（材料科学与工程专业论文）反应烧结Tilt3gtSiClt2gt材料干摩擦磨损性能的研究.pdf

摘要 论文题目：反应烧结t i 3 s i c 2 材料的干摩擦磨损性能研究 学科专业- 材料科学与工程 作者姓名：张珊珊签名：立簋倒世 指导老师：吕振林教授签名：星亟丛 一 摘要 本论文采用m m w - 2 型微机控制环一盘式高温摩擦磨损试验机，研究了不同法向压 力、滑动速度和烧结温度等几个因素对反应烧结t i 3 s i c 2 材料与4 5 钢和铜摩擦副的干摩擦 磨损行为与机理的影响，试验中结合t i 3 s i c 2 材料组织分析、x 射线衍射分析、摩擦表面 面s e m 观察和e d s 能谱分析，讨论了t i 3 s i c 2 陶瓷材料在不同条件下的摩擦磨损机理， 比较了不同烧结温度下t i 3 s i c 2 材料的摩擦磨损性能的差别，为反应烧结t i 3 s i c 2 材料作为 摩擦副材料在不同工况下的应用和选材提供参考。 研究表明，随着法向压力和滑动速度的增加，摩擦热使t i 3 s i c 2 材料的摩擦表面有膜 样物生成，并逐渐增多，分析确定该膜样物主要为摩擦过程形成的氧化物。t i 3 s i c 2 的摩 擦系数与生成的氧化膜致密度有关，氧化膜越致密，其减摩作用越强，使摩擦系数减小。 不同压力下，室温和高温下的磨损率变化大不相同，随着压力增大，室温下的磨损率先增 大后减小，而高温下磨损率则陡增，是由于低温向高温转变时，磨损机理发生了变化。 t i 3 s i c 2 材料室温摩擦时的磨损以磨粒磨损为主，而高温时则以粘着磨损为主。 随着烧结温度的升高，t i 3 s i c 2 的摩擦系数一直减小，磨损率呈先减小后增大之势， 这是由于不同烧结温度下的t i 3 s i c 2 材料的相组成及其各相含量不同，其中的t i c 和c 等 杂质相影响了的t i 3 s i c 2 的摩擦磨损性能。高纯t i 3 s i c 2 材料与含6 0 t i c 的t i 3 s i c 2 材料 随压力变化的摩擦系数和磨损率数值差别较大，t i c 的硬度较大是造成这一差别的主要原 因。 t i 3 s i c 2 铜摩擦副的摩擦系数要普遍小于t i 3 s i c 2 钢摩擦副的，是由于纯铜的硬度比 4 5 钢低，且在温度升高时铜的氧化要比钢容易，这样在摩擦过程中，铜容易生成较连续 的氧化膜，使其摩擦系数减小。 在各种干摩擦状态下，t i 3 s i c 2 材料有着较小摩擦系数和很低的磨损率，表现出了良 好的摩擦学性能和优良的耐磨性。 关键词：t i 3 s i c 2 ；摩擦磨损；磨损机理 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：r e s e a r c ho nt h ed r yf r i c t i o na n dw e a rb e h a v i o r s o fr e a c t i o n - b o nd e dt i a s i c 2 m a j o r ：m a t e r i a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g a u t h o r ：s h a n s h a nz h a n g s u p e r v i s o r ：p r o f z h e n l i nl v a b s t r a c t s i g n a t u 怕：逝峨 s i g n a t u r e ：耽以九- t _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 t h ed r yf r i c t i o na n dw e a rb e h a v i o u r sa n dw e a l m e c h a n i s mo ft i 3 s i c 2h a v eb e e ns t u d i e di n t h i sp a p e rb ym m w - 2 r i n go nd i s ke n df a c et r i b o l o g i c a lt e s t e ru n d e rt h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n t n o r m a lp r e s s u r e ，s l i d i n gs p e e da n ds i n t e r i n gt e m p e r a t u r e s f u r t h e r m o r e ，c o m b i n i n gw i mt h e a n a l y s i so fm i c r o s t r u c t u r e s ，x - r a yd i f f r a c t i o n , w o r ns u r f a c e ss e mo b s e r v a t i o na n de d st h e f r i c t i o na n dw e a l b e h a v i o u r sa n dw e a rm e c h a n i s mo ft i 3 s i c 2i nd i f f e r e n tc o n d i t i o n sw e r e a n a l y z e da n dd i s c u s s e d ，a n dc o m p 绷e dt h ed i f f e r e n c eo ff r i c t i o na n dw e r rm e c h a n i s mo f t 1 3 s i c 2s i n t e r e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e , i no r d e rt op r o v i d ea ，r e f e r e n c ef o ra p p l i c a t i o no f r e a c t i o n - b o n d e dt i 3 s i c 2m a t e r i a l sa sf r i c t i o np a i r su s i n gi nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，n l er e s e a r c hi n d i c a t e dt h a ta l o n gw i t ht h en o r m a lp r e s s u r ea n d s l i d i n gs p e e d si n c r e a s e ，t h e f r i c t i o nh e a te n a b l e st h ef r i c t i o ns u r f a c eo ft i 3 s i c 2t of o r mas u r f a c ef i l m ，a n di n c r e a s e s g r a d u a l l y ，n l es u r f a c ef i l mw a sa n a l y z e da so x i d ed u r i n gf r i c t i o np r o c e s s t 1 1 ef r i c t i o n e o e 伍c i e n to ft i 3 s i c 2r e l a t e dt ot h es o u n d n e s so fo x i d ef i l m ，a n dt i l em o r es o u n d n e s so ft h e o x i d ef i l mi s ，t h es t r o n g e ra n t i - f r i c t i o ni s ，w h i c hc a u s e st h ef r i c t i o nt o e 伍c i e n tt or e d u c e u n d e r t h ed i f f e r e n tp r e s s u r e ，t h ew e a l r a t e so ft i 3 s i c 2w e r eu n l i k ea tr o o mt e m p e r a t u r ea n da th i g h t e m p e r a t u r e t h ew e a l r a t eo ft 1 3 s i c 2t e s t e da tr o o mt e m p e r a t u r ew a si n c r e a s e df i r s tw i t ht h e n o r m a lp r e s s u r e , a n dt h e nd e c r e a s e d b u ti tw o u l db ei n c r e a s e ds u d d e n l ya th i g ht e m p e r a t u r e t l l i si sb e c a u s et h a tt h ew e a l m e c h a n i s mh a db e e nc h a n g e dw h e nt h et e m p e r a t u r ew a sf r o m r o o mt oh i g ht e m p e r a t u r e 1 1 l ew e a rm e c h a n i s mo ft i 3 s i c 2a tr o o mt e m p e r a t u r ew a sd o m i n a t e d b ya b r a s i v ew e a rp r i m a r i l y , b u ta th i g ht e m p e r a t u r e ，i tw a sd o m i n a t e db ya d h e s i v ew e a r t h ef r i c t i o nc o e 伍c i e n to ft i 3 s i c 2w a sd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft e s tt e m p e r a t u r e ，b u t t h ew e a l r a t ew o u l db ed e c r e a s e df i r s ta n dt h e ni n c r e a s e d t i l i si sb e c a m eo ft h et 1 3 s i c 2w i t h d i f f e r e n tp h a s e sc o m p o s es i n t e r e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ，a n dw i 吐ld i f f e r e n ta m o u n to ft i 3 s i c 2 t h ei m p u r i t yp h a s e s ，s u c ha st i ca n dc ，w o u l da f f e c tt h ef r i c t i o na n dw e a rb e h a v i o r s a b s t r a c t o f t i 3 s i c 2 t h ed i f f e r e n c eo f f r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dw e a rr a t eb e t w e e np u r ea n di m p u r et i 3 s i c 2 w o u l db el a r g e rw i t ht h ei n c r e a s eo f n o r m a lp r e s s u r e t h i si sb e c a u s eo f h i g h e rh a r d n e s so f t i c t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft i 3 s i c 2 - c o p p e rm a t ew o u l db el o w e rt h a nt h a to ft i 3 s i c 2 s t e e l m a t eg e n e r a l l y t h i si sb e c a u s et h a tt h eh a r d n e s sc o p p e ri sl o w e rt h a nt h a to fs t e e l ，a n dc o p p e r i se a s i e ro x i d i z et h a ns t e e lw h e nt h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e t h u s ，t h em o r ec o n t i n u o u so x i d e f i l mw o u l db ee a s yf o r mo ns u r f a c eo fc o p p e rd u r i n gf r i c t i o n , w h i c hc a u s e st h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n tt or e d u c e t h et i 3 s i c 2m a t e r i a lh a ss m a l l e rf r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dv e r yl o w e rw e a rr a t eu n d e ra l l k i n d so f d r yf r i c t i o nc o n d i t i o n s ，a n ds h o w s b e t t e rt r i b o l o g yp r o p e r t i e sa n dw e a rr e s i s t a n c e k e yw o r d s ：t i 3 s i c 2 ，f r i c t i o na n dw e a r , w e a rm e c h a n i s m i r 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：盗避绁 年月 日 学位论文使用授权声明 本人猛趟坶在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索：2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：血幽丝争导师签名：星塑 年月 日 前言 1 前言 1 1 选题的背景及意义 陶瓷材料具有高硬度、高强度、高刚度、低密度和优异的化学稳定特性，以及高温下 优良的力学性能而广泛应用在空间技术、密封部件、发动机关键部件、高效高速切削工具 等领域，成为高温耐磨部件用材料的最佳选择之一。然而，陶瓷材料本身具有的较高摩擦 系数及难加工等缺点，限制了其应用。目前，有关陶瓷材料摩擦磨损性能的研究已成为材 料科学及摩擦学领域的热点 近些年来，以t i 3 s i c 2 陶瓷材料为代表的一类具有层状结构的三元碳化物受到了材料科 学工作者的广泛重视。它们既具有金属的性能，在常温下有很好的导热性能和导电性能， 有较低的显微硬度和较高的弹性模量和剪切模量，可以像金属那样可进行机械加工，甚至 可以用手动钢锯进行切割，而不需冷却和使用润滑剂，并在较高的温度下具有一定的塑性； 同时它又具有陶瓷的性能，有较高的屈服强度，高熔点，高热稳定性和良好的抗氧化性能。 它有着与石墨相似的层状结构，更有意义的是它甚至有优于传统的固体润滑剂石墨、二硫 化钼更低的摩擦系数和良好的自润滑性能。这种集结构和功能一体化、金属性能和陶瓷性 能一体化的t i 3 s i c 2 材料，作为高温结构材料、自润滑材料及电极电刷材料等具有广阔的 应用前景。因此，研究t i 3 s i c 2 陶瓷材料的干摩擦磨损性能对其在固体润滑、耐磨结构件 领域内的应用有着重要意义。 1 2 陶瓷材料的摩擦磨损特性 陶瓷材料与金属材料及高分子材料共同构成当今材料的三大门类。新型结构陶瓷材料 具有高硬度、高强度、低密度和高刚度，以及优异的化学稳定性和高温力学性能优良等特 点，故其在摩擦学领域得到了相当广泛的应用。但是陶瓷摩擦学材料也有缺点，突出问题 是摩擦系数和磨损率都比较高i l l 。因此，有关陶瓷材料摩擦磨损和润滑的研究日益受到 人们的重视，已经成为当前材料科学和摩擦学领域的前沿课题之一1 2 1 0 1 2 1 陶瓷金属摩擦副的干摩擦特性 陶瓷金属摩擦副在摩擦过程中，金属的表面化学活性及其本身的氧化活性对陶瓷的 摩擦磨损性能有明显影响3 1 ，摩擦过程中金属会向陶瓷表面上发生转移与扩散，陶瓷材 料也向金属表面上发生转移与扩散。同时由于摩擦产生的高温，使磨屑氧化并且在接触面 形成一层氧化膜。另外钢的硬度较低，造成接触面积增大，使粘着现象进一步加重而使摩 擦系数升高，磨损率增大。这就使陶瓷金属摩擦副在摩擦过程中的磨损机理多为陶瓷表 面粘附膜或粘着层形成的粘着机制，因表面断裂而使裂纹扩展剥落机制及由硬质颗粒引起 的磨粒磨损。共价键型陶瓷( 如s i 3 n 4 和s i c 及b 4 c ) 与钢对摩时的摩擦系数较低，而离子键 型陶瓷( 如a 1 2 0 3 和z r 0 2 ) 与钢对摩时的摩擦系数较高，但前者的抗磨性却比后者的差1 。 这主要是由于在摩擦界面形成表面膜的类型和特性不同所致。 西安理工大学硕士学位论文 孙兴伟 1 等人采用z r 0 2 c r l 2 钢在m m 2 0 0 试验机上进行摩擦试验并得出结论，在干摩 擦条件下，摩擦系数较大，在0 4 1 0 范围之间，磨损的主要机理为粘着机制和疲劳机制， 当负载增加时，摩擦系数下降。在摩擦过程中，z r 0 2 表面形成的粘附膜，可控制摩擦副的 磨损行为。 庄大明嵋1 等人通过对s i 3 n 4 基陶瓷和t i ( c n ) 基陶瓷与1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢的摩擦磨损试 验得出结论，s i 3 n 。基陶瓷与l c r l 8 n i 9 t i 不锈钢在摩擦过程中，其主要磨损机理是在摩擦表 面发生对偶件1 c r l 8 n i 9 t i 粘着层的动态粘着与剥落。由于摩擦温度的影响，s i 3 n 4 中的元素 s i 向粘着层扩散，同时在s i 3 n 4 摩擦表面下2 0 - - 3 0 m 深度范围内产生裂纹和断裂而导致s i 3 n , 基陶瓷的磨损。 1 2 2 陶瓷陶瓷摩擦副的干摩擦特性 与陶瓷金属配副相比，陶瓷陶瓷摩擦副的摩擦磨损机理有较大的不同。对陶瓷材料 而言，微区断裂是其磨损的主要原因。s i 3 n 心2 0 3 摩擦磨损时的磨损机理为沿晶块状剥离， 根据e v a n s m a r s h a l l 的横向断裂机理，a 1 2 0 3 的硬度和断裂韧性均比s i 3 n 4 的低，而s i 3 n 4 摩 擦表面的摩擦氧化反应在其摩擦表面形成了氧化物膜，这种氧化物膜对a 1 2 0 3 磨屑有较强 的吸附力，并形成a 1 2 0 3 磨屑吸附层。所以在摩擦磨损试验后期，s i 3 n 4 表面氧化形成了 a 1 2 0 3 粉末吸附层，因而能有效改善其摩擦学性能。在s i 3 n , s i c 对磨时，由于高硬度的s i c 对s i 3 n 4 ；表面产生切削和犁沟而表现出较高的摩擦系数，s i 3 n 4 材料的磨损也比较严重， 低断裂韧性的s i c 容易出现脆性剥离，磨损的体积损失比较大。s i 3 n 4 s i c 的摩擦氧化主要 是水解氧化，在对磨过程中，由于受摩擦热的影响，其磨屑完全被氧化生成s i 0 2 9 1 ，对摩 擦学性能有所改善。 深入的了解陶瓷材料的摩擦磨损机理，为优化陶瓷配副的应用提供了坚实的科学依 据，有利于进一步将结构陶瓷材料广泛的应用于工业多领域。 1 2 3 影响陶瓷摩擦特性的因素 陶瓷材料的种类很多，其摩擦学行为也各不相同，加之研究方法和试验条件的不同， 因而目前有关陶瓷材料摩擦学的研究报道依然众说纷纭。影响陶瓷材料摩擦学特性包含外 因和内因两方面，许多学者从这两方面入手，分析探讨了陶瓷材料的摩擦磨损行为机制及 其发展方向。 a 影响陶瓷材料摩擦磨损的外部因素 影响陶瓷材料摩擦磨损的外部因素主要有载荷、速度、温度及润滑状况等，为了在工 程实际中正确选择、设计和使用陶瓷材料，必须了解其在不同载荷、速度和温度条件下的 摩擦磨损行为以及失效机制。目前，大量的研究都集中在用磨损图来描述这几种因素对陶 瓷材料在不同使用条件下的摩擦学行为与机制9 1 0 - 1 7 1 。 ( 1 ) 载荷和速度的影响 载荷是通过接触面积的大小和变形状态来影响摩擦力。速度变化引起的摩擦热是影响 2 前言 材料摩擦磨损性能的一大原因，它们都是影响材料摩擦磨损的主要外因。一般情况下，对 摩擦系数和磨损率有着显著的影响作用。 葛毅成，易茂中扣研究了载荷对c c 复合材料摩擦磨损性能的影响。试验在2 0 0r r a i n 、 摩擦时间1 h 、室温及2 0 0 c 条件下进行，在不同载荷下c c 销与w 1 8 c r 4 v 钢盘进行摩擦， 由试验结果可知，室温时，除4 0 n 外，试样摩擦系数、质量磨损均随载荷增加而增加。而 2 0 0 时试样的摩擦系数、质量磨损大于相同载荷下室温时的试样，且变化规律更明显， 这与水分挥发后，试样中石墨微晶层片滑动能力降低有关。随转速增加，试样的摩擦系数 和质量磨损均增加，随转速增加，单位时间的行程增加，试样表面所受的犁削磨损程度提 高，使磨损严重。 a 1 2 0 3 陶瓷在2 0 0 8 0 0 c 之间摩擦时，摩擦学特性取决于载荷：当载荷低于临界值时， 发生塑性变形和犁沟，摩擦系数为0 6 0 ，磨损率在1 0 6 量级；而当载荷高于临界值时，发生 晶间断裂，摩擦系数为0 8 5 ，磨损率高达1 0 4 量级9 枷。对a 1 2 0 3 陶瓷进行研究表明，其 在干摩擦条件下的磨损行为与载荷及速度的关系可以概括为极轻微磨损、轻微磨损和严重 磨损3 个区，相应的磨损机制分别为塑性变形、塑性变形与晶粒拔出和晶间断裂i l l - 1 6 。 文献n 们研究了z r 0 2 陶瓷的磨损行为与载荷和速度的关系。对y - t z p 陶瓷( 四方氧化 锆陶瓷) 材料在干摩擦条件下的研究表明，其磨损机制有塑性变形、脆性断裂和热致断裂。 当滑行速度大于热致断裂的速度临界值时，y - t z p 陶瓷材料将发生热致断裂。 ( 2 ) 温度的影响 陶瓷作为高温结构材料的摩擦学性能已有大量的研究报道。但因各种陶瓷的化学稳定 性、热性能及相结构不同，故其受温度的影响也不尽相同。概括地说有这样几种机理：热 致相变、热致化学反应、热致力学性能变化1 2 1 1 。 周松青，肖汉宁陇1 研究了s i c 及其复相陶瓷从室温到1 2 0 0 的高温摩擦学性能。随 着温度的升高s i c s i c 的高温摩擦系数变化不大，比磨损率呈现出不变、增加和减小三种 模式；s i c - t i c 和s i c - w c 自对偶的高温摩擦系数和比磨损率很小，摩擦系数从4 0 0 开 始减小；在高温磨损中，自对偶的磨损机理由轻微的粘着磨损控制，呈现出高温自润滑特 性。是由于在6 0 0 时氧化物主要为无定形的s i 0 2 ，在摩擦表面形成一层由微米或亚微米 级氧化物颗粒组成的薄膜，该薄膜层具有润滑作用；在氧化物薄膜层和摩擦表面存在一定 程度的晶格畸变，增加了薄膜层的塑性变形能力，减小了摩擦应力。 温度的升高会引起陶瓷材料摩擦表面发生相变，如z r 0 2 陶瓷，它的摩擦磨损行为与 摩擦表面热引发其相变有关，这种相变是表面温度的函数，而摩擦表面温度又受环境温度、 滑行速度的影响。在不同条件下可能会诱发t m 相变或t c 相变，这两种相变的影响 又不相同。 温度的升高会引起陶瓷材料摩擦表面发生化学变化，通常会生成表面膜。在摩擦过程 中，摩擦温升和滑行速度的变化可能导致陶瓷表面发生化学反应，从而影响其摩擦学性能。 研究19 捌表明温度低于2 0 0 c 时，a 1 2 0 3 陶瓷可与其表面的吸附水发生反应生成氢氧化 3 西安理工大学硕士学位论文 铝表面膜：温度高于8 0 0 。c 时，由于晶界相s i 0 2 发生扩散和摩擦过程中的挤压作用，会 在a 1 2 0 3 的表面形成一层氧化硅膜。这两种表面膜都比较软，可以减轻表面压应力，能 够起减摩抗磨作用。摩擦系数和磨损率都分别为0 4 0 和l o 击量级。 s i 3 n 4 陶瓷材料在一定的温度条件下摩擦表面会发生特定的化学反应，并影响其摩擦 磨损行为2 五枷。随着温度的升高，s i 3 n 4 陶瓷摩擦表面会生成不同物质，它或与吸附的水 反应生成平滑的氢氧化硅膜，或其表面表面生成氧化钨膜，或晶间相与表面活性硅反应生 成化合物，或被氧化生成易去除的s i 0 2 ，其摩擦系数随温度的升高而升高，磨损率也由 l o q 量级增至1 0 - 2 量级。 任靖日，李花等人旺钉利用球盘摩擦副滑动试验机，从常温到1 0 0 0 之间的5 个阶 段温度范围内考察了氮化硅的摩擦磨损特性及磨损机理，利用扫面电子显微镜观察和分析 了氮化硅表面所形成的氧化层，结果表明：摩擦系数随载荷增加而减少，但主要受温度的 影响；在常温下，磨损率随滑动距离的增加而下降，在载荷为2 9 4 n 下，温度从常温增加 到1 0 0 0 c 时磨损率增加了2 9 2 倍；常温7 5 0 之间磨损机理主要表现为脆性破坏 7 5 0 1 0 0 0 之间随温度的上升磨损主要受表面氧化的影响。 温度的升高也会引起陶瓷材料的力学性能的变化，d e l l a c o r t e 旺酗的研究证明由于s i c 纤维的断裂强度和基材对纤维的紧固力随温度变化所表现出的不一致性，导致s i c 纤维 在不同温度下处于不同的应力状态。因此，a 1 2 0 3 s i c 复合陶瓷在不同的温度范围内表现 出不同的失效机n - 当温度低于临界值时，其主要失效形式为纤维断裂，而当温度高于临 界值时，其失效机制为纤维拔出。 ( 3 ) 其它外部因素的影响 影响摩擦磨损的外因除上述几个因素外，还有摩擦副的选择、润滑状况等其它因素也 会对陶瓷材料的摩擦磨损性能造成一定影响。 赵兴中，刘家浚等酡刀采用销一盘试验机，模似陶瓷刀具实际切削加工时使用状况， 考察了s i 3 w 不锈钢摩擦副的摩擦学性能，作为比较，对s i 3 n 4 4 5 钢摩擦副的摩擦磨损性 能也进行了考察。研究表明，相同试验条件下，s i 3 w 不锈钢中s i 3 n 4 陶瓷的磨损率比 s i 3 n 4 4 5 钢摩擦副中s i 3 n 4 的磨损率约大2 个数量级。不同的润滑剂对s i 3 n 4 4 5 钢摩擦副 的摩擦磨损性能具有明显影响。这主要是由于该摩擦副中4 5 钢的化学活性较高，使得润 滑剂中的活性化合物分子容易在其表面上形成强度较高的吸附膜，或形成摩擦化学反应 膜，从而改善边界润滑性能，减小摩擦，降低磨损。而s i 3 n 4 不锈钢摩擦副中，s i 3 n 4 和 不锈钢表面的化学活性均较弱，润滑剂的活性化合物分子不易在其摩擦面上形成强吸附膜 或化学反应膜，所以该摩擦副摩擦磨损性能受润滑剂成分的影响不明显。两种摩擦副摩擦 学性能的差别主要由4 5 钢和1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢之间性能差别引起。不锈钢硬度低，粘着 倾向大，而且其变形阻力和韧性也大，由此引起了s i 3 n 4 的高磨损。 同样赵兴中，刘家浚等四1 等人也在销一盘试验机上考察了水、油和一种常用切削液 g m y 对s i 3 n 4 钢摩擦副摩擦磨损性能的影响，对s i 3 n 4 钢摩擦副，s i 3 n 4 的磨损主要由粘 4 前言 着和微断裂作用引起。润滑剂对摩擦系数和磨损率具有明显影响，不同润滑剂的作用也具 有很大差别。水的边界润滑效果较差，对摩擦和磨损性能的改善不明显。水润滑条件下， s i 3 n 4 磨痕上有s i 0 2 ，f e s i 0 3 摩擦化学反应产物生成，能起到一定的减磨作用( 与干摩擦相 比) 。油润滑时摩擦系数和磨损率均较低，但随载荷增加，边界润滑膜润滑性变差，摩擦 系数和磨损也逐渐增大。g m y 切削液中含有多种极性化合物分子，能在摩擦面上形成较 强的吸附层，在苛刻的摩擦条件下，活性分子还能与表面发生摩擦化学反应，生成无机化 合物膜，所以g m y 切削液具有较好的边界润滑性能。g m y 溶液浓度增大时，极性分子 形成的吸附膜会愈加致密，强度增大；而且浓度增大，与表面发生摩擦化学反应的速率增 大，综合作用的结果是，摩擦系数、磨损率随g m y 溶液浓度的增大而减小。 b 影响陶瓷材料摩擦磨损特性的内部因素： ( 1 ) 力学性能的影响 陶瓷材料所固有的脆性是导致其磨损的主要原因t 2 9 1 主要是由于陶瓷材料的硬度、 断裂韧性和弹性模量等力学性能会在很大程度上影响它的磨损特性，李金有，汪玉松等人 3 们研究了常压烧结制备 a 1 2 0 3 y t z p 复相陶瓷中a 1 2 0 3 含量对材料力学性能及耐磨性 的影响，研究表明由于分布于y t z p 的a 1 2 0 3 粒径小于或等于2 岬，远小于需高温烧成 的a 1 2 0 3 陶瓷，仍保持了y - t z p 陶瓷致密细晶结构及相变增韧的特色，适量a 1 2 0 3 粒子的加 入有强化增韧的效果，所以a 1 2 0 3 y - t z p 复相陶瓷的力学性能和耐磨性并未因舢2 0 3 含量 的增加而变差，与y - t z p 陶瓷基本持平或有所提高，本实验中，3 5 a 1 2 0 3 y - t z p 获得相 对高的韧性( k i c = 1 2 5 1 m p a m 忱) 和好的耐磨性( 磨损率为9 2x 1 0 石m m 3 ( m - n ) ) 。 ( 2 ) 显微结构的影响 除了力学性能，陶瓷的显微结构也对其磨损性能有着重要影响。陶瓷的显微结构主要 包括晶粒的形状尺寸、晶间、气孔及相组成等因素，它们都会不同程度的影响陶瓷材料的 摩擦磨损性能。 一般而言，细晶陶瓷有着较高的耐磨性，由于细晶陶瓷可以形成比较稳定的光滑表面 膜，使摩擦系数较小。而粗晶陶瓷因为发生晶间断裂，表面比较粗糙，所以摩擦系数较大。 有研究表明b 陶瓷的抗磨性能与晶粒尺寸之间存在h a l l p e t c h 关系： 1 ， w 叫芘d 叫心 ( 1 1 ) 式中：w 为磨损量；d 为晶粒尺寸。随着研究的发展，磨损量与晶粒尺寸间的这种关系也 有所变化，如文献3 2 1 表明在销一盘摩擦磨损试验机上t i 3s i c 2 与4 0 0 c 钢对摩时摩擦因数与 晶粒尺寸无关，随载荷与湿度的变化而变化，陶瓷的耐磨性随晶粒尺寸的增大而提高。 w a n g 等3 3 1 研究表明：晶粒尺寸的不同改变了氧化铝陶瓷磨损突变载荷，小晶粒尺寸的 氧化铝陶瓷比粗晶粒的有着更高的抗磨损突变能力。发生磨损突变前，细晶的磨率远低于 粗晶陶瓷的，但突变后两种陶瓷的磨损率水平相当。突变前的磨损机理主要是塑性变形， 而微裂纹控制着突变后的磨损。 5 西安理工大学硕士学位论文 对氧化锆陶瓷晶间相的研究表明1 3 4 1 在较低载荷下，z r 0 2 陶瓷发生磨损的主要机制 是微切削，因而晶界杂质对其磨损性能并无影响。在高载荷条件下，由于晶界杂质发生龟 裂阻止了粗大裂纹扩展而可防止陶瓷失效。由于第二相可以调节晶粒的各向异性，降低晶 界处残余应力，所以适当添) j 日s i 0 2 、m g o 和c a o 等晶间相可以防止晶粒拔出，改善其耐磨 性。 在摩擦过程中，因外力作用气孔周围产生较大的应力集中而容易导致裂纹的产生与 扩展，从而使陶瓷材料产生剥落磨损。梁小平，陆青等3 卯用环一块摩擦磨损试验机在室 温下研究了不同气孔率的氧化铝增强氧化锆陶瓷( a d z ) 与高铬铸铁( 1 4 c c i ) 摩擦副的摩擦 磨损性能。结果表明，在润滑介质为5 n a o h 溶液和含质量分数2 s 1 0 2 颗粒的5 n a o h 溶液条件下，陶瓷的摩擦因数不受气孔率的影响，陶瓷的磨损率随气孔率的增大而增加。 磨损过程中，可能存在临界孔洞尺寸，小于临界孔洞尺寸的微孔几乎不影响陶瓷材料的磨 损。由于磨损的反复进行，在摩擦表面上形成空孔并扩大生长为裂纹，裂纹从摩擦面下一 定深度起始，继而导致其上部表层的脱落，造成陶瓷材料的磨损，陶瓷材料体内的连通、 不连通气孔在磨损过程中必然以空孔的形式显露出来，从而更利于层离磨损的发生。因此， 开气孔和闭气孔的存在对陶瓷材料的耐磨性都有负面影响。 d i v a k e r 3 们制取了具有不连续圆形气孔的s i c 陶瓷，其孔径和孔隙度分别为5 0 - 7 0l u n 和3 巧，它作为密封材料不仅具有优良的抗腐蚀性能和良好的承载能力，而且还具有 摩擦系数小和磨损率低等优点，这是由于气孔中可以保存水和油等流体，在s i c 陶瓷表面 会形成一层流体润滑膜。 1 2 4 固体润滑技术在陶瓷自润滑材料研究中的应用 陶瓷的固体润滑技术3 7 1 可分为粉末润滑、转移膜润滑和表面涂层等，其中表面涂层 固体润滑技术应用最为广泛。其包括擦涂、溅射、气相沉积( 物理气相沉积p v d 和化学 气相沉积c v d ) 、离子束混合i b m ，离子束辅助沉积i b a d 和激光表面处理等方法。 粉末润滑是将固体润滑剂粉末直接加入到摩擦表面的一种技术，此技术具有简便易行 的优点，然而也具有难于在陶瓷表面形成牢固结合固体润滑膜以及需要不断补充润滑剂的 缺点。转移膜润滑技术的突出优点体现在可以连续的为摩擦界面提供润滑剂，并长时间保 持低摩擦特性，但也不可避免其润滑剂由附加设备所提供，增大工程应用的困难和经费投 入的缺点。g a n g o p a d h y d y 乃舳等人采用n i c l 2 包覆石墨作为转移润滑剂，由于在陶瓷表面 形成了石墨转移膜，可以使a 1 2 0 3 和s i 3 n 4 陶瓷的摩擦系数分别由0 4 8 和0 4 5 降至o 2 0 和 o 1 7 。表面涂层技术较好的实现了陶瓷材料在高温条件下保持较低摩擦系数的目的。但由 于陶瓷材料的绝缘性，难于形成辉光放电和保持等离子体场，且容易发生荷电效应，致使 固体润滑膜与陶瓷的结合强度不高。离子束混合( i b m ) 技术是以载能离子束( 能量为几 百k e v 至m e v ) 对膜层原子进行直接轰击，造成膜层与陶瓷之间的混合，膜一基界面被拓 宽，结合强度明显增大，且轰击引起的界面化学反应还可以使膜一基结合强度进一步提高。 离子束辅助沉积( m a d ) 技术可有效地克服i b m 技术的缺点。当沉积涂层时，陶瓷表面 6 前言 非常清洁，新鲜表面的脚瓷原子可以与膜层原子形成一定的化学键合，从而使膜一基界面 结合强度明显提高。 陶瓷材料摩擦学特性受诸多因素的影响( 摩擦副的匹配、环境因素、服役条件等) 且各因素日j 又相互影响制约因而增大了研究难度。自润滑陶瓷及其复合材料的研究尚处 于起步阶段，且不同研究者的研究成果间缺乏可比性。而且固体润滑组元与陶瓷组元间的 界而特性对自润滑效应的影响作用的研究较少。此外目前研究与开发的润滑剂、陶瓷自 润滑材料多适用于1 0 0 0 * c 以下，为解决1 0 0 0 c 以上高温条件下陶瓷材料的润滑问题，采用 协同润滑技术是有效的选径。 1 3t i 3 s i c 2 陶瓷材料 1 3 1t i 3 s i c 2 的结构 由丁e i t s 吐血。和n o w o 乜1 y 3 9 最早成功的制各了t i 3 s i c 2 材料，并且测定了t i 3 s i c 2 的晶体 结构，得出：t i 3 s i c 2 晶体结构属六方晶系，空间群为p 6 9 m m e ，晶格参数蔓j a - 30 6 6 5 a 、 c _ 1 76 7 a 。t i 3 s i c 2 的晶体结构如图1 1 所示： 通过共棱的方式连接在一起的t i 6 c 八面体被由s i 原子形成的s i 原子层分隔开来，形 成了层状结构。c 原子位于t i 6 c ) l 面体的中心，每个晶胞含有两个t i 3 s i c 2 分子。 从表l 一1 帅可知，t ji 、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 为共价键结合，即结合键力较强，赋予材料高熔点、高模量、高强度、高硬度 等性能。t i l l 原子与s 1 原子之问的距离稍微大于t i 的金属键半径和s i 的共价键半径之和； 而s t 原子之问、s i 原子与c 原子之问的距离都远大于形成强键结合的键长数值。s 1 原子 与t i c - t i c t i 链的键强是较弱的，由此形成了t i 3 s i q 的层状结构和自润滑性。上述研 究结果表明：在t b s i c 2 的结构中t i 与c 之间为典型的强共价键结合，而s i 原子层内 西安理工大学硕士学位论文 部及s i 原子与面之间为弱键结合，这种层间弱结合特征类似于层状结构的石墨。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。 表1 - 1t i 3 s i c 2 结构中键长，键角参数 t a b l e 1 - 1t h eb o n dl e n g t h b o n da n g l eo f t i 3 s i c 2 1 3 2t i 3 s i c 2 陶瓷的制备研究现状 国内外许多学者分别采用了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 材料， 迄今为止，t i 3 s i c 2 材料的合成制备方法主要有以下几种：化学气相沉积( c v d ) 法1 4 1 , 4 2 、 热压( 肿) 烧结法4 3 舶1 ，自蔓延高温合成( s h s ) 法t 4 9 液固反应合成法t s 0 l 热等静 压( h 口) 烧结法1 5 1 放电等离子( s p s ) 烧结法院5 3 1 等。 尽管制备t i 3 s i c 2 材料的方法有许多种。但无论那种制备方法，最终的物相中都含有 硅化物或碳化物等杂质。从目前的研究现状来看，如果想获得纯净致密的块体t i 3 s i c ：材 料，解决杂质相存在的问题，则必须在制备工艺方面获得突破性进展。 1 3 3t i a s i c 2 陶瓷的摩擦学特性研究现状 m y h r a 嘲1 等利用l f m 测得t i 3 s i c 2 的动摩擦系数) b 2 - 5 x 1 0 3 ，在压力0 1 5 - 0 9 n 时，还 测得与喷丸处理过的不锈钢之间的摩擦系数为0 1 2 。 e 1 r a g h y j ：1 b a r s o u m 3 2 1 等利用销盘式摩擦实验，在压力为5 0 n 、速度为0 1 m s 、滑行 距离为4 6 3 m 的条件下分别研究了粗、细颗粒的n 3 s i c 2 的摩擦磨损行为，结果表明，t i 3 s i c 2 的平均摩擦系数保持在0 8 3 左右，粗、细颗粒t i 3 s i c 2 的磨损率分别为1 3 4 x 1 0 0 m i l l 3 n m 和 4 2 5 x 1 0 3 m m 3 n m 。 z h o u 巧 等在压力为7 7 n 一1 4 7 n ，速度为7 m 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0 4 - 0 5 之间，磨损率为9 9 x 1 0 3 m m 3 n m 。 王轶凡、翟洪祥踊1 等利用盘块式高速摩擦试验机上，滑动速度为2 m s ，法向载荷为 0 2 0 8 m p a 的条件下，对t i 3 s i c 2 与低碳钢的滑动摩擦磨损行为进行了研究，结果为：( 1 ) 摩擦系数随法向载荷的增大趋于减小；( 2 ) 高纯度t i 3 s i c 2 的摩擦系数显著小于含t i 的 8 前言 t i 3 s i c 2 ；( 3 ) t i 3 s i c 2 摩擦表面存在摩擦生成的薄膜，该薄膜具有显著的自润滑作用。 王志刚，朱德贵5 7 1 研究了由热等静压原位合成的t i 3 s i c 2 s i c 复相陶瓷与4 5 撑钢在干摩 擦和边界油润滑条件下的摩擦磨损特性。结果表明，干摩擦条件下随载荷的变化，占主导 地位的磨损机制将发生变化，在低载荷下以磨粒磨损为主，高载荷下以粘着磨损为主， t i 3 s i c 2 s i c 复相陶瓷的磨损主要由粘着和微断裂引起的。 管明林，翟洪祥5 舳研究了高纯度多晶块体t i 3 s i c 2 高速摩擦特性及摩擦氧化行为。实 验在盘一块式高速摩擦试验机上进行，以低碳钢为对摩体，温度2 5 ，相对湿度2 3 0 0 , 2 5 ， 滑动速度2 0 5 0 m s ，法向压强0 1 0 8 m p a 。结果表明，t i 3 s i c 2 与低合金钢配副的摩擦系数 随滑动速度的提高而减小，在给定的滑动速度下则随法向载荷的增加而先增加后减小，在 4 0 - - - 5 0 m s 的滑动速度和0 8 m p a 的法向载荷下达到最小值0 1 7 。摩擦系数的减小归因为 t i