM組成成份、微觀結構能夠按設計分布，從而實現FGM的設計性能。可分為粉末致密法:如粉末冶金法(PM) ，自蔓延高溫合成法(SHS) ;涂層法:如等離子噴涂法，激光熔覆法，電沉積法，氣相沉積包含物理氣相沉積(PVD) 和化學相沉積(CVD) ;形變與馬氏體相變[10、14]。

4. 2. 1 　粉末冶金法(PM)

PM法是先將原料粉末按設計的梯度成分成形，然后燒結。通過控制和調節原料粉末的粒度分布和燒結收縮的均勻性，可獲得熱應力緩和的FGM。粉末冶金法可靠性高，適用于制造形狀比較簡單的FGM部件，但工藝比較復雜，制備的FGM有一定的孔隙率，尺寸受模具限制[7]。常用的燒結法有常壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結及反應燒結等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設備簡單、易于操作和成本低等優點，但要對保溫溫度、保溫時間和冷卻速度進行嚴格控制。國內外利用粉末冶金方法已制備出的FGM有:MgC/ Ni 、ZrO2/ W、Al2O3/ ZrO2 [8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7] 。

4. 2. 2 自蔓延燃燒高溫合成法(Self-propagating High-temperature Synthesis 簡稱SHS或Combustion Synthesis)

SHS 法是前蘇聯科學家Merzhanov 等在1967 年研究Ti和B的燃燒反應時，發現的一種合成材料的新技術。其原理是利用外部能量加熱局部粉體引燃化學反應，此后化學反應在自身放熱的支持下，自動持續地蔓延下去， 利用反應熱將粉末燒結成材，最后合成新的化合物。其反應示意圖如圖6所示[16]：

SHS 法具有產物純度高、效率高、成本低、工藝相對簡單的特點。并且適合制造大尺寸和形狀復雜的FGM。但SHS法僅適合存在高放熱反應的材料體系，金屬與陶瓷的發熱量差異大，燒結程度不同，較難控制，因而影響材料的致密度，孔隙率較大，機械強度較低。目前利用SHS 法己制備出Al/ TiB2 ， Cu/ TiB2 、Ni/ TiC[8] 、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。

4. 2. 3 噴涂法

噴涂法主要是指等離子體噴涂工藝，適用于形狀復雜的材料和部件的制備。通常，將金屬和陶瓷的原料粉末分別通過不同的管道輸送到等離子噴槍內，并在熔化的狀態下將它噴鍍在基體的表面上形成梯度功能材料涂層?？梢酝ㄟ^計算機程序控制粉料的輸送速度和流量來得到設計所要求的梯度分布函數。這種工藝已經被廣泛地用來制備耐熱合金發動機葉片的熱障涂層上，其成分是部分穩定氧化鋯(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。

4. 2. 3. 1 等離子噴涂法(PS)

PS 法的原理是等離子氣體被電子加熱離解成電子和離子的平衡混合物，形成等離子體，其溫度高達1 500 K，同時處于高度壓縮狀態，所具有的能量極大。等離子體通過噴嘴時急劇膨脹形成亞音速或超音速的等離子流，速度可高達1. 5 km/ s。原料粉末送至等離子射流中，粉末顆粒被加熱熔化，有時還會與等離子體發生復雜的冶金化學反應，隨后被霧化成細小的熔滴，噴射在基底上，快速冷卻固結，形成沉積層。噴涂過程中改變陶瓷與金屬的送粉比例，調節等離子射流的溫度及流速，即可調整成分與組織，獲得梯度涂層[8、11]。該法的優點是可以方便的控制粉末成分的組成，沉積效率高，無需燒結，不受基體面積大小的限制，比較容易得到大面積的塊材[10]，但梯度涂層與基體間的結合強度不高，并存在涂層組織不均勻，空洞疏松，表面粗糙等缺陷。采用此法己制備出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7] 、NiCrAl/MgO -ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料

4.2.3.2　激光熔覆法

激光熔覆法是將預先設計好組分配比的混合粉末A放置在基底B上，然后以高功率的激光入射至A并使之熔化，便會產生用B合金化的A薄涂層，并焊接到B基底表面上，形成第一包覆層。改變注入粉末的組成配比，在上述覆層熔覆的同時注入，在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復以上過程，就可以獲得任意多層的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用顆粒陶瓷增強劑熔覆金屬獲得了梯度多層結構。梯度的變化可以通過控制初始涂層A的數量和厚度，以及熔區的深度來獲得，熔區的深度本身由激光的功率和移動速度來控制。該工藝可以顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣特性和生物活性等性能，但由于激光溫度過高，涂層表面有時會出現裂紋或孔洞，并且陶瓷顆粒與金屬往往發生化學反應[10]。采用此法可制備Ti - Al 、WC -Ni 、Al - SiC 系梯度功能材料[7 ] 。

4.2.3.3 熱噴射沉積[10]

與等離子噴涂有些相關的一種工藝是熱噴涂。用這種工藝把先前熔化的金屬射流霧化，并噴涂到基底上凝固，因此，建立起一層快速凝固的材料。通過將增強粒子注射到金屬流束中，這種工藝已被推廣到制造復合材料中。陶瓷增強顆粒，典型的如SiC或Al2O3，一般保持固態，混入金屬液滴而被涂覆在基底，形成近致密的復合材料。在噴涂沉積過程中，通過連續地改變增強顆粒的饋送速率，熱噴涂沉積已被推廣產生梯度6061鋁合金/SiC復合材料?？梢允褂脽岬褥o壓工序以消除梯度復合材料中的孔隙。

4.2.3.4 電沉積法

電沉積法是一種低溫下制備FGM的化學方法。該法利用電鍍的原理，將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場中，通過注入另一相的懸浮液使之混合，并通過控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度，在電場作用下電荷的懸浮顆粒在電極上沉積下來，最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基體材料可以是金屬、塑料、陶瓷或玻璃，涂層的主要材料為TiO2-Ni， Cu-Ni ，SiC-Cu，Cu-Al2O3等。此法可以在固體基體材料的表面獲得金屬、合金或陶瓷的沉積層，以改變固體材料的表面特性，提高材料表面的耐磨損性、耐腐蝕性或使材料表面具有特殊的電磁功能、光學功能、熱物理性能，該工藝由于對鍍層材料的物理力學性能破壞小、設備簡單、操作方便、成型壓力和溫度低，精度易控制，生產成本低廉等顯著優點而備受材料研究者的關注。但該法只適合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]

4.2.3.5 氣相沉積法

氣相沉積是利用具有活性的氣態物質在基體表面成膜的技術。通過控制彌散相濃度，在厚度方向上實現組分的梯度化，適合于制備薄膜型及平板型FGM[8]。該法可以制備大尺寸的功能梯度材料，但合成速度低，一般不能制備出大厚度的梯度膜，與基體結合強度低、設備比較復雜。采用此法己制備出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。氣相沉積按機理的不同分為物理氣相沉積(PVD) 和化學氣相沉積(CVD) 兩類。

化學氣相沉積法(CVD)是將兩相氣相均質源輸送到反應器中進行均勻混合，在熱基板上發生化學反應并使反映產物沉積在基板上。通過控制反應氣體的壓力、組成及反應溫度，精確地控制材料的組成、結構和形態，并能使其組成、結構和形態從一種組分到另一種組分連續變化，可得到按設計要求的FGM。另外，該法無須燒結即可制備出致密而性能優異的FGM，因而受到人們的重視。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制備過程包括：氣相反應物的形成；氣相反應物傳輸到沉積區域；固體產物從氣相中沉積與襯底[12]。

物理氣相沉積法(PVD)是通過加熱固相源物質，使其蒸發為氣相，然后沉積于基材上，形成約100μm 厚度的致密薄膜。加熱金屬的方法有電阻加熱、電子束轟擊、離子濺射等。PVD 法的特點是沉積溫度低，對基體熱影響小，但沉積速度慢。日本科技廳金屬材料研究所用該法制備出Ti/ TiN、Ti/ TiC、Cr/ CrN 系的FGM [7~8、10~11]

4. 2. 4 形變與馬氏體相變[8]

通過伴隨的應變變化，馬氏體相變能在所選擇的材料中提供一個附加的被稱作“相變塑性”的變形機制。借助這種機制在恒溫下形成的馬氏體量隨材料中的應力和變形量的增加而增加。因此，在合適的溫度范圍內，可以通過施加應變(或等價應力) 梯度，在這種材料中產生應力誘發馬氏體體積分數梯度。這一方法在順磁奧氏體18 -8 不銹鋼(Fe -18% ，Cr -8 %Ni) 試樣內部獲得了鐵磁馬氏體α體積分數的連續變化。這種工藝雖然明顯局限于一定的材料范圍，但能提供一個簡單的方法，可以一步生產含有飽和磁化強度連續變化的材料，這種材料對于位置測量裝置的制造有潛在的應用前景。

4. 3 FGM的特性評價

功能梯度材料的特征評價是為了進一步優化成分設計，為成分設計數據庫提供實驗數據，目前已開發出局部熱應力試驗評價、熱屏蔽性能評價和熱性能測定、機械強度測定等四個方面。這些評價技術還停留在功能梯度材料物性值試驗測定等基礎性的工作上[7]。目前，對熱壓力緩和型的FGM主要就其隔熱性能、熱疲勞功能、耐熱沖擊特性、熱壓力緩和性能以及機械性能進行評價[8]。目前，日本、美國正致力于建立統一的標準特征評價體系[7~8]。

5 FGM的研究發展方向

5.1 存在的問題

作為一種新型功能材料，梯度功能材料范圍廣泛，性能特殊，用途各異。尚存在一些問題需要進一步的研究和解決，主要表現在以下一些方面[5、13]:

1）梯度材料設計的數據庫（包括材料體系、物性參數、材料制備和性能評價等）還需要補充、收集、歸納、整理和完善；

2）尚需要進一步研究和探索統一的、準確的材料物理性質模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結構以及制備條件的定量關系，為準確、可靠地預測梯度材料物理性能奠定基礎；

3）隨著梯度材料除熱應力緩和以外用途的日益增加，必須研究更多的物性模型和設計體系，為梯度材料在多方面研究和應用開辟道路；

4）尚需完善連續介質理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結構模型，并借助計算機模擬對材料性能進行理論預測，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。

5)已制備的梯度功能材料樣品的體積小、結構簡單，還不具有較多的實用價值;

6)成本高。

5.2 FGM制備技術總的研究趨勢[13、15、19-20]

1）開發的低成本、自動化程度高、操作簡便的制備技術；

2）開發大尺寸和復雜形狀的FGM制備技術；

3）開發更精確控制梯度組成的制備技術（高性能材料復合技術）；

4）深入研究各種先進的制備工藝機理，特別是其中的光、電、磁特性。

5.3 對FGM的性能評價進行研究[2、13]

有必要從以下5個方面進行研究：

1）熱穩定性，即在溫度梯度下成分分布隨 時間變化關系問題；

2）熱絕緣性能；

3）熱疲勞、熱沖擊和抗震性；

4）抗極端環境變化能力；

5）其他性能評價，如熱電性能、壓電性能、光學性能和磁學性能等

6 結束語

篇9

目前，QPQ表面改性技術在國內也得到大量推廣應用，尤其在汽車、摩托車、紡機、機床、電器開關、工模具上使用效果非常突出。其具體的特點如下：

良好的耐磨性、耐疲勞性能

該工藝能極大地提高各種黑色金屬零件表面的硬度和耐磨性，降低摩擦系數。產品經過QPQ處理后，耐磨性比常規淬火、高頻淬火高16倍以上，比20＃鋼滲碳淬火高9倍以上，比鍍硬鉻和離子氮化高2倍以上。

良好的抗腐蝕性能

對幾種不同材料、不同工藝處理的樣品按同樣的試驗條件，按ASTMBll7標準進行了連續噴霧試驗，鹽霧試驗溫度35±2℃，相對濕度＞95％，5％NaCL水溶液噴霧。試驗結果表明，經QPQ處理后的零件抗蝕性是1Crl8Ni9Ti不銹鋼的5倍，是鍍硬鉻的70倍，是發黑的280倍。

產品處理以后變形小

工件經QPQ處理處理之后幾乎沒有變形產生，可以有效的解決常規熱處理方法難以解決的硬化變形難題。目前，QPQ技術在眾多得軸類零件、細長桿件上應用得非常成功，有效的解決了一直以來存在的熱處理硬化和產品變形的矛盾。

時間周期短

工件經QPQ處理后，在提高其硬度和耐磨性的基礎上同時提高其抗腐蝕能力，并且形成黑色、漂亮的外觀，可以代替常規的淬火一回火一發黑（鍍鉻）等多道工序，縮短生產周期，降低生產成本。大量的生產數據表明，QPQ處理與滲碳淬火相比可以節能50％，比鍍硬鉻節約成本30％，性價比高。

無公害水平高、無環境污染

QPQ處理工藝過程經有關環保部門檢測鑒定，并經全國各地用戶的實際使用證明，各種有害物質排放量均低于國家排放標準允許值。由于技術先進，質量穩定，QPQ技術應用的產品有數百種之多，已在全國各地建立了多條生產線。

適用范圍廣泛

篇10

關鍵詞：SiCP/AlSi復合材料；噴射沉積；熱擠壓；干滑動磨損；磨損機制

中圖分類號：TB331 文獻標識碼：A

Dry Sliding Wear Properties of Spray Formed and Hot

Extruded SiCp /AlSi Composites

TENG Jie，LAI Shizhen， ZOU Jinwei，WU Haojie，HUANG Ruiming

（College of Materials Science and Engineering，Hunan Univ.Changsha，Hunan 410082，China）

Abstract：Aluminiumbased composites containing 7%， 13% ，20%Si contents and 15vol% of SiCp were fabricated by spray deposition technique and followed by hot extrusion. The dry sliding wear performance of SiCP/AlSi composites was investigated. Dry sliding wear tests have been performed using a blockonring type apparatus under different normal loads of 10， 50， 100，120，150，200 and 220 N and at a constant sliding speed of 1 m/s. The microstructures， morphologies and phases of worn Surfaces were analyzed by optical microscope （OM）， scanning electron microscope （SEM） and energydispersive Xray microanalysis （EDX）， respectively.The results have shown that Al20%Si/SiCp composite has better wear properties in the applied load range and the transition load increases with silicon content increasing. At low test load （50 N）， the main wear mechanism is oxidation wear and abrasive wear for three composites. Adhesive wear becomes the main wear mechanism for SiCp/Al7Si at 120 N and SiCp/Al13Si at 200 N. But for SiCp/Al20Si at 220 N， the main wear mechanism is still oxidation wear， and has a minor adhesive wear.

Key words： SiCP/AlSi composite； spray deposition； hot extruded；dry sliding wear； wear mechanism

節能、減排、輕量化的發展趨勢大大促進了輕質高強度材料在汽車中的發展和應用[1].SiCP/AlSi復合材料具有高比強度、比剛度、優良的耐磨性、低的熱膨脹系數和低密度的優點，在汽車的一些耐磨部件上已得到成功應用（如剎車盤、剎車片、發動機活塞和氣缸套、連桿等），并受到世界各國研究者越來越多的關注[2].研究發現復合材料的制備技術是影響材料自身耐磨損性能的一個重要因素[3].SiCP/AlSi復合材料的制備方法通常有攪拌鑄造法、粉末冶金法和噴射沉積法等.傳統的攪拌鑄造法制備SiCP/AlSi復合材料時，難以避免初晶硅粗大以及增強顆粒易團聚等問題，嚴重影響了復合材料的性能.粉末冶金法存在生產過程復雜、成本高，難以在實際生產中得到廣泛應用等不足.噴射沉積法作為一種非平衡制備技術，具有快速凝固和近凈成形的特點，制備出的SiCP/AlSi復合材料初晶硅顆粒細小、增強顆粒均勻分布.但是通過噴射沉積法制備的復合材料常常存在一些孔隙[4]，需通過熱擠壓或熱扎制等塑性變形的方法來減少或消除孔隙，從而進一步提高復合材料的力學性能和耐磨損性能.增強顆粒的尺寸大小是影響復合材料耐磨損性能的另一個重要因素[5]，過大的增強顆粒在基體內容易產生應力集中，且在外加載荷的作用下，容易開裂破碎，嚴重影響復合材料的耐磨性能.已有的對于復合材料干滑動摩擦磨損性能的研究，多側重于常規制備方式以及低Si含量條件下復合材料的摩擦磨損性能及其磨損機制[6-9].

（a） SiCP/Al7Si at 50 N； （b） SiCP/Al7Si at 120 N

（c） SiCP/Al13Si at 50 N； （d） SiCP/Al13Si at 200 N

（e） SiCP/Al20Si at 50 N； （f） SiCP/Al20Si at 220 N

2.4 磨損機制

研究表明[13-14]鋁基復合材料與鋼質對偶摩擦過程中，粘著磨損至復合材料嚴重粘附在鋼質摩擦對偶表面是導致復合材料摩擦磨損失效的一個主要機制.基體中的硬質顆粒如初晶硅、碳化硅顆粒主要起承接摩擦載荷和保護基體的作用，同時在一定程度上阻止基體的變形.從圖4和圖5可知3種復合材料在輕微磨損階段，磨粒磨損是其主要的磨損機制.同時在低載荷時，從圖6（a），（c），（e）可以很清楚地觀測到存在一定的氧含量，外露的磨損表面發生了氧化磨損，所以輕微磨損階段氧化磨損是另一種主要磨損機制.隨著摩擦載荷的增加，3種復合材料表現出不同的磨損特征.SiCP/Al7Si和SiCP/Al13Si復合材料由于硅含量相對較低，其組織中初晶硅數量較少，對基體的保護作用較弱，復合材料摩擦表面易發生較嚴重的塑性變形，如圖4（b），（d）和圖5（b），（d）所示.另外，摩擦表面的氧含量明顯減少（圖6（b），（d））也意味著摩擦層穩定性較差，此時SiCP/Al7Si和SiCP/Al13Si復合材料以粘著磨損為主，并出現復合材料向對偶材料的轉移，如圖7（a），（b）所示.SiCP/Al20Si復合材料基體中初晶硅含量高，對基體的保護和延緩基體變形的能力較強，即使在嚴重磨損階段，其摩擦表面仍未出現嚴重的塑性變形，向摩擦對偶轉移的程度大大降低，如圖7（c）所示.此時SiCP/Al20Si復合材料存在輕微的粘著磨損，磨損表面的氧含量高（圖6（f）），圖4（f）中存在的孔洞也說明存在著氧化磨屑[15].因此SiCP/Al20Si復合材料在嚴重磨損階段仍以氧化磨損為主，并伴有輕微的粘著磨損.

（a） SiCP/Al7Si at 50 N； （b） SiCP/Al7Si at 120 N

（c） SiCP/Al13Si at 50 N； （d） iCP/Al13Si at 200 N

（e） SiCP/Al20Si at 50 N； （f） SiCP/Al20Si at 220 N

3 結 論

由噴射沉積法制備出SiCP/AlSi復合材料，并經熱擠壓加工，經T6熱處理后，對復合材料的干滑動磨損性能進行了試驗分析，得出以下結論：

1） 由于噴射沉積法冷卻速度快，制備出的SiCP/AlSi復合材料中的初晶硅晶粒細小，2 μm左右，增強顆粒分布均勻.

2） 隨著基體中Si含量的增加，SiCP/AlSi復合材料的磨損率隨著減小，并且磨損由輕微磨損階段向嚴重磨損階段的臨界載荷值增大.SiCP/Al20Si復合材料在所有相同試驗載荷下磨損率都最低.

3） 在輕微磨損階段，SiCP/AlSi復合材料磨損機制以磨粒磨損和氧化磨損為主；在嚴重磨損階段，SiCP/Al7Si和SiCP/Al13Si復合材料存在嚴重的塑性形變，磨損機制以粘著磨損為主，而對于SiCP/Al20Si復合材料磨損機制則以氧化磨損為主并伴有輕微的粘著磨損.

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