（材料学专业论文）zno掺杂mgpsz的微观结构及其摩擦学性能研究.pdf

摘要 本文以m g o z r 0 2 为1 0 9 0 ( m 0 1 ) 为基材，添加不同含量的z n o ，在1 5 8 0 0 c 烧 结，并对部分样品进行热处理，制得( z n ，m g ) z r 0 2 陶瓷。用s e m 、x r d 等方法 研究其微观结构及相组成。比较了不同z n o 含量对材料微观结构和力学性能的影 响。本文还研究了线材拉制环境下不同p s z 体系的摩擦学性能，分析了不同摩擦 介质、转速、载荷对其摩擦学性能的影响规律和作用机理。 实验结果表明，z n o 可以与z r 0 2 生成固溶化合物，引起晶格畸变，从而促进 烧结，降低烧结温度，形成具有较小晶粒和更加致密的烧结体。另外，含有z n o 的样品在烧成冷却过程中会形成大量的四方相，并能稳定至室温，突破了传统 m g p s z 必须经长时间热处理才能析出较多四方相的限制，简化了生产工艺，降 低了成本。 z n o 的含量对m g p s z 中析出体的形貌具有调控作用，随着z n o 加入量的 增加，晶粒内析出体粒径增大，其形状也由球形逐渐转变为具有特定晶向的各向 异性，这对于进一步控制和开发陶瓷性能提供了很好的依据。 当z n o 含量为0 4 m 0 1 时，p s z 具有较高的抗弯强度，数值达到7 0 3 5 4 7 3 m p a ，但由于其中四方相形成机理的不同，其韧性比m g p s z 低很多，只能达 到7 8 + 0 8 m p a m 2 。因此实际应用中，只能用于对于韧性要求不是很高的环境。 通过研究线材拉制环境下，0 4 z n o 1 0 m g o z r 0 2 ，1 0 m g o z r 0 2 ，y t z p 三 种材料与6 5 m n 钢丝进行摩擦的情况，说明氧化锆基陶瓷材料在此条件下具有较 好的摩擦磨损性能，在摩擦介质，转速，载荷等因素不断变化的情况下，磨损率 均能在1 0 小时后达到平稳，数量级在1 0 击1 0 。7 范围，其中y t z p 具有各种条件 下最佳的摩擦磨损性能。由于水与氧化锆基陶瓷问会发生复杂反应，在水为摩擦 介质条件下其磨损性能发生恶化，尤其是m g p s z 材料在水介质摩擦时中会发生 磨损突变。通过实验还发现以下规律：转速的提高可以降低陶瓷的磨损率；载荷 的增加使陶瓷材料的磨损率增加，但不会有数量级的变化。这些都为氧化锆基陶 瓷材料作为线材拉制中的拉丝模提供了参考依据。 关键词：p s z 微观结构力学性能摩擦磨损摩擦介质 a b s t r a c t p s zc e r a m i c sb a s e do nm g p s zw i t ham o l a rr a t eo f1 0 ：9 0o fm g o ：z r 0 2w e r e p r e p a r e db ya d d i n gd i f f e r e n tc o n t e n to fz n o m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r em e a s u r e d b yt h r e ep o i n tf l e x u r a lt e s ta n dh a r d n e s st e s t t r i b o l o g yp r o p e r t i e sw e r ea l s oe x a m i n e d u n d e ras i m u l a t e dc i r c u m s t a n c eo fw i r ed r a w i n g t h em i c r o s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s a n dp h a s e sc o n s t i t u t ew e r ei d e n t i f i e db ys e ma n dx r d t h ee f f e c t so fd i f f e r e n t c o n t e n to fz n oo nm i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r ei n v e s t i g a t e d t h e t r i b o l o g yp r o p e r t i e so fd i f f e r e n tp s zs y s t e m su n d e rd i f f e r e n tf r i c t i o n a lt i n g s ，r o t a t i o n r a t e ，a n dn o r m a ll o a dw e r ea l s oa n a l y z e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tan e wc o m p o u n dw e r ef o r m e db yt h er e a c t i o n o fz n oa n dz r 0 2a n di n d u c e dt h ea b e r r a t i o no fc r y s t a ll a t t i c e ，w h i c hl e a dt oal o w s i n t e r i n gt e m p e r a t u r ea n ds m a l lg r a i ns i z e c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm g p s z ，a a m o u n to ft - z r 0 2p h a s ep r e c i p i t a t e dd i r e c t l yf r o mt h e ( z n ，m g ) 一z r 0 2m a t r i xd u r i n g t h ec o o l i n gp r o c e s sw i t h o u tal o n g t i m eh e a t a n n e a l i n g i ts i m p l i f i e dt h ep r o d u c i n g p r o c e s sa n d d e c r e a s e dt h ec o s t t h ez n oc o n t e n th a da ne f f e c to nt h es h a p eo ft - z r 0 2p r e c i p i t a t e s a st h e i n c r e a s i n go ft h ez n oc o n t e n t ，t h es i z eo ft h eg r a i nb e c a m eb i g g e r ，a n di t ss h a p e c h a n g e df r o ms p h e r et om u l t i s i d e so n ew h i c hw a sa n i s o t r o p i s m t h em e c h a n i s m p r o v i d e de v i d e n c ef o r t h ec o n t r o l l i n ga n de x p l o i t a t i o no ft h ep r o p e r t i e so ft h e c e r a m i c s a m o n gt h es a m p l e sd o p e dw i t h z i n co x i d e ，t h ea v e r a g eb e n d i n gs t r e n g t ho f s a m p l e sw i t h0 4 m 0 1 z n or e a c h e dt o7 0 3 5 + 4 7 3 m p a b u tf o rt h ed i f f e r e n tf o r m i n g m e c h a n i s mo ft - z r 0 2 ，i ts h o w e dal o w e rt o u g h n e s st h a nt h a to fm g p s z ，w h i c hw a s 7 8 m p a m 2 c o n s i d e r i n gt h el o w e rt o u g h n e s s m g p s zc e r a m i c sd o p e dw i t hz n o c a no n l yb eu s e di ns u c ha ne n v i r o n m e n tt h a td o e sn o tr e q u i r ea h i g ht o u g h n e s s t h ef r i c t i o nb e h a v i o u rb e t w e e ns t e e lw i r eo f6 5 m na n dd i f f e r e n tz i r c o n i ab a s e d c e r a m i cr i n g s ，s u c ha s0 4 z n o - 1 0 m g o - z r 0 2 ，l o m g o z r 0 2a n dy t z p ，i sd o n e r e s p e c t i v e l yu n d e ras i m u l a t e dc i r c u m s t a n c eo fw i r ed r a w i n g i ts h o w e dt h a tz i r c o n i a b a s e dc e r a m i c sh a dg o o dp r o p e r t i e so ft r i b o l o g yt h a tw e a rr a t ec a m et oas t a b i l i z a t i o n a f t e r10 hw i t hav a l u eb e t w e e n1 矿。10 - 7 a n dy - t z pi st h eb e s to n e b e c a u s eo ft h e c o m p l i c a t e dr e a c t i o n sb e t w e e nw a t e ra n dz i r c o n i ab a s e dc e r a m i c s ，w e a rr a t ev a l u ei s s m a l l e ri n 也eo i lm a l li nt h ew a t e r a n dm g p s zh a dab r e a ko fw e a rr a t e w h e n s l i d i l l 2i nt h ew a t e r t h r o u g ht h er e s e a r c h ，w ea l s of o u n dt h ef o l l o w i n gr u l e s ：t h e i n c r e a s i n g0 fr o 诅t i o n a lm t ed e c r e a s e dt h ew e a l r a t eo fc e r a m i c s ；t h eb i g g e r o tt h e n o n n a ll o a d , t h eh i g h e ro ft h ew e a rr a t e t h e yc a i la l ! p r o v i d er e f e r e n c ew h e nt h e c a 俩c sw i t hz i r c o n i am a t r i xa r eu s e da sm o d u l eo f w i r ed r a w i n g t h er e s u l t sc a nb e u s e dt o g u i d e t h e a p p l i c a t i o n o fz i r c o n i ab a s e d c e r a m i cp a r t s1 1 1d i f f e r e n t e n v i r o n m e n t s k e yw o r d s ：p s z ，m i c r o s t r u c t u r e ，f r i c t i o n ，w e a rr a t e ，f r i c t i o n a lr i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞叁鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：巩霞签字日期：b d 飞年6 月l 牛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：王风霞 签字日期：2 0 。7 年月i c 日= 黧牛日签字目期：2 0 夺7 年6 月中日 前言 月i j吾 结构陶瓷主要是指在先进陶瓷中发挥其力、热、化学等效能的一大类材料， 由于它们具有耐高温、耐磨损、耐冲刷等一系列优异性能，可以承受金属材料和 有机高分子材料难以承受的苛刻工作环境，如用作拉丝模、轴承、密封件和替代 人骨以及发动机活塞顶、气门机构中的凸轮、玻璃纤维和磁带的切刀等，是先进 陶瓷的重要生长点之一。但陶瓷材料所固有的脆性限制了它的规模开发和广泛应 用。 氧化锆陶瓷的出现成为解决陶瓷材料的固有脆性的关键。氧化锆陶瓷属于 新型陶瓷，具有十分优异的物理和化学性能，在工程应用上显示出了比现代金属 更优异的性能。其中部分稳定的氧化锆( p s z ) 陶瓷强度高、脆性低、断裂韧性高， 被认为是发动机上最有前途的陶瓷材料。目前，美国康明斯公司已有该种产品问 世，日本也有许多用氧化锆陶瓷制造的发动机部件。它主要利用氧化锆相变特性 来提高陶瓷材料的断裂韧性和抗弯强度，使其具有优良的力学性能、低的导热系 数和良好的抗热震性。它还可以用来显著提高脆性材料的韧性和强度，是复合材 料和复合陶瓷中重要的增韧剂。近十年来，具有各种性能的公认陶瓷和以氧化锆 为相变增韧物质的复合陶瓷迅速发展，在工业和科学技术的许多领域获得了日益 广泛的应用。与此同时，有关氧化锆相变的研究也受到了学术界的普遍重视，在 固态相变研究领域中占据了仅次于金属的重要地位。 m g p s z 是至今为止研究相对较成熟的二元氧化锆类结构陶瓷，它虽然具 有氧化锆陶瓷材料的普遍优点，但它还有粗晶结构、难以达到致密烧结和制造工 艺复杂的缺点。本课题将仿照合金化原理从复合掺杂的观点出发，研究论文主题 所涉及的第三元掺杂对m g p s z 陶瓷材料性能的改善作用。另外本课题还将对 p s z 材料作为拉丝模的摩擦磨损性能进行探讨，为其工业应用提供参考。 第一章文献综述 1 1z r 0 2 陶瓷材料概述 第一章文献综述 1 1 1z r 0 2 材料的相组成和马氏体相变 z r 0 2 存在三种稳定的同素异形体l l 】，单斜相( m z r 0 2 ) 、四方相( t - z r 0 2 ) 和立方 相( c z r 0 2 ) j 。c - z r 0 2 为高温相，存在于2 3 7 0 。c 以上。其晶体结构属于立方萤石 c a f 2 结构，空间群为f m 3 m ，z r 4 + 位于立方体的中心，0 2 占据四个项角，每个z ， 和o 玉的距离相等。在低于2 3 7 0 0 c 时，c z r 0 2 相变为t - z r 0 2 。四方相空间群为 p 4 2 r i m e ，属于畸变的萤石结构。与c z r 0 2 相同，t - z r 0 2 的z r 4 + 也是八配位，但是 由于0 二在平衡位置上下产生微小位移，z r 4 + 和0 2 。的距离有两种，分别为0 2 4 5 5 n m 和0 2 0 6 5 n m 。继续降低温度，在低于11 3 0 0 c 时，t - z r 0 2 进一步相变为m - z r 0 2 。 单斜空间群为p 2 1 c 。m z r 0 2 中z r 4 + 和0 厶形成一个三角形配位的0 z r 3 和畸变的四 面体配位的0 ，z r 4 组成的七配位结构，其中z r 4 十和0 间距在0 2 0 5 n m 和0 2 2 8 n m 之 间。这两种配位的离子层沿平行于( 1 0 0 ) 面交替排布，相互间接近a 2 。不同晶 型的z r 0 2 晶体结构均是在立方萤石结构基础上演变而来。 室温下z r 0 2 一般以单斜相存在，若想将立方相或四方相保持至室温达到相 变增韧的目的，可以采取两种方式：降低z r 0 2 的晶粒尺寸，z r 0 2 高温相的表面 能低于低温相，若晶粒足够小，可在室温下存在。据计算四方相在室温下的临界 晶粒尺寸为3 0 n m ，而这种条件通常没办法满足，尤其不可能用于大批量工业生 产。在z r 0 2 中加入氧化物稳定剂，通过氧化物与z r 0 2 的固溶，增大阳离子平均 半径，使阴、阳离子的半径比更接近稳定八配位要求。根据z r 0 2 的晶体结构，添 加剂应为立方结构，阳离子半径须大于锆离子半径，且碱性不能太强。目前常用 的掺杂稳定剂有y 2 0 3 、c a o 、c e 0 2 、t i 0 2 、a 1 2 0 3 【z 硎。 t - z r 0 2 向m - z r 0 2 的相变是无扩散、变温和具有热滞，为马氏体相变 ( m a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o n ) 7 - 1 0 】，属于一级相变，仅存在固态转变，具有成核 的生长过程。这种马氏体相变具有如下特征【1 l 】：晶体学上母相晶面与马氏体的 面相对应：相变为非热、非扩散过程，并且具有可逆性；相变过程伴随巨大 的体积变化和切向应变；相变速度极快，相变的传播速度接近声速：相变无 确定温度，并且温度可调。马氏体内往往还具有亚结构，其主要增韧机制为应力 诱导相变和微裂纹增韧。处于裂纹顶端的四方相吸收断裂能转变为热力学上稳定 2 第一章文献综述 的单斜相，产生体积膨胀效应，反过来又在裂纹尖端附近形成压应力，起到裂纹 扩展的作用。这种动态的相变增韧机制就使相应应力屏蔽裂纹尖端，造成其尖端 钝化，要使裂纹进一步扩展，需要提高外加应力，表现为断裂应力的提高。当材 料冷却到室温时，若四方相晶粒大于临界粒径d 。，则在基体中自发发生马氏体相 变，并产生许许多多微裂纹及其核。当它们处于主裂纹前端的作用区时，由于它 们的延伸释放了主裂纹的部分应变，增加了主裂纹扩展所需能量，从而有效地抑 制裂纹扩展，提高材料韧性。由于c z r 0 2 与t z r 0 2 之间的相变在2 3 7 0 0 c 下发生， 因此m z r 0 2 和t z r 0 2 之间的马氏体相变对陶瓷制备更具意义。研究者【1 2 1 4 】以热力 学为基础，分析了该相变过程，他们认为裂纹扩展的条件是系统总量下降，所涉 及到的能量包括与相变有关的化学自由能a g 。h 铷、表面能u 鼢应变能u 。和外 加力u n 等。发生相变时的自由能平衡关系可用下式表示： a g ，- ，= g 。砌+ u 。+ u ，一u 。 t - z r 0 2 一m z r 0 2 相变能否发生，取决于转变后系统的自由能是否下降，于是 有g t 。矗0 ，即 g 。概玑。+ a u 。一u 。 通常用来作为稳定剂的氧化物( 如c a o 、m g o 、y 2 0 3 、c e 0 2 等) ，其金属离 子半径和锆离子半径相近，在很宽的组成范围与温度范围内可以维持固有结构， 不发生晶型转变，而固溶于z r 0 2 晶体内。为了保持晶格的电价平衡，z r 0 2 晶体将 产生一定数量的氧空位，o 二之间排斥力较小，使体系处于能量相对较低的状态， 即降低了化学自由能差6 g o h 锄值。从而t - z r 0 2 不会自发的向m - z r 0 2 转变。但是 t z 曲2 能否保留至室温还与颗粒尺寸有关，即存在一个临街尺寸d 。，只有低于d 。 的颗粒四方相才可以保留至室温。 1 1 2z r 0 2 的稳定性机制 对于z r 0 2 的稳定机理问题，研究较成熟的为c z r 0 2 的空位稳定机制。 r u f f 和e b e r t t l j 首先提出z 向2 稳定机理，他们认为具有与z r 4 + 离子半径相近并 且具有立方结构的氧化物的阳离子可以稳定c z r 0 2 。d i e t z e l 等则认为，能够稳定 z r 0 2 的金属氧化物，其化学键的离子性要比z r 0 2 中z ，和0 2 。间的离子性强。 s t o c k e 通过大量研究指出，能够稳定c z r 0 2 的金属氧化物应该满足三个条件：( 1 ) 该氧化物具有m o 。( n 1 7 0 0 0 c ) ，这无疑对烧结工艺及发热体都具有严格的要求，同时 也促使人们寻找新的路径和组成点，使在降低烧结温度的同时取得优良性能【6 4 1 。 子。 ： 鲁 莒 富 卜 i $ 1 3m g o z r 0 2 系统二元相图 f i g 1 3p h a s ed i a g r a m sf o rt h es y s t e mm g o - z i 0 2 7 第一章文献综述 1 3 2 热处理温度及时间对m g o z r 0 2 二元系材料力学性能的影响 由g r a i n 相图可以得到另一重要结论：四方相的析出和生长温度在 1 4 0 0 1 5 0 0 0 c 范围内，即获得最佳力学性能的热处理温度不应低于1 4 0 0 0 c ，以避 免m g p s z 在1 4 0 0 0 c 以下发生亚共析分解反剧阳】。 c z r 0 2 一t z r 0 2 + c z r 0 2 t 1 4 0 0 。c _ 亚稳态t - z r 0 2 + c z r 0 2 冷却 c z r ( h _ m z r 0 2 + c z r 0 21 2 4 0 t 1 4 0 0 。c c - z r 0 2 寸m - z r 0 2 + m g o t 4 时 y = 1 9 3 3 0 7 ( a h 、+ 1 3 6 6 ( a h ) 2 2 3 9 8 ( a h ) 3 + 2 5 2 2 ( a h ) 4 2 4 3 扫描电镜( s e m ) 形貌观察 在s 5 0 0 型扫描电子显微镜上对断口形貌进行观察，并据此分析其力学性 能特点。 以s e m 观察了试样抛光表面经4 0 h f 腐蚀后的显微结构。具体操作为： 先用8 0 0 # 水砂纸对样品表面进行抛光，然后超生清洗后，于室温下，未热处理 样品用h f 腐蚀1 0 r a i n ：热处理样品已经经过了热腐蚀，使玻璃相被吸收面显露 晶界，无需再进行化学腐蚀。 2 4 4 x r d 衍射物相分析 本试验采用仪器为天津大学分析中心的d m a x2 5 0 0 v p c 型x 一衍射仪 ( ) ，用c u 钯的线分析了典型试样的相组成，所分析试样均用抛光表面，其 中t z r 0 2 相对含量的计算公式为： 歹( 1 1 1 ) 9 = = _ 二- 一 ，。( 1 1 1 ) + l m ( 1 1 1 ) + l i ( 1 1 1 ) 第_ 二章实验设计和研究方法 其中：i t ( 1 1 1 ) 代表四方相( 1 1 1 ) 面的衍射强度；i m ( 1 i 1 ) f f 斗l l r n ( 1 1 1 ) 分别代表单 斜相( 1 11 ) 面和( 1 l1 ) 面的衍射强度。 c 和t 相的x 射线衍射峰位置相近，重叠现象严重，本文中以2 0 为5 0 。和 6 0 。附近时衍射谱是否出现双峰及双峰的相对高低来定性判断材料中是否出现 四方相及四方相的相对含量。 2 5 摩擦性能测试试验设计 2 5 1 线材拉制环境试验装置设计 为了模仿线材拉制环境，即摩擦是在环状陶瓷体与金属丝间进行，自行设 计和制造了摩擦副安装装置，如图2 3 所示，与台式钻床一起组成摩擦实验机。 图2 3 自制线材拉制环境下摩擦磨损实验机示意图 f i g 2 - 3s c h e m a t i cd r a w i n go fs e l f - m a d et r i b o - t e s t e r 第二章实验设计和研究方法 2 5 2 试样准备 摩擦磨损试验的陶瓷环试样主要是m g p s z 基陶瓷，主要包括 0 4 z n o 1 0 m g o z r 0 2 ( 1 # ) 烧结样品，l o m g o - z r 0 2 经11 5 0 0 c 热处理6 h 样品( 2 # ) ， 以上均为相同系统力学性能最佳样品；另外还有y t z p ( 3 # ) 样品与之相比较。陶 瓷环尺寸为：外径r = 1 0 5 0 - 2 ：0 4 0 m m ；内径r = 5 6 5 i - 0 3 0 r a m ；高h - - 7 6 0 m m 。金 属丝选取直径2 m m 的6 5 m n 钢丝。将对摩材料的性能分别示于表2 3 ，2 - 4 ： 表2 - 3m g p s z 与y - t z p 陶瓷性能 t a b l e2 - 3t h ep r o p e r t i e so fm g p s za n dy - t z pc e r a m i c 表2 - 46 5 m n 钢丝的化学成分( 州) t a b l e2 - 4t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no f6 5 m ns t e e lw i r e ( w t ) 2 5 3 实验过程 所有试验均在室温下进行，界面介质有机油和自来水。自制实验机工作原 理如图2 1 所示。将环试样固定在轴上，用弹簧的压缩来使陶瓷环与钢丝接触， 并用压缩量来控制压力大小。轴的转动使陶瓷环和钢丝间发生滑动磨损。主要参 数为：转速1 0 0 0 转分，相当于5 6 r w m i n ，时间1 8 h ，滑动距离相当于6 0 4 8 m 。 载荷变化范围5 1 0 n 。润滑介质为机油，自来水。陶瓷环的尺寸为5 1l m m x 8 m m ，钢丝2 m m 2 0 m m 。 第二章实验设计和研究方法 2 6 摩擦磨损测试方法 2 6 1 磨损率测定 试样在试验过程中，磨损的结果都会发生重量和尺寸的变化。而且摩擦过 程中其摩擦表层会产生一定的塑性变形。 重量损失不大 可根据磨损体积考核材料的耐磨性，用光学测微计测量试样表面划痕宽度， 根据下面公式计算磨损体积v ： v - - r 2a r c s i n ( 务一b r 2 - ( 扣2 ) 上 其中：v 一磨损体积( n l m 3 ) ，r 一环样半径( i 砌) ，b 一磨痕宽度( 1 1 1 i n ) ，l 一磨 痕长度( m m ) 。 试验中以磨损率w 作为评价磨损的指标， y d 式中：w 磨损率( m m 3 m ) ，v 一磨损体积( m m 3 ) ，d 一滑动距离( m ) 。 磨损率随滑动距离的变化并不是任何时候都是线性关系，但大多数情况下， 线性关系还是存在。所以磨损率是一个比较普遍、真实的表示量。它比磨损体积 所具有的优点是可比性强，可为不同实验条件下的研究结果的比较带来方便。 磨损失重较大 可采用称重法考核材料的耐磨性。称重法就是根据试样再试验前后的质量 变化，用感量0 i m g 的天平测定试样磨损质量损失。这种方法相对简单、经济， 采用最普遍。可用下列公式计算磨损率： a m p xd 式中：w 磨损率( m m 3 m ) ，a m 磨损质量( g ) ，p 材料密度( g m m 3 ) ，d 滑动距 离( m ) 。 本实验由于磨损时问较长，磨损失重较大，也为了便于比较，均采用称重 法计算材料的磨损率。 2 6 2 扫描电镜( s e m ) f f 多貌观察 对不同摩擦条件下的摩擦副表面状态进行观察和分析，得出磨损情况。 第二章实验设计和研究方法 2 6 3x r d 衍射物相分析 分析在摩擦磨损过程中，陶瓷环及金属表面的相态变化。 2 6 4t e m 磨屑形貌研究 将磨屑( 含金属与陶瓷) 于乙醇中充分超生分散后，用3 m m 的铜网蘸取，于 j e m 10 0 c xi i 型透射分析电镜上，观察分析其形貌特征帮助确定其对摩擦磨损性 能的影响作用。 第三章z n o 含量对m g p s z 陶瓷显微结构和相组成的影响 第三章z n o 含量对m g p s z 陶瓷显微结构和相组成的影响 3 1z n o 对烧成过程中热重的影响 烧结试样的各种性能与烧成过程中差热和失重的变化密切相关，为了研究 z n o 对m g p s z 烧结性能的影响，分别对z 0 和z 2 样品进行了综合热分析，如 图3 - 1 所示。样品加入氧化锌后，促进了反应烧结的进行，到1 5 0 0 0 c 为止，坯 体失重量达6 8 9 w t ，这是因为z n o 为高活性物质，它的加入加快了扩散传质 与固相反应的进行，也有利于水蒸气等杂质的排除，使烧结体更加致密。 a b 术 石 b - - 图3 1 样品z 0 ，z 2 综合热分析结果( a z o ，b - z 2 ) f i g 3 - 1d s c t gc l i r v co f z 0 ，z 2 ( a - z 0 ，b - z 2 ) 第三章z n o 含最对m g p s z 陶瓷显微结构和相组成的影响 可以看到，加入z n o 后，共析分解反应温度由1 1 4 4 4 0 c 降低到1 1 3 6 9 0 c ，由 前面的理论可以知道共析转变温度越低，稳定作用越强，臣o z n o 起到了稳定的作 用。同时在差热曲线中还可以发现，在11 9 5 0 c 至1 3 6 6 0 c 之间，单一的吸热峰变 为多个吸放热起伏峰。这是因为加入z n o 后，这一温度区间的传统的立方相向四 方相、单斜相的共析转变反应1 1 0 发生了变化，代之以各种固溶反应和新相的形 成，反应后面还会详细论述。 3 2 ( z n ，m g ) p s z 相组成和微观结构分析 3 2 1z n o 含量对( z n ，m g ) 一p s z 体积密度的影响 不同温度烧成后，试样的收缩率均在2 2 左右，体积密度与z n o 添加量之 间的关系如图3 1 所示。由图3 2 可看出，在同一烧成温度下，添力l l z n o 后，试 样的体积密度增大，并且随着z n o 添加量的增加，体积密度先增大后减小，z n o 添加量为0 8 m 0 1 时达到最大。这是因为z n o 的引入使晶格畸变，缺陷增加， 促进了扩散传质与固相反应，从而促进了烧结的进行。同时，z n o 将与z r 0 2 生成 第二相化合物z n z r 0 3 而存在于晶界之问。由于晶界中第二相的出现缓解了各向 异性引起的热应力，使微裂纹数量和尺寸减小，从而导致显气孔率减小，体积密 度增大。但是因为氧化锌本身密度小于氧化锆，加入量超过一定量时，使烧结体 体密度有所降低。 5 5 7 5 5 6 e 盖5 弱 蚤 占5 舅 5 t 5 3 0 00 ，5 0 52 02 53 0 z n oo o n t m t t ( m 0 1 ) 图3 - 2z n o 添加量与试样体积密度的关系 f i g 3 - 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e nz n oc o n t e n ta n dt h eb u l kd e n s i t y 第三章z n o 含最对m g p s z 陶瓷显微结构和相组成的影响 3 2 2z n o 含量及热处理制度对( z n ，m g ) p s z 相组成的影响 由样品的x r d 分析( 图3 3 ) 可以看出，烧结样品z 2 、z 4 均含有大量的四方相 和少量的单斜相；在1 4 0 0 0 c 经2 h 热处理后，二者的四方相含量减小，单斜相含 量增大。其中z 4 在热处理后四方相几乎消失。同时除了氧化锆相，还发现有新 相z n z r 0 3 生成，而不存在z n o 相。这是因为加入氧化锌的试样在烧成过程中，z n o 与z r 0 2 发生反应形成z n z r 0 3 ，z n z r 0 3 的出现促进了四方相晶核的大量形成，在 随炉冷却的过程中【7 5 1 ，晶核长大为四方相。z n 与z r 之间的互扩散系数较大，从 而体系中反应速率较快，使四方析出体的生长是一个较快的动力学过程f 2 1 】，这 也为四方相在冷却无保温的情况下析出提供了理论依据。 当对烧结体进一步热处理时，有新的四方相形成，但热处理同时会使