（动力机械及工程专业论文）钛硅碳陶瓷材料的摩擦磨损行为.pdf

匕京交通大学硕士毕业论文 摘要 摘要 以t i 3 s i c 2 系导电陶瓷材料在高速列车受电弓滑板的应用为背景， 对t i 3 s i c 2 材料的摩擦一磨损行为及相关机理进行了研究。主要的研究 工作包括：参与了高纯度多晶块体t i 3 s i c 2 材料的制备：用高速摩 擦一磨损试验机系统地测试了制备的t i s s i c 2 材料对低碳钢等材料的摩 擦磨损行为以及法向载荷、滑动速度和材料纯度对摩擦系数的影响， 并用热力学分析方法对摩擦表面氧化膜形成的机制进行了探讨；研 究了法向载荷、滑动速度和材料纯度对t i 3 s i c 2 材料磨损率的影响及氧 化膜的减磨作用；测试了制备的t i 3 s i c 2 材料的相对密度、维氏显微 硬度以及抗弯强度和室温电阻率等性能参数。 结果表明：所制得的高纯、高致密的t i 3 s i c ：材料具有良好的导电 性能，较低的v i c k e r s 硬度和优良的力学性能；高纯度t i 3 s i c 2 材料与 低碳钢的摩擦系数和磨损率有显著的速度依赖性，在 6 0 州s 滑动速 度的范围内，摩擦系数随速度提高而减小，t i 3 s i c 2 材料的磨损率随速 度增加而增大，法向载荷也有一定的影响。导致摩擦系数随滑动速度 提高而减小的原因主要归于t i 3 s i c 2 材料块表面摩擦过程中生成摩擦 氧化层而起到减摩作用的机制，该氧化层均匀覆盖在t i 3 s i c 2 材料的摩 擦表面，其性态随着载荷、速度和纯度的变化而变化，从而导致摩擦 系数和磨损率随之变化。 关键词：t i 3 s i c 2 材料、摩擦系数、磨损率、氧化层 北京交通人学硕士毕业论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i no r d e r t oa p p l yt l l ec o n d u c t i v et i ，s i c 2 一c l a s sc e m m i c st of a b d c a t e t h ep a n t o 蓼印hs t r i po f h i 曲一s p e e dt r a i n ，t h e 饼c t i o na 1 1 dw e a rb e h a v i o u r s a sw e na st h e 碍】e v a n tm e c h a n i s m so fat 主3 s i c 2m a t e a lw c r ei n v e s t 适a t e d t h ew o r ko fc h i st h e s i sm a i n l yi n v o l v e dt h a t ：p r c p a r i n gah i 曲一p u r e p 0 1 y c r y s t a l l i n eb u l kt i 3 s i c 2s a m p l e ；t e s t i n gt h em c t i o na n dw e a r b e h a v i o r so ft h et i 3 s i c 2d r y l ys l i d i n ga g a i n s tal o wc a r b o ns t e e ld i s kb ya h i g h s p e e d 衔c t i o n a n dw e a rt e s t e r ，d i s c u s s i n ge f 南c t so ft 1 1 en o 咖a 1 p r e s s u r e ，t h es l i d i n gs p e e da n dt h ei m p u r i t i e si nt b s j c 2s a m p l eo n 衔c t i o n c o e m c i e n t ，a j l dd i s c u s s i n gt h em e c h 柚i s mo ft h eo x i d ef i l mf b 珊i n go v e r t h em c t i o ns u r f a c eo ft i 3 s i c 2 ；d i s c u s s i n ge 脏c t so ft h en o r n l a l p r e s s u r e ，t h es “d i n gs p e e da n dt h ei m p u r i t i e so nm ew e a rr a t eo f1 1 3 s i c 2 ， a i l da n t i f r i c t i o na c t i o n so ft h eo x i d ef i l m ；m e a s 面n gt h ep e r f o n n a 王l c e s i n c l u d i n gt h er e l a t i v ei n t e n s i t y ，t h e c k e r s h a r d n e s s ，m en e x l l r a ls t r e n 酉h a n dt h er o o mt e m p e 姐t u r er e s i s t i v i 吼 t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r 印a r c dh 蟾h l y - p u r ea 1 1 dh i 曲1 p d e f l s e t i 3 s j c 2s 啪p l e sh a v eag o o d e l e c t r i c a l c o n d u c t o r s ， ar e l a t i v e 】y1 0 w v i c k e r s 。h a r d n e s s ，a n de x c e l l e n tm e c h a n i c a lp t o p e n i e s ；t h c 衔c t i o n c o e m c i e n ta n dt h ew e a rr a t eo ft 1 eh i g h l yp u r et i 3 s i c 2m a t e r i a la g a i n s t l o wc a r b o ns t e e lm a r k e d l yd 印e n d so nm es l i d i n gs p e e d i nt h er a l l g eo f t h cs l i d i n gs p e e di e g st h a n6 0 m s ，t h em c t i o nc o e m c i e n td e c r e a s e sw j m i n c r e a s ei nt h es p e e d ，h i t em ew e a rr a t eo ft i 3 s i c 2i n c r e a s e sw i t h i n c r e a s ei nt h es l i d i n gs p e e d i na d d i t i o n ，t h en o r i n a lp r e s s u r eh a sa l s oa c e r t a i ni n n u e n c e t h er e a s o ni n d u c e dt h ed e c r e a s eo f 币c t i o nc o e f 玎c i e n t 北京交通大学硕士毕业论文 a b s 订a c t w i t hi n c r e a s ei nt h es l i d i n gs p e e dc a j lb ea t t 曲u t e dt ot h ea n t i 币c t i o n m e c h a n i s mo fas e l f _ g e n e r a t i n go x i d ef i l m ，w h i c hc o v e r e du n i f o m l yo v e r t h ef n c t i o ns u r f a c eo ft i 3 s i c 2 1 1 1 em o r p h 0 1 0 9 yo ft h eo x i d en l mi s c h 肌g e d t ht h en o 肌a 1p r e s s u r e ，t h es l i d i n gs p e c da n dt h ep 面t y ，t h u s r e s u l t si nt h ec h a n g e so 九h e 衔c t j o nc o e 佑c i e n ta n dt h ew e a rr a t e k e y w o r d s ：t i 3 s i c 2m a t e 订a l s ，f r i c t i o nc o e m c i e n t ，w e a rr a t e ， o x i d i z i n gi a y e r l 北京交通大学硕士毕业论文 第l 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 列车的高速化、电气化是当今社会轨道交通发展的必然趋势，对 我国的经济发展具有重要的影响。高速机车关键零部件材料的服役性 能能否满足列车高速化的使用要求，直接影响着轨道交通高速化的进 程。图1 1 为机车受电弓滑板，受电弓滑板通过与接触网的滑动接触 来提供机车运行所需的动力，是电力机车电力传输系统中最关键的环 节，也是列车运用安全系统中最薄弱的环节。 图l 一1 韶四型机车受电弓滑板 f i g 1 一lc o n t a c ts t 打p so f p a n t o 擘a p ho nj o c o m o t i v eo f s h a o 一般工况下，受电弓滑板从2 2 2 7 万伏高压的线路接触网获取 牵引电力，传输电流达到15 0 5 0 0 a ，同时承受与接触导线的滑动摩 擦、电接触热应力和机械接触应力；特别是受电弓瞬时离线引起的超 高压电弧灼蚀以及环境腐蚀。随着列车速度的提高，滑板与导线之间 北京交通大学硕士毕业论文第1 章绪论 的滑动磨损进一步加剧，离线次数的增加，使得电弧灼蚀和接触热应 力造成的损伤也越严重，如此严酷的电、力、磨、蚀共同作用，对滑 板材料的要求变的极为苛刻。目前国内外使用的滑板主要以碳基滑板 以及粉末冶金滑板为主，现使用得滑板普遍存在磨耗快、易破断、对 接触网线损伤大等问题国产受电弓滑板的使用寿命仅1 万公里左右， 日本的滑板使用寿命为7 8 万公里，在新干线上大约使用1 2 1 4 天， 这不仅大大增加了维护成本，而且对导线的磨损还影响了接触网线的 使用寿命和可靠性。在目前的材料体系内通过改变工艺或合成方法来 进一步提高现使用滑板的性能是相当困难的，不仅工艺难度增大，而 且成本也大幅升高。这就要求寻找新的材料体系制备滑板，以适应高 速列车发展的需要。根据滑板材料的7 个基本使用要求：强度高、电 阻率小、耐热性好、对接触导线磨损小、自身磨耗小、易加工、低成 本等，翟洪祥教授【1 首次提出了将t i 3 s i c 2 系材料用作受电弓滑板材 料。 t i 3 s i c 2 系材料是近几年发展起来的一类具有层状结构的三元化 合物陶瓷，因其具有独特的性能而受到了材料科学工作者的广泛重视 【2 。”。它们同时兼具有金属和陶瓷的优良性能。和金属一样，在常温 下，有很好的导热性能和导电性能，有较低的维氏硬度，另一个优异 的性能是它可以用高速钢刀具进行机械加工，甚至可以用手动钢锯进 行切割，且不需冷却和使用润滑剂。它们在被加工时并不象金属那样 发生塑性变形，而是发生微细薄片的剥落。值得注意的还有，因为它 们优异的导电性还可以采用电子放电加工( e l e c t r o nd i s c h a r e m a c h i n i n g ) 进行成形，并在高温下具有一定的塑性；同时，它具有陶 瓷材料的性能：有高的屈服强度，高熔点，高弹性模量，高热稳定性 和良好的抗氧化性能；同时它还具有良好的抗热振性、抗破坏能力和 优异的耐化学腐蚀性，更有意义的是它们甚至有优于石墨和m o s ：的 自润滑性能。 这类化合物可以用统一的分子式m 。i a x 。来表示，其中m 为过 北京交通大学硕士毕业论文 第1 章绪论 渡金属，a 主要为i t i 和i v a 族元素，x 为c 和n ， n = l ，2 ，3 1 。当 n = 3 时，称为4 1 3 相，代表性的化合物有t i 4 a 1 n 3 ；当n = 2 时，代表性 的化合物有t i 3 s i c 2 ，t i 3 g e c 2 和t i 3 a 1 c 2 ，简称为3 1 2 相；当n = l 时， 代表性的化合物有t i 2 g e c ，t i 2 a 1 c 和t i 2 a 悄等，简称为2 1 1 相，又 称为h 相。n o w o 缸y 等2 1 科学家在6 0 7 0 年代合成了总数超过1 0 0 多种的这类化合物，图1 2 为m 。+ 1 a x 。化合物【4 】。 i l 孤咀 n a j p t 忡h f 2 p b c c r 2 g a cv 加cw 2 n n n 如舯c + 、删b 巾) 洲口n 洲n 0 5 c o ，n b 2 g a c n b 2 8 c 2r 2 j n n t l ，g e c c r 洲c办声c弗a ct 够d ch q 川 z 哂n c t蚴【c竹2 s ct a 2 g a c 8 c 2 i n c +h 啪n n h 如s n c 。v 一【c n b 2 s cn g a n心m c亿t i c 鸭s n c v ，p ch 南s cc 2 g a nz r 2 l n cz 吐t i c n b 2 s j ：l o + n b p c稍2 g a c 如g a n 2 n eh 岛t i c z _ p b c 沁p b c ”v 2 g a c也g e c州n cz t l n 衄i 彭凇峨硼”_ a j n f 懒犍 图l 一2 m a x 。化合物 f i 9 1 2 a 1 lc o m p o u n do f m n + 1 a x n 因为这类化合物具有和石墨相似的层状结构，研究者意识到其具 有优良的摩擦学特性，并且材料具有良好的导电性，可以说t i 3 s i c 2 材料是结构和功能一体化，陶瓷和金属一体化的典型材料，也是满足 先进的高速机车受电弓滑板要求最适合的材料。 1 2 陶瓷摩擦学特性 陶瓷作为摩擦零件的研究和应用己经成为当今国际摩擦学研究 的前沿课题之一。随着高性能结构陶瓷在工程上日益广泛应用，如 何解决陶瓷部件在特定工况下的摩擦磨损、提高它们的耐磨性使整套 北京交通大学硕士毕业论文 第1 章绪论 设备延长寿命、节约能源和材料，显得越来越重要。目前，陶瓷摩擦 学研究主要集中在s i 3 n 4 、s i c 、z r 0 2 、a 1 2 0 3 等几种陶瓷上。各国学者 对陶瓷及其复合材料的摩擦、磨损及机理进行了不少的研究，提出了 陶瓷材料的质量摩擦转移主要涉及塑性变形、脆性断裂和摩擦化学反 应等机理。同金属材料耜比，陶瓷材料有较高的抗剪切强度。同时陶 瓷材料具有的离子键或共价键对磨屑构成较强的吸附作用。因此，陶 瓷金属摩擦副在摩擦过程中，通常在陶瓷表面形成金属转移膜，转移 膜的形成，保护了陶瓷表面，降低了其磨损率。由于钢较低的硬度， 造成接触面积增大，粘着严重使磨损增大和摩擦系数升高。相比之下， 陶瓷陶瓷摩擦副的摩擦磨损机理有较大不同。同金属材料一样，陶瓷 材料自配副时有较强的粘着倾向。真空中s i c ，s i 3 n 4 ，z r 0 2 ，a 1 2 0 3 的 摩擦系数接近o 8 m ”】。然而，其它介质一旦介入即可在陶瓷表面形成 吸附膜，使粘着倾向降低。此外，尽管陶瓷材料在静态下有较强的化 学稳定性，但在动态和摩擦过程，无论是氧化物陶瓷或非氧化物陶瓷 都可能与其环境介质发生作用，从而在摩擦表面形成反应膜。陶瓷材 料自配副时，吸附膜和反应膜是决定其摩擦磨损性能的主要因素。不 同的陶瓷材料与其周围环境介质的反应是不同的，因此表现出不同的 摩擦磨损性能【l ”。对非氧化物陶瓷来讲，潮湿空气和水都可降低其摩 擦系数和磨损率。原因在于s i c 和s i 3 n 4 陶瓷都可以与h 2 0 发生化学反 应，在摩擦表面形成剪切强度较低的s i ( o h ) 4 反应膜1 8 j 。这种条件下 的磨损是表面氧化物水解造成的，磨损率较低。相比之下，在潮湿空 气或水中，氧化物陶瓷发生化学吸附脆断或应力腐蚀断裂旧坫】。其原 因在于水分子破坏了裂纹尖端金属原子与氧原子之间的键合f l ，因此 氧化物陶瓷在潮湿气氛或水中的摩擦学性能下降。对陶瓷材料而言， 微区断裂是其磨损的主要原因【2 0 。”。这是因为大多数陶瓷材料相对 于金属材科是脆性的。其脆性源于材料可产生塑性流动的滑移系数目 少和位错攀移困难( 22 ，”】。微区断裂起源于材料中的缺陷处，在滑动接 触过程中，缺陷处产生应力集中，在载荷和切向力作用下缺陷处位错 北京交通火学硕士毕业论文 第1 章绪论 发生堆积。由于陶瓷不能通过塑性变形释放应力，结果造成脆性断裂。 而t i 3 s i c 2 由于具有层状的晶体结构、低的维氏硬度和易分层或剪 切等特点，且具有高熔点、高热稳定性，在低于1 8 0 0 在真空或氩气 中不分解的特性，使其很可能表现出完全不同于其它碳化物( 如t i c 等) 的摩擦磨损行为；并且t i 3 s i c ：具有优良的导电性，研究其摩擦磨损将 使材料在导电摩擦学方面的应用有指导作用。掌握t i 3 s i c 2 材料的摩擦 磨损特性，将其作为耐磨零件是有很大潜力和意义的。本论文主要做 摩擦磨损性能方面的工作。 1 3t i ，s i c ：系材料的研究概况 目前对于t i 3 s i c 2 系材料的研究仍处在发展阶段。1 9 6 7 发现了 t i 3 s i c 2 材料，但因难于制备在当时没有引起太大的注意。直到近十年， 由于其具有金属和陶瓷的双重功能才渐渐引起人们的关注。 1 3 1t i 3 s i c 2 研究进展 1 9 6 7 年j e i t s c h k o 和n o w o 协y 1 5 采用气态t i h 2 ，s i 和石墨为原料， 在2 0 0 0 的温度下进行化学反应合成了t i 3 s i c 2 并测定其结构。从此， 材料科技工作者分别采用不同的原料组成及不同的制备工艺来制备 t i 3 s i c 2 。迄今为止，t i 3 s i c 2 的合成制备方法主要有以下几种：c v d ( 化 学气相沉积) 法、s h s ( 自蔓延高温合成) 、物理化学合成法、电弧溶化 法、液固反应法、h p ( 热压) 法、h d ( 热等静压) 法、固态置换原位合 成反应法、和s p s ( 放电等离子烧结) 等。 1 9 7 2 年n i c k l 等人1 6 j 研究了t i c s i 系统内反应体系为 t i c l 4 + s i c l 4 + c c l 4 + h 2 ( e x ) 的化学气相沉积过程。利用在1 2 0 0 的完 全沉积相图，研究了在二相、三相平衡图中的组织和内在结构尤其是 t b s i c 2 的性质。但这类方法只能在实验室极少量地制备出t i 3 s i c 2 的 薄膜，难以进步开发利用。九十年代后对t i 3 s i c ：材料的制备及性能 研究取得了很大的进步。1 9 9 4 年r a c a u l t 等f 7 】提出物理化学合成工艺 北京交通大学硕士毕业论文 第1 章绪论 来制备t i 3 s i c ：。但缺陷是材料中仍然含有少量的t i c ，且不能得到块 状材料。1 9 9 5 年a m n a i a t e s a n 和c 撕m 【8 】利用t i 、s i 、c 的混合粉经 电弧熔化来制各t i 3 s i c 2 陶瓷，虽然工艺会引起s i 与c 的流失，但是 制得的t i 3 s i c ：样品非常均匀，这种样品经过氢氟酸处理，可以就得 9 9 纯相的t i 3 s i c 2 粉末。周延春等吲用钛粉、硅粉和石墨为原料，并 加入重量比为4 的n a f 作反应助剂，在通a r 气的硅碳管炉，于 1 2 5 0 0 c 的温度下保温2 h ，主要产物为t i 3 s i c 2 和t i c ，所得样品中 t i 3 s i c 2 含量可达8 1 w t 。1 9 9 6 年，b a r s o u m 和其合作者【1 0 ，“】在固相 合成领域取得了突破性的进展，他们以t i ，s i c 和石墨为原料，采用 h 口法制到了高纯度、致密的t j 3 s i c 2 陶瓷块。1 9 9 6 年，r a d l a “s 1 1 i l a l l 等【12 j 采用固态置换原位反应法制备了金属间化合物一陶瓷基复合材 料。梅柄初、朱教群 2 4 】等人提出了以元素单质粉为原料，并掺加适量 的a l 粉作烧结助剂能加速t i 3 s i c 2 的反应合成并提高材料的纯度。潘 伟【2 5 】等人以3 t i ：1 2 s i ：2 c ( 碳粉或活性碳) 为原料，研究了其合成 t j 3 s i c 2 的结果。翟洪祥i 2 6 ，2 71 等以3 t i ：1 s i ：2 c ( 石墨) 为原料，以 a l 为添加剂，稳定制备出纯度9 8 以上、高致密的t i 3 s i c 2 块体材料。 总的说来，制备t i 3 s i c 2 材料的方法有很多，但是稳定制备出高纯 t i 3 s i c 2 材料是具有一定难度的，因为利于合成单相t i ，s i c 2 材料的实验 条件是非常有限的一个范围，无论采用那种方法来制备，要想获得高 纯致密的t i 3 s i c 2 块体材料，解决杂质相存在的问题，必须在制各工艺 上有迸一步的突破。 j e i t s c l l l ( o 和n o w o m y 测定了用化学气相沉积( c v d ) 的方法， 在2 0 0 0 的高温下t i h 2 、s i 和石墨之间的化学反应合成的t i 3 s i c 2 陶 瓷的晶体结构【5 】。t i 3 s i c 2 属六方晶系，图1 3 是t i 3 s i c 2 的结构简图， 从中可以看出：每一个晶胞中含有6 个钛原子，4 个碳原子，2 个硅 原子，且碳原子位于钛原子的八面体间隙中，两个t i 。c 结合一体形成 层状结构a ，单质s i 形成层状结构b ，从而使共棱的c t i 6 八面体被平 面s i 原子层所分隔，形成a b a b 交替排列的t i 3 s i c 2 层状结构，这样 北京交通大学硕士毕业论文 第1 章绪论 的结构决定了性能介于金属和陶瓷之间。k i s i l 2 8 1 和b a r s o 啪【2 j 等用中 子衍射更准确测定了t i 3 s i c ：的晶胞参数和晶体中各原子之间的键长 及键角，t i l 、t i l l 原子与c 原子之间的距离与其相应的共价键键长很 接近，表明t i c 键为共价键结合，即结合键力较强，赋予材料高熔 点、高模量等性能。t i i j 原子与s i 原子之间的距离稍微大于曩的金属 键半径和s i 的共价键半径之和；而s i 原子之间、s i 原子与c 原子之 间的距离都远大于形成强键结合的键长数值，同时t i 6 c 八面体发生了 扭曲，c 原子朝远离s i 原子平面层的方向偏离并导致t i c 的键长有 明显的不同。上述结果表明：在t i 3 s i c 2 的结构中，t i 与c 之间为典 型的强共价键；而s i 原子层内部及s j 原子与耶之间为弱键结合。这 种层间弱结合特征类似与层状的石墨，且受外力的情况下，弱的层间 结构易发生滑动，这可一定程度上解释t i 3 s i c 2 的层状结构和自润滑 性。正因为t i 3 s i c 2 在结构上有上述的特点，使其兼有金属和陶瓷的许 多优异性能。其晶体结构如图1 3 所示。 m 。+ l a x 。 2 1 1 3 1 2 4 1 3 图1 3t i 3 s i c 2 系的结构简图 f i 9 1 3t h es t n l c t u r eo f t i 3 s i c 2 北京交通火学硕士毕业论文 第1 章绪论 图1 4 显微照片揭示了t i 3 s i c 2 块体材料和石墨具有相似的层状 结构，具此推断材料具有一定的自润滑性。由上面分析知s i 原子与 t i c t i c t i 链的键力是较弱的，这可能是导致t i 3 s i c 2 的层状结构和 自润滑性的原因。 图1 4t i 3 s i c 2 块状材料的层状结构1 1 f i 9 1 4 l a y e rs 订u c t l l r eo f b u l kt i 3 s i c 2 由t i 3 s i c 2 的晶格参数计算得出其理论密度为4 5 3 c m 3 。t i 3 s i c 2 具有高熔点( 熔点高达3 0 0 0 以上) 、高热稳定性。在低于1 8 0 0 在 真空或氩气中不分解。e i r a 面y 和b a r s o u r n 等 2 ”5 j 对用热等静压制各 的高纯度t i 3 s i c 2 陶瓷的物理性能作了全面的检测和分析。他们测得的 用热等静压制得的高纯t i ，s i c ：在室温下的导电、导热系数分别为 4 5 1 06 s m ，3 7 w ( m k ) ，热膨胀系数为9 2 1 0 4 k ；他们还对热压、 热等静压所制备的t i 3 s i c 2 在9 0 0 1 4 0 0 的温度区间内、在空气条件 下的氧化行为进行了研究，研究表明：氧化过程重量增加与时间呈抛 物线的关系。从9 0 0 升高到1 4 0 0 ，氧化的速度常数从 1 1 0 胡k 9 2 m 。4 s 。增加到l 1 0 4 k 9 2 m s 。，计算所得热压、热等静压制得 北京交通大学硕士毕业论文 第1 章绪论 的样品的氧化活化能分别为3 2 0 k j m o l 、3 7 0k j m 0 1 。氧化层的物相分 析表明：氧化层由两层组成，内层为s i 0 2 、t i 0 2 ，外层为纯金红石。 氧化过程的动力学模型为氧的向内扩散和碳、钛的向外扩散。材料中 t i c 的含量明显影响其氧化性能，热等静压制备的t i 3 s i c 2 陶瓷由于比 热压法制各的t i c 含量低，因此前者的抗氧化性能明显优于后者。n f g a o 等测定了t i 3 s i c 2 含量达9 7 v 0 1 ，密度达到理论密度9 9 的陶 瓷试块的一系列性能，室温下显微硬度、弹性模量、抗弯强度和断裂 韧性分别为4 g p a ，2 9 3 g p a ，4 l o g p a 和1 i 2 m p a 肌“2 。t i 3 s i c 2 能在 1 1 0 0 的空气中保持稳定。其室温电阻率为2 7 1 0 。7q m ，电阻率随 温度的增加丽线性增加。 1 3 2 摩擦学研究 m y h m 【3 8 等利用原子力显微镜研究了t i 3 s i c 2 基面的摩擦行为，报 道了迄今为止最小的摩擦系数2 5 1 0 ，他们声称t i 3 s i c 2 基面可能 具有比m o s 2 更好的自润滑性能；另外，他们还在载荷从0 1 5n 到o 9 n 的实验条件下与抛光的钢片对磨，测量了t i a s j c z 多晶材料的摩擦系 数，其l l 值为o 1 2 。 e l 畏a 曲y 和b a r s o 啪f 3 9 1 等用盘销式研究了t i 3 s i c 2 细晶材料和粗 晶材料的摩擦磨损行为，所用的摩擦副为4 4 0 c 钢，实验条件如下； 5 n 的载荷，0 1 耐s 的滑动速度及4 6 3m 的滑动距离。其结果表明， 无论粗晶还是细晶t i 3 s i c 2 ，其摩擦系数u 从o 1 5 线性地增加到04 5 ， 最后达到稳态值o 8 3 ，数值约为m y l l r a 试验结果的7 倍。在这种实验 条件下，粗晶和细晶t i 3 s i c 2 的磨损率分别为4 2 5 1 0 3 肿3 小m 和 1 3 4 1 0 3 m m 3 n m 。周延春【4 0 3 等在压力为7 7 n 1 4 7 n 、速度为7 耐s 下研究了t i 3 s i c 2 基材料的摩擦磨损行为。测得摩擦系数在o 4 o 5 之间，磨损率为9 9 1 0 - 3 m m 3 小m 。翟洪祥 4 。4 51 等利用高速盘块式 摩擦试验机，相对湿度2 2 2 5 的室温下，与低碳钢对磨，载荷o 1 o 8 m p a ，速度分别为2 0 、3 0 、4 0 、5 0 m s ，滑动距离2 4 0 0 0 m ，测的高 北京交通大学硕士毕业论文 第l 章绪论 纯t i l s i c ，的摩擦系数为o 2 5 o 3 5 ，磨损率为1 5 3 o x l o 。m m 3 ，n m ， 如此低的摩擦系数和磨损率，说明t i 3 s i c 2 是一种比较好的摩擦材料。 从上述可见，不同研究者之间的结论差别较大，这主要是由于摩 擦磨损性能并不是材料本身单纯的属性，而是一种系统的性能，它不 仅与材料本身的纯度、硬度、强度有关，而且还受到摩擦过程中载荷、 速度等条件的影响，因此分析各种要素的影响，对于客观评价材料的 摩擦行为具有重要意义。 1 3 3 应用 t i 3 s i c ：三元化合物作为一种新兴、具有优异性能的材料将会逐渐 渗透到以下的领域，并能替代以下的材料。 1 ) 可用作电接触材料。由于t b s i c 2 高导电、高导热性能，同时 又具有摩擦系数低，良好的自润滑性能，可代替传统的电极、电刷材 料。 2 ) 低摩擦系数材料。很重要的高温于摩擦条件下的低摩擦系数材 料。 3 ) 热交换器。t i 3 s i c 2 很好的热导体，导热系数随温度的升高并 不下降。综合考虑其化学稳定性、易加工性、抗热震性等，t i 3 s i c ：是 热交换器理想候选材料。 4 ) 作为高温结构材料、替代可加工性陶瓷。t i 3 s i c 2 的密度大约 是n i 基超合金的一半，硬度是它的两倍，它比目前市场上能得到的 最好的超合金在各个温度下的力学性能还要好，而且更容易加工。 目前应用在电气化铁路上的受电弓滑板材质面临着巨大的挑战， 目前的使用材料体系不能满足列车速度进一步提高的要求。而根据目 前对t i 3 s j c 2 材料的研究并与现使用的受电弓材料比较表1 1 ，知 t i 3 s i c 2 材料满足以上及方面的要求，且很多性能部优于现使用的材料 性能1 4 “，适合作为受电弓滑板材料。但对其摩擦磨损性能及其他性能， 目前都在探索、研究当中。 北京交通火学硕士毕业论文 第1 章绪论 表1 1t i 3 s i c 2 材料与现使用的受电弓材料性能比较 t a b l el - 1p e r f o r n l a n c eo f t i 3 s j c 2m a t e r i a l sc o m p a r ew i t ht h ep a n t o g r a p h s t r i pm a t 鲥a l s 性能 指标 与现用滑板材料 及其他可参照材料的比较 比重 4 5 铜系烧结：8 ，铁系烧结：8 ， c m 3 碳系：3 3 8 电阻率( 室温) 2 2 铜系烧结：3 0 ，铁系烧结：4 0 ， u qc m 碳系：9 0 0 3 0 0 0 可加工性可切削，钻孔优于碳系材料 自润滑性具有 优于大部分具有自润滑的材 料 耐高温性 o c) 1 3 0 0 高于大部分陶瓷和金属 抗氧化性( 氧化速 2 l o 一8 优于铜、铁、碳系材料 率常数) ( 1 0 0 0 。c ) k 9 2 m 一s l 抗热震性t 1 4 0 0 大多数陶瓷：t 9 0 0 热导率( 室温) 4 3 铜合金：9 0 ，铁系：4 2 w ( m k ) 热膨胀系数 9 2 铁系合金：1 2 1 6 1 0 一6 k 一1 弹性模量 3 2 0 高于铜系、铁系烧结材料和碳 g p a 系材料 冲击强度 1 2 0 高于碳系材料 k j m 抗压强度 1 0 0 0 高于铜系、铁系烧结材料 m p a 北京交通大学硕士毕业论文第l 章绪论 1 4 研究内容 本论文研究的主要内容： 制备出高纯的t i 3 s i c 2 材料并测定其基本性能； 对t i 3 s i c 2 材料与a 3 钢的摩擦磨损行为进行试验研究，进一步深 入探讨t i 3 s i c 2 材料的摩擦磨损行为，对滑动速度5 6 0 州s ，压力0 1 o 8 m p a 下t i 3 s i c 2 材料的摩擦学行为及机理进行了研究，进一步认识 t i 3 s i c 2 材料的摩擦磨损性能。重点观察研究n 3 s i c 2 材料的摩擦系数 和磨损率随压强、速度和纯度变化摩擦磨损行为以及之间的关系和机 弹。 4 e 京交通大学硕士牛业论文 第2 章样品制备及性能 第2 章样品制各及性能 2 1 样品制备 高纯度t i 3 s i c 2 块体材料的合成，是实现t i 3 s i c 2 材料研究和应用 的物质基础。合成高纯度的t i 3 s i c 2 块体材料主要有两个技术难点，一 是如何减少研( ：等杂相的含量，提高台成材料的纯度；二是如何抑制 较大装炉量的在合成反应过程中经常发生的“热爆”现象。在，s i c ， 的配料q j 加入适量的舢可以有效的提高纯度、降低合成的最低温度、 扩展合成温度的范围。 2 1 1 研究技术路线 材料的制备合成过程，主要是确定合适的成分配比、选择烧结参 数，制备出高性能的材料。研究过程的路线如图2 1 所示： 图2 1 研究技术路线示意图 图2 1 研究技术路线示意图 f i 9 2 - 1d i a 目a mf o rs t u d yp r o g r e s s 北京交通大学硕士毕业论文 第2 章样品制备和性能 2 1 2 试验原料 试验过程中采用的原料： 表2 ，1 试验原料特征 t 拍l e2 1 c h 盯a c i e r i s t i c so f r a wm a t e r i a l s 原料纯度( )平均粒径( u m )产地 t i9 9 0 7 0北京化学试剂公司 s i9 9 9 7 0 上海化学试剂公司 a l9 9 5 7 0 北京化学试剂公司 c9 9 5 7 0北京化学试剂公司 2 1 3 制备过程 为了制备高性能的块体材料，试验采用热压烧结法，在烧结过程 中施加一定的压力( 1 0 4 0 m p a ) ，促使材料加速流动、重排与致密化， 提高样品的致密度，同时利用热能与机械能将陶瓷致密化。 图2 2 是工艺路线图，首先用精密电子天平按t i ：s i ：c ：a 1 = 3 ：l ： 2 ：o 2 的摩尔比例称取钛、硅、石墨和铝四种原料粉混合，然后在行 星球磨机中，以无水乙醇、玛瑙为球磨介质，按l ：o 7 ：2 的质量比 例混合装入陶瓷罐中，球磨1 2h ，然后把混合均匀的浆料取出放到烘 箱中以不高于6 0 度的温度熳慢烘干，将烘干后的混合粉料研碎，并 过1 0 0 目筛，然后将得到的混合粉料装入石墨模具，放入热压烧结炉 并施加8 1 0m p a 压强，将装入的粉料压实。以氩气作为烧结保护气 氛，按4 0 m i n 的升温速率将炉温升高到1 4 0 0 ，同时施加2 5m p a 压强，保持温度和压强1 小时，然后以大约1 0 m i n 的速率降温。由 北京交通大学硕士毕业论文 第2 章样品制备和性能 图2 2 工艺路线示意图 f i 9 2 2 d i a f a mf o rr o u t ew o 妇l a n s h i p 此得到预期的t i 3 s i c 2 块体【2 6 ，2 ”。在烧结过程中为避免样品与石墨模具 和垫片发生反应，造成粘模的现象，在模具及垫片上喷涂氮化硼粉末 作为脱模剂，并且在样品周围利用已喷涂氮化硼粉的石墨纸包裹，以 隔绝样品与模具的反应。 将所得到的块体材料进行物相和显微结构分析。用日本理学 d m a x2 2 0 0 p c 自动x 射线衍射仪分析试样的物相组成，用f f 本日立 一s 3 5 0 0 型扫描电子显微镜观察样品的显微结构的形貌。图2 3 出示了 t i 3 s i c 2 块体的x r d 图谱结果，从中可看出衍射谱上仅存在t i 3 s i c 2 相 北京交通大学硕士毕业论文第2 章样品制备和性能 1 2 0 0 渤 6 0 0 3 0 0 o 1 1 芦q ?1 ? 卜? ：j j 卜：赢： _ _ h 。j li i 1 l o 2 d3 0 4 0卯印7 08 d 2 靠妇( d e g ) 图2 3 t i 3 s i c 2 块体的x r d 图谱 f i 9 2 - 3 x r a yd i f 宜a c t i o np a t t e mo f t h eb u l kt i 3 s i c 2 图2 - 4 n 3 s i c 2 块体样品的显微结构照片 f j 9 2 4 s e mp h o t o 口a p he x h i b i t i n gt h em i s c r o s t m c t i l r eo f t h eb o l d t i 3 s i c 2 6 访净奇面c四uf 北京交通大学硕士毕业论文 第2 章样品制各和性能 对应的特征峰，没有其他的杂质相被发现，这说明获得了高纯度的 刖3 s i c 2 块体材料，没有t i c 杂质的存在。这个纯度达到了b a r s o u m 和 e 1 r a 曲y 【6 】用反应热压法在1 6 0 0 、4 0 m p a 下原位合成的致密多晶块 体t i 3 s i c 2 样品的纯度。这将为进步研究t i 3 s i c 2 的摩擦磨损行为提 供了条件。图2 4 是采用热压烧结法合成的t i 3 s i c 2 块体样品的显微结 构照片( s e m ) 。从s e m 中可以看出粒度大小约为5 口m 左右，材料致 密性好，结构呈层状，晶界间没有杂质存在。 2 2 性能测试 物理性能测试主要包括材料的相对密度、导电率，其中密度测量 用阿基米德法，导电率测量用a 百1 e n t4 3 3 8 bm m i o h 删m e t e r ，力学性 能测试主要包括抗弯强度、维氏硬度，按国家测试标准进行测试。 2 2 1 相对密度 致密度通常对陶瓷材料的摩擦磨损性能有重要的影响。通过计算 t i 3 s i c z 材料的相对密度来衡量材料的致密度。相对密度是材料的实测 密度与理论密度的比值。 t i 3 s i c 2 材料的理论密度为4 5 3 9 c m 3 ，制备样品材料的体积密度 由阿基米德法来精确测得，用精密电子天平来称取质量。计算公式为： p 女= w l ( w i w 2 + w 3 ) pm w l 一试样在空气中的重量； w 2 一试样和细丝在水中的重量 w 3 一辅助细丝的重量； 北京交通大学硕十毕业论文 第2 章样品制备和性能 pm 一所测温度的水的密度。 经计算可知制备试验用块体的相对密度都在9 6 以上，最高甚至 达到理论密度的9 9 8 。说明试样都有很好的致密性，试验过程中不 会因为致密度原因影响材料的摩擦磨损性能试验结果。 2 2 2 维氏显微硬度 硬度是固体材料抵抗表层局部塑性变形的性能，反应了材料弹塑 性变形特性，是一项重要的力学性能指标，也影响了材料的摩擦磨损 性能。材料的硬度决定了摩擦面上各微凸体的相互嵌入深度，因而影 响到摩擦力盼机械分量。硬度值还决定了实际接触面积和发生变形的 材料体积。测量确定材料的硬度值对研究摩擦磨损是必要的。材料的 硬度主要取决于压缩屈服极限。 所用仪器：h x 一5 0 0 维氏显微硬度计； 测试方法：压痕法； 试验原理：以规定的试验力，将两对面的夹角为1 3 6 。，底面为 正方形的金刚石正四棱锥压头以适当的压入速度缓慢且垂直地压入 待测定的表面，保持规定的时间1 5 s 后，卸除试验力，然后测其压痕 对角线长度，并将对角线的长度代入硬度计算公式： h v = f v = 2 fs j n 6 89 d 2 式中：f 一载荷； ( 1 _ 压痕对角线平均值； v 一压痕面积。 或根据对角线的长度查表( 维氏硬度值查g b4 3 4 2 的附录a 和附录b ) ， 最后获得维氏显微硬度值。如果压头同待测的表面接触的速度太大， 则获得的硬度值偏低。压头的速度在1 5 7 0 um s 为宜。 把t i 3 s i c 2 试样表面经抛光后在维氏硬度计上进行压痕试验，分别 北京交通大学硕士毕业论文 第2 章样品制备和性能 施加5 0 、1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 、4 0 0 、5 0 0 9 f ，加载时间1 5 s ，精确测量压痕 对角线的长度来计算材料的维氏硬度，每个力测量记录六次以上求平 均硬度值。图2 4 是纯度9 8 以上的t i 3 s i c 2 试样硬度随载荷变化曲线。 显示随载荷的增大，维氏显微硬度减小，趋近于4 g p a ，与b a r s d u m 等3 4 峙艮道的硬度基本相同。 l o a d s ( g o 图2 4 t i 3 s i c 2 维氏显徽硬度随载荷的变化 f i 啦一4 t h e 呔e r sc h 蜘g e ro f 3 s i c 2w i t h1 0 a d s t i 3 s i c 2 的硬度值与一般陶瓷硬度值有明显的差异【3 “，主要是因为 晶体结构中具有t i s i 弱结合键，而造成t i 3 s i c 2 的硬度值比一般陶瓷 偏低。且通过图2 5 压痕形貌可以看到，显微硬度测试试样的破坏区 域仅是压痕直径的1 o 1 。5 倍，并且沿着压痕的对