（动力机械及工程专业论文）Tilt3gtSiClt2gt材料的摩擦磨损行为研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 摘要 对近年来有关t i 3 s i c 2 材料摩擦学特性研究的发展状况进行了全面 调研。在此基础上，利用盘块式高速摩擦试验机，着重对高速滑动条件 下t i 3 s i c 2 材料对a 3 钢于摩擦过程的摩擦行为以及磨损行为进行了探 讨。研究工作主要有以下几个方面： 详细观察了t i 3 s i c 2 材料对a 3 钢在持续滑动过程中稳定期的摩擦磨 损行为，并在接近工程应用的载荷和速度范围内，研究了法向载荷、相 对滑动速度等因素与摩擦系数及磨损率之间的关系；对t i 3 s i c 2 材料摩擦 过程中的磨损率进行了计算，并针对法向载荷及相对滑动速度对磨损率 的影响进行了分析。 通过上述试验研究和理论分析，主要获得了以下新的结果： 总结出t i 3 s i c 2 材料对a 3 钢稳定期的摩擦学行为，并且研究了载荷、 速度影响因素对其摩擦特性的影响。总的说来，t i 3 s i c 2 材料对a 3 钢的 摩擦系数表现出显著的载荷依赖性，在摩擦过程中摩擦系数随法向载荷 的增大而呈先增大后减小的趋势；t i 3 s i c 2 材料对a 3 钢的磨损率也表现 出显著的载荷依赖性，磨损率随法向载荷的增大呈先增大而后缓慢减小 的趋势。 另外，滑动速度也会对t i 3 s i c 2 材料的磨损率产生影响，其磨损率随 滑动速度的增加基本呈先增大而后缓慢减小，再继续增大的趋势。在摩 擦过程中，摩擦系数与磨损率所表现出的载荷依赖性及速度依赖性归因 于t i 3 s i c 2 材料块表面自生成氧化层的减磨机制，该氧化层自始至终覆盖 在t i 3 s i c 2 材料块表面，并且它的致密度随着载荷和速度的变化而变化。 关键词：t i 3 s i c 2 材料、摩擦系数、磨损率、氧化层 韭室窒望查堂堡主兰垡熊兰! 堕 a b s t r a c t d e v e l o p i n gs i t u a t i o n i nr e c e n ty e a r so ni n v e s t i g a t i o n so ft r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e so f t i 3 s i c 2m a t e r i a l sw a sr e v i e w e d o nt h i sb a s i s ，t h ew o r k s i nt h i s t h e s i sw e t ef o c u s e do n b e h a v i o r so f t h ef r i c t i o na n d w e a ro f t i 3 s i c 2 m a t e r i a l s s l i d i n gd r y l ya g a i n s ta 3 s t e e lw i t ht h eb l o c k - o n d i s kt y p eh i 曲一s p e e df r i c t i o n t e s t t h er e s e a r c hw o r k sm a i n l yi n v o l v e dt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： t h ef r i c t i o na n dw e a rb e h a v i o r so ft i 3 s i c 2f o rt h es t e a d yp e r i o do fa c o n t i n u o u s l ys l i d i n gp r o c e s s w e r eo b s e r v e di nd e t a i l t h e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e nt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，t h ew e a rr a t ea n dt h en o r m a lp r e s s u r e a p p l i e da n dt h es l i d i n gs p e e d w a sc h a r a c t e r i z e df o rt h ep r e s s u r e sa n ds p e e d s a p p r o a c h i n gt oe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ；t h ew e a rr a t e o ft i 3 s i c 2f o rt h e s t e a d yp e r i o dw a sm e a s u r e d ，a n de f f e c t s o ft h en o r m a lp r e s s u r ea n dt h e s l i d i n gs p e e d o nt h ew e a rr a t ew e r ea n a l y z e d s o m en e wr e s u l t sw e r e6 b t a i n e df r o mt h e p r e s e n te x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o na n d t h e o r e t i c a la n a l y s e s ： f i c t i o n a lb e h a v i o ro ft i 3 s i c za g a i n s ta 3s t e e lr e v e a l si ns t e a d yp e r i o d w a s g e n e r a l i z e d ，a n dt h ee f f e c t so f n o r m a lp r e s s u r ea n d s l i d i n gp r o c e s so n t h e f r i e t i o nb e h a v i o rw e r es t u d i e d i ng e n e r a l ，t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to f t i 3 s i c 2a g a i n s ta 3s t e e le x h i b i t sa s i g n i f i c a n tp r e s s u r ed e p e n d e n c y , w h i c h i si n c r e a s e dw h e nt h en o r m a l p r e s s u r ei s s m a l l e ra n dr e d u c e dw h e nt h en o r m a lp r e s s u r ei s l a r g e r , w i t h i n c r e a s i n g t h en o r m a lp r e s s u r e t h ew e a rr a t eo ft i 3 s i c 2e x h i b i t sa l s oa p r e s s u r ed e p e n d e n c y w i t hi n c r e a s i n gt h en o r m a lp r e s s u r e ，t h ew e a rr a t eo f t i 3 s i c 2i n c r e a s e sw h e n t h e p r e s s u r ei ss m a l l e r , a n d r e d u c e sw h e nt h ep r e s s u r e i sl a r g e r i na d d i t i o n ，t h es l i d i n gs p e e da l s oh a ss o m ee f f e c t so nt h ew e a rr a t e t h ew e a rr a t es h o w sat e n d e n c yt h a t i n c r e a s i n g , r e d u c i n gs l o w l y , a n d i n c r e a s i n ga g a i nw i t ht h es l i d i n gs p e e di n c r e a s i n g t h ep r e s s u r e d e p e n d e n t a n dt h es p e e d d e p e n d e n tb e h a v i o r so ft h ef r i c t i o nc o e 伍c i e n ta n dt h ew e a r r a t ec a nb ea t t r i b u t e dt ot h ea n t i f r i c f i o na c t i o n so fas e l f - g e n e r a t i n go x i d e l a y e gw h i c hc o v e r e du n i f o r m l y o v e rt h ef r i c t i o ns u r f a c eo f t i 3 s i c 2 ，w h i l ei t s c o m p a c t n e s s i sc h a n g e dw i t ht h en o r m a l p r e s s u r ea n d t h es l i d i n gs p e e d k e y w o r d s ：t i 3 s i c 2 ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，w e a rr a t e ，o x i d el a y e r 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1引言 新材料是发展高新技术的物质基础。新材料及与其直接相关的研究 领域，如信息存储材料、微电子材料、生物材料、纳米材料、超导材料 及高温电子学等，在当今高、新技术领域和未来技术发展中具有举足轻 重的基础作用，因此世界各国都给予高度重视，很多国家把新材料的研 究与开发列为关键技术。而在新材料中，新型无机非金属材料又是特别 活跃的领域，在整个新材料中占据主要地位。 结构陶瓷随着宇航、航空、原子能和先进能源等近代科学技术的发 展，对高温、高强度材料提出了越来越苛刻的要求，金属基高温合金最 高可耐一千多度高温，难以完全满足要求。特种陶瓷材料的熔点和硬度 比金属材料高得多，且化学稳定性及其它性能优良。同时各种场合使用 的陶瓷材料越来越多。如陶瓷切削刀具，由于它的高硬度、高耐磨性、 耐高温性和对金属的不粘合性，成为高速切削和精密切削的有力刀具； 氧化锆陶瓷的耐磨性、耐腐蚀性、高比重，极适合于用作油田深井泵中 的阔座，大幅度提高了使用寿命；由于陶瓷的高硬度、耐磨性和耐腐蚀 性，可以在很多情况下用作磨球和各类液体泵的密封部件，甚至用作高 温下使用的无需润滑剂的高温轴套、轴承；在钢铁工业上使用的牵引钢 丝的导轮；此外，在钢水连铸、高温风口等高温、易磨损、易腐蚀的工 作音s 位，也都有用高温陶瓷。在纺织工业的耐磨、防静电等的工作场合 中，也有高温结构陶瓷的用武之地。 由于陶瓷材料存在脆性大、韧性低和难以机械加工的缺陷，人们通 过各种途径来提高陶瓷材料的韧性。如纤维或晶须增韧、颗粒弥散增韧 和z r 0 2 应力诱导相交增韧，虽取得一定的效果，但仍然存在工艺复杂、 成本昂贵和性能提高幅度有限等缺陷；而传统改善陶瓷材料机械加工性 能的方法是在陶瓷基体中引入弱的结台界面，这种方法虽然提高陶瓷材 料的可加工性，但同时也降低了材料的力学性能和使用的可靠性。 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 近些年来，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，有较低的维氏显微硬度和较高的弹性模量和剪切模量，像金 属一样可进行机械加工，并在较高的温度下具有塑性，同时又具有陶瓷 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。 这些化合物可以用统一的分子式m a x 。，其中m 为过渡金属，a 主要 为i i i 和族元素，x 为c 或n 。当n = 3 时，代表性的化合物为t i 4 a 】n 3 等；当n = 3 时，代表性的化合物为t i 3 s i c 2 、t i 3 a i c 2 等【1 】。 i 2 t i 3 s i c 2 材料的结构和特性 早在1 9 6 7 年，j e i t s c h k o 和n o w o m y 采用化学气相沉积( c v d ) 的 方法，通过在2 0 0 0 的高温下t i h 2 、s i 和石墨之间的化学反应成功合成 了一种新型陶瓷，并测定了其晶体结构 “。t i 3 s i c 2 属六方晶系，其中t i 原子占据2 a 和4 f 位置，s i 原子占据2 b 位置，c 原子占据4 f 位置。从图 1 1 中所示的t i 3 s i c 2 的结构简图可以看出：共棱的c t i 6 八面体被平面 s i 原子层所分隔，每一个晶胞中含有两个t i 3 s i c 2 分子。 k i s i 和b a r s o u m 口1 等用中子衍射更准确测定了t i 3 s i c 2 的晶胞参数 和晶体中各原子之间的键长及键角，t ii 、t i l i 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 i 原子与s i 原子之间的距 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 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，同时有 趣的是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，周延春等【4 t 5 1 认为s i 原子与 t i c t i c t i c 链的键力是较弱的，这可解释t i 3 s i c 2 的层状结构和自润 滑性。 a l t l e r 等 6 1 通过对比t i 3 s i c 2 和t i c 06 7 的拉曼光谱图发现：凡是t i c 7 拉曼光谱图上所具有的峰，在t i 3 s i c 2 拉曼光谱图上都能找到相应的峰， 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 但位置发生了位移；同时t i 3 s i c 2 多出了两个t i c o6 7 所没有的峰，一个位 于1 5 0 c m ，这个峰归因于t i 与s i 间弱键结合和因此产生的t i 面与s i 面间的剪切滑移，另一个位于3 4 0 c m 1 弥散宽峰，其机理尚有待进一步 研究。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 i 原子与t i 之间为弱键结合，这种层闻弱结 合特征类似与层状的石墨。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。其晶体结构如图l l 所示： 丁 s i c 图1 it i 3 s i c 2 的晶体结构 f i g l 1t h ec r y s t a ls t r u c t u r eo f t i 3 s i c 2 1 3 t i 3 s i c 2 材料的综合性能 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 9 c m 3 。t i 3 s i c 2 具 有高熔点( 熔点高达3 0 0 0 c 以上) 。高热稳定性。在低于1 8 0 0 ( 2 在真空 iiiii一! ! ! 塞奎垄查兰堡主兰垡堡奎j 堑二| 墅堕鱼 或氩气中不分解。陶瓷材料的物理性能与样品的相组成、各相的颗粒分 布和形貌等显微结构有密切的关系。因此所报道的t i 3 s i c 2 的物理性能和 制各样品的t i 3 s i c 2 含量、第二相组成、t i 3 s i c 2 的形貌和颗粒尺寸密切相 关。p a m 口u c h 【7 9 等测定了第二相t i c 占1 0 2 0 的t i 3 s i c 2 陶瓷的力学 性能，相应的弹性模量和剪切模量分别为3 2 6 g p a 和1 3 5 g p a 。在测定复 相陶瓷t i 3 s i c 2 t i c 的显微硬度时，发现维氏硬度随t i c 的含量变化而变 化，并推算出纯t i 3 s i c 2 的显维硬度为4 g p a 。他们用热压方法合成了t i c 含量为1 5 的t i 3 s i c 2 一t i c 复相陶瓷，其抗压强度和三点抗弯强度分别为 1 1 2 0 - a ：2 7 0 m p a 和3 5 0 士6 3 m p a 。 n f g a o 等【l o 】测定了t i 3 s i c 2 含量高达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 8 3 g p a 、4 1 0 g p a 和11 2 m p a ，m “。t i 3 s i c 2 能 在1 1 0 0 。c 的空气中保持稳定。其室温电阻率为2 7 1 0 1 0 - m ，电阻率随温 度的增加而线性增加。 e l r a g h y 和b a r s o u m 等 1 l 叫7 】对用热等静压制备的高纯度t i 3 s i c 2 在 室温下的导电、导热系数分别为4 5 1 0 6 s m 一、3 7 w ( m k ) ，热膨胀系数 为9 2 1 0 4 k - 1 。资料【l l j 研究了两种不同显微结构( 颗粒大小为3 5 、1 0 0 2 0 0 u r n 的细晶、粗晶陶瓷) 的t i 3 s i c 2 陶瓷的力学性能。在室温下，细晶、 粗晶陶瓷的抗压强度分别为1 0 5 0 m p a 和7 2 0 m p a ，当温度低于1 2 0 0 时， 为脆性断裂，断裂时的应变少于2 。在1 3 0 0 。c 的温度下，两者都表现 出很好的塑性( 应变大于2 0 ) ，材料的屈服点分别为5 0 0 m p a 和 3 2 0 m p a 。在室温下，细晶、粗晶材料的抗弯强度分别为6 0 0 m p a 和 3 3 0 m p a 。粗晶材料抗热震的能力可高达1 4 0 0 以上的温度，而从1 0 0 0 淬火后，强度损失高达5 0 。 他们【1 2 j 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 4 c 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 c 升高到1 4 0 0 c ，氧化的速度常 数从l l o - g k ：9 2 m 4 s 。增加到1 1 0 4 k 9 2 m 4 s ，计算所得热压、热等静压制 得的样品的氧化活化能分别为3 2 0 k j m o l 、3 7 0k j t o o l 。 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 ， 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 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备的t i c 含量低，因此前者的抗氧化性能明显优于 后者。e 1 r a g h y 和b a r s o u m 1 3 1 用热等静压合成的高纯t i 3 s i c 2 陶瓷，可用 普通的高速钢钻头在无润滑状态下很容易进行钻孔，且尺寸精确，与加 工石墨类似，具有自润滑特征。 f a r b e r 和b a r s o 啪【1 4 】用反应热压方法合成了粗大颗粒组成( 2 3 m m ) 的致密t i 3 s i c 2 多晶陶瓷材料，材料在室温受压时表现出塑性变形。 t i 3 s i c 2 在结构上沿c 轴方向s i 原子层与t i 之间的结合较弱，不难理解 基准平面( 0 0 0 1 ) 面是变形时的滑移平面。他们用透射电镜对其在室温 下形变前和形变后的缺陷状况进行了研究。结果表明：在晶粒内和晶界 处都有位错的存在，在基准面( 0 0 0 1 ) 面上发现有大量的完整位错，其 b u r g e r 矢量b = 1 3 ( 1 1 2 0 ) ，位错在室温形变时会移动和增殖。位错主要以 两种方式出现，其一是成列的位错出现在基准滑移平面上，另一种是以 位错墙的形式出现在与基准滑移平面平行的小角度晶界处。他们应用位 错理论解释了t i 3 s i c 2 耐损伤的原因。 g i l b e r t 和b a r s o u m l l 5 等分别对热等静压制备的粗晶( 5 0 2 0 0 u m ) 和细晶( 3 l o u m ) t i 3 s i c 2 单相陶瓷材料的断裂和疲劳试验时的裂纹扩 展行为进彳亍了研究。细晶和粗晶材料都具有平稳的r 曲线，裂纹扩展阻 力随裂纹的向前扩展明显增加，两种材料的断裂韧性值分别达到 9 5 m p a m “2 和1 6m p a m “2 。其中粗晶t i 3 s i c 2 材料在非相变增韧单相陶 瓷材料中属于高韧性的行列，同时s e m 和f e s e m 分析证实了在裂纹扩 展过程中存在桥联机制是材料具有高韧性的重要原因。研究结果还表明： 其疲劳阀值a k t h 也高于传统的陶瓷材料，粗晶材料的a k m 值高达9 m p a - m “2 。原因是裂纹在扩展过程中因活跃桥联区内摩擦退化而使材料 得以强化。 e 1 r a g h ，1 6 i 等对t i 3 s i c 2 压头周围损坏机制的微观结构进行了观察， 结果表明：t i 3 s i c 2 是一种能够在压头周围一个小区域内含有一定程度的 耐损坏的耐损伤材料，s e m 证明该材料通过多重能量吸收机制来抵抗损 坏。其中包括：扩散微裂纹、脱层、晶粒排出、晶粒拔出、以及单个颗 ! ! 塞奎里查兰塑圭堂堡堡奎篁= 童! 堕 粒的弯曲等作用。t i 3 s i c 2 的接触损伤累积研究证明赫兹压痕应力一应交 数据显示该材料有优异的准塑性，表面陶瓷相观察显示在接触处有广泛 的准塑性微损伤区域存在，损伤区域由多重晶内滑移和晶间剪切断裂组 成，该断裂是一种高应变的微断裂，而没有发现环状裂纹和其它的宏观 裂纹。结果显示t i 3 s i c 2 可能非常适合应用在断裂前有高应变和能量吸收 的接触部件。 1 4 t i 3 s i c 2 材料的研究现状 早在1 9 6 7 年，j e i t s c h k o 和n o w o m y 采用化学气相沉积( c v d ) 的 方法，通过在2 0 0 0 的高温下t i h 2 、s i 和石墨之间的化学反应成功合成 了一种新型陶瓷t i 3 s i c 2 ，并测定了其晶体结构。其后，人们又采用不同 原料、不同方法制得t i 3 s i c 2 材料。 g o t o 和h i r a i 沼 使用s i c h 、t i c h 、c c h 和h 2 作为原料采用化学气 相沉积( c v d ) 工艺合成了多晶的t i 3 s i c 2 板材。然而像c v d 之类的气 相方法仅局限于小规模生产，而很难进一步对其开发利用。人们尝试了 采用不同的原料，使用不同的固态合成方法来合成块体单晶t i 3 s i c 2 。 r a c a u l t 9 1 等人采用t i 、s i 和c 粉末作为原料使用真空煅烧，然后进行化 学处理除掉杂质t i s h 和t i c ，得到了几乎纯净的t i 3 s i c 2 。a r t m a j a t e s a n 和c a r i m 2 0 3 报道：采用t i 、s i 和c 粉末作为原料使用电弧融化工艺在 1 2 0 0 下退火1 0 0 h ，可获得含体积分数为9 8 的单晶材料。o k a n o 2 l 】等 人尝试真空中在1 3 0 0 1 6 0 0 下通过反应烧结t i 、s i 和t i c 粉末来合成 t i 3 s i c 2 ，他们称最佳合成温度为1 3 0 0 ( 2 ；但产物明显含有少量的第二相 t i c 和s i c ，经温度为1 4 0 0 c ，压力为, * 5 m p a 下热压处理3 0 m i n 可使其 进一步致密化。 1 9 9 5 至今，对t i 3 s i c 2 材料的制备及性能研究取得了很大的进步。 m w b a r s o u m 2 2 j 组用热压烧结制各纯度较高的t i 3 s i c 2 块体材料，他们在 1 6 0 0 c 下对t i 、s i c 和c 粉末热压4 h 得到高纯块晶t i 3 s i c 2 。但是从发 表的x 射线衍射图来看，产物中仍然含有第二相t i s i 2 。周延春【2 3 1 等人通 过对t i s i c 三元系楣图的分析，采用t i 、s i 和石墨粉为原料，并加 6 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 入4 的n a f ，利用固液相反应法成功地制备出t i 3 s i c 2 粉末。实验表明： 氟化物的使用能有效地提高t i 3 s i c 2 粉末的产率，同时减少了制备t i 3 s i c 2 粉末过程中的杂质含量。 n e g a o ，y m i y a m o t o 1 0 1 等人以t i 、s i 、c 元素粉为原料，采用反应 热等静压( r - - h i p ) i 艺，在1 5 0 0 。c 、4 0 m p a 下反应3 0 m i n 合成了t i 3 s i c 2 含量高达9 7 的块体致密多晶材料，其密度达到理论值的9 9 。 梅柄初、朱教群【2 4 1 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，在1 2 0 0 1 2 5 0 。c 的温度下能制各出经x r d 、s e m 和e d s 表征不含t i c 和s i c 等 杂质相的纯净t i 3 s i c 2 材料。 黄勇、汪长安【2 5 】等人对t i 3 a 1 c 2 材料的制备进行了研究，他们以t i 、 a 1 4 c 3 和活性碳粉为原料，分别采用热压和等离子烧结方法制得t i 3 a i c 2 。 热压时在温度1 4 0 0 保温5 1 i o m 抽；等离子烧结时在温度1 3 0 0 保温 1 7 m i n 。在随着保温时间的增加，其中间相产物t i 2 a 1 c 和t i 6 c 都会转 化为t i 3 a 1 c 2 。 潘伟 2 6 j 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 i 3 s i c 2 的结果。结果表明，相比碳粉，使用活性碳可得到纯度更高 的t i 3 s i c 2 。在室温到1 4 7 3 k 间研究了高纯度多晶t i 3 s i c 2 的韧性性能。 1 5 t i 3 s i c 2 材料的摩擦学特性研究现状 m y h r a 【z ”等利用l f m 测得t i 3 s i c 2 的动摩擦系数为2 5 x 1 0 ，在压 力o 1 5 o 9 n 时，还测得与喷丸处理过的不锈钢之间的摩擦系数为o 1 2 。 e i - r a g h y 和b a r s o u m l 2 8 等利用盘销式摩擦实验，在压力为5 0 n 、速度 为o 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t i 3 s i c 2 的摩擦磨损行为，实验表明，t i 3 s i c 2 的平均摩擦系数保持在o 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 一m m 3 n m 、4 2 5 1 0 3 m m 3 n m 。 周延春1 2 9 】等在压力为7 7 n 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o 4 0 5 之间，磨损率为9 9 1 0 一3 i i i t l 3 n m 。 但是，到目前为止的试验研究大多数是在低速下进行的。为了进一 7 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 步认识t i 3 s i c 2 材料的摩擦磨损性能，作者将对t i 3 s i c 2 材料与a 3 钢的高 速摩擦磨损行为进行试验研究，重点观察研究t i 3 s i c 2 材料的摩擦磨损行 为以及摩擦系数和磨损率随压强及速度变化的关系。 1 6课题的提出 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。受 电弓滑板是机车供电系统中的重要集电元件。通过受电弓滑板与输电网 线的接触，将输电网上的电流引导下来，传输给机车供电系统，来维持 电力机车正常运行，高速运行的电力机车上的滑板一旦失效，将严重危 及行车安全，因此要求它的使用必须经济安全，既对接触网导线磨耗小， 自身有足够的使用寿命，又不影响弓网关系 3 0 , 3 1 】。 影响滑板寿命和磨耗的主要因素：滑板的实际使用寿命取决于滑板 本身材质和机车运行的工况。其主要的失效形式就是磨耗到限【3 ”。对于 碳滑板，还可能因折断、脱落掉块而必须更换。滑板磨耗可分为机械磨 耗和电气磨耗。机械磨耗指弓线间通过机械接触产生的磨耗。电气磨耗 是指运行中滑板离线产生电弧而引起的磨耗。影响滑板磨耗的主要因素 有：滑板材质、接触压力、受电电流和走行速度，此外，还与线路状态、 接触网悬挂类型、受电弓性能、及运行条件等因素有关。一般说来，好 的受电弓滑板需具备如下特性： 1 ) 足够的机械强度 2 ) 小的电阻率和接触电阻 3 ) 良好的减磨性和自润滑性能 4 ) 良好的耐热，耐电弧性能 5 ) 一定的耐磨性 6 ) 便于实现轻量化和标准化 目前我国电气化铁路使用的几种滑板优缺点比较【” 3 3 】： 纯金属滑板：该类型机械强度高，集电容量大，耐磨性和导电性都 较好，由于无自润滑性能，所以对接触网导线磨耗非常严重。 粉末冶金滑板：分为铁基和铜基两类。铁基的适用于钢铝导线，铜 基的适用于铜导线。粉末冶金滑扳机械强度高，抗冲击性好，有较好的 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 导电性，耐电弧性以及较低的固有电阻，耐热性高，热传导性良好，耐 磨性和减磨性好，有一定的自润滑性能，电腐蚀性较小，使用寿命较长。 但是其自润滑性能有限，对铜接触网导线的磨耗比较严藿。 纯碳滑板：碳滑板本身就是很好的润滑剂，自润滑性能和减磨性能 好，对接触网导线磨损小，滑动时电磁噪声小，且耐高温，不易和接触 网导线发生焊附现象。碳滑板在与铜接触网导线摩擦时可以在导线上形 成一层碳膜，大大改善了导线的磨耗状况。但是碳滑板机械强度低，耐 冲击性差，运行中遇到导线硬点容易造成滑板折断和破裂，使用寿命低， 常出现弓网事故。另外，碳滑板固有电阻大，集电容量小，接触温度高， 有可能引起导线过热氧化，加速导线磨耗。 浸金属碳滑板：这类滑板基本解决了碳滑板机械强度低的问题， 耐磨性大为提高，同时能根本解决导线磨耗过快的问题。但它的抗 冲击能力不足，经常出现掉块，运行过程中需进行1 2 次的整形， 以保证滑板的表面平滑性；价格过高，维护成本高。 由于t i 3 s i c 2 材料的特殊物理性能，以及仍在研究当中的摩擦磨损 性能，目前都在探索当中。因此本课题具有非常大的实际应用意义。 9 ! ! 塞奎里查堂塑主兰垡兰苎苎三兰苎! ! 查堂 第二章试验方法 2 1概述 摩擦磨损并不是材料本身的固有特性。材料的摩擦磨损过程是个非 常复杂的过程，其行为表现与作用机理完全取决于每个试验或应用的具 体条件。因而在对材料的摩擦磨损性能进行评价时，应该考虑其主要影 响因素。影响t i 3 s i c 2 系材料摩擦磨损性能的主要因素可以分为以下两 类： 1 ) 外部因素( 力学和物理因素) 。主要是指材料摩擦磨损时所受的 外部条件，如接触面所受的载荷、滑动速度、滑移距离、两接触 面的光洁度等。 2 ) 材料本身所固有的因素。如材料的硬度、晶体结构、晶粒大小、 致密度以及表面粗糙度等。 在研究t i ，s i c 2 系材料的摩擦磨损性能时，应该针对不同的因素有针 对性地选择试验方法和试验机。一般而言，常用的试验方法可以分为三 类【3 4 】，即： 1 ) 实验室试件实验。根据给定的工况条件，在通用的摩擦磨损实验 机上对试件进行实验。由于容易控制影响因素和工况参数，所以 实验数据的重复性较高，实验周期短，实验条件的变化范围宽， 可以在短时间内进行比较广泛的实验。但由于试件实验的条件与 实际工况不完全符合，因而实验结果往往不十分可靠。 2 ) 模拟性台架实验。在试件实验的基础上，根据所选定的参数设计 实际的零件，并在模拟使用的条件下进行台架实验。由于台架实 验的条件接近于实际工况，因此增强了实验结果的可靠性。同时， 通过实验条件的强化和严格控制，可以在较短的时间内获得系统 的实验数据，还可以进行个别因素对磨损性能影响的研究。通常 台架实验的主要目的在于校验试件实验数据的可靠性和零件磨 损性能设计的合理性。 3 ) 实际使用实验。在上述的两种实验的基础上，对实际零件进行使 0 ! ! 室奎璺查兰堡主堂垡堡塞 苎三兰苎! ! 查重 用实验。这种实验的真实性和可靠性最好。但是实验周期长，费 用大，实验结果是各种影响因素的综合表现，因而难以对实验结 果进行分析。通常这种方法用作检验前两种实验数据的一种手 段。 以上三类实验可根据实验研究的要求选择其中的一种或几种。第一 类实验可用于揭示机理和影响规律，后两种实验可用于检验产品的质量。 确定了试验方法之后，还应该有针对性地选择试验机。一般而言，用于 干滑动条件下摩擦磨损试验的试验机有销盘式摩擦磨损试验机、往复式 摩擦磨损试验机和盘块式摩擦磨损试验机等【3 ”】： l 、销盘式摩擦磨损试验机：由一个旋转的平圆盘和一个压在盘上不 动的圆柱销组成，圆柱销为试件，其端部可做成平的、半球形的、 锥形的等。试件可以很容易地按照研究目的用各种材料制备，价 格低廉，设备简单，操作方便。销试件在盘试件的接触位置可以 沿半径方向调节。该试验机主要用于摩擦材料的试验研究工作。 由于试件自身具有一定的大小，所咀试件与圆盘相接触的各点的 线速度并不相同，存在速度不均匀的问题。另外，在试件的接触 面不是平面时，在试验过程中接触面积随着销试件的磨损而逐渐 增大，试件的压力逐渐减小。 2 1 往复式摩擦磨损试验机：由一个往复运动的下试样和一个压在其 上保持不动的上试样组成。用于评价往复运动机械零件的摩擦 副，可用于评定选用材料及工艺与润滑材料的摩擦磨损性能。由 于两试样间的相对运动为往复直线运动，因此是一个变速运动过 程，不能用于匀速下材料的摩擦磨损测试。同时由于受到下试样 往复行程的制约，两试样的相对运动速度较低，不能进行高速摩 擦磨损性能的试验研究。 3 ) 盘块式摩擦磨损试验机：由个旋转的试盘和一个固定不动的试 块组成。可用于测定高速干滑动条件下的摩擦磨损，也可用于模 拟制动试验。试验速度恒定，载荷均匀。但是试验初期试盘与试 块的接触为线接触，随着试验的进行，接触面积逐渐增加，最后 可以近似认为是面接触。为使试验数据精确，在正式试验前应该 北京交通大学硕士学位论文 第二章试验方法 进行较长时间的预磨，使接触面获得吻合良好。 本论文所述实验基本上属于实验室试件实验，但试验中所使用的机 器不是通用的摩擦磨损试验机，而是自行研制的盘块式高速摩擦磨损试 验机 3 8 , 3 9 1 ，另外试验条件也更为严格。 另外，在整个的实验过程中用到的实验设备还有扫描电镜和x 射线 衍射仪。 2 2测试原理 在材料摩擦磨损行为研究中，一般需要借助摩擦磨损试验机测量摩 擦副的摩擦磨损特性等一系列参量。目前应用较为广泛的摩擦试验机多 采用静态选位法观察摩擦试件，虽然简单易行，但不能获得摩擦过程的 动态信息，更不能对磨损( 摩擦) 过程进行动态观测及动态数据记录； 另外由于受试验机转速的限制，摩擦副相对运动的速度大多较低( 一般 不超过l o r e s ) ，然而现代机械装备中许多摩擦副的相对滑动速度相当高， 如高速列车运行时的速度约为2 0 0 k m h 。而目前还未曾见到可用于高速 条件下动态测量所需数据的商用摩擦磨损试验机的报道。 图2 - 1 盘块式高速摩擦试验机照片 f l g 2 - 1p h o t o g r a p ho f t h em o c k - o n - d i s ct y p eh i g h - s p e e df r i c t i o nt e s t e r 1 2 ! ! 塞奎里查堂堡主兰垡堕奎 苎三兰蔓! ! 塑鳖 厂1 量 摩擦盘飞轮 2 上 。 圭垫 o c 一 丁 图2 - 2 惯性系统示意图 f i g 2 - 2s c h e m a t i cd i a g r a m si n d i c a t i n gt h ei n e r t i as y s t e m s 本论文中试验研究所用试验机为北京交通大学自行研制的盘块式高 速摩擦磨损试验机( 见图2 - 1 ) 。与一般的通用试验机相比，该试验机具 有两个明显的优点：一是该试验机的最大滑动速度为7 0 m s ，可以测量 高速状态下的摩擦学参数，也可模拟高速列车行驶过程，并可用于金属 材料、陶瓷材料、复合材料等固体材料及表面涂层的摩擦学试验研究； 二是试验机采用电涡流位移传感器来测量磨损量，可以得到磨损量的连 续曲线，实现测试数据的即时显示与同步记录。 本摩擦磨损试验机主要由动力、惯性、夹持、加载、测试和控制系 统构成。 1 动力系统 动力传动系统由三相鼠笼式异步电动机、0 型三角传动带、精密轴 ! ! 塞銮型璺主堂垒丝奎 苎三兰蔓! ! ! 妻皇 承等部分组成。异步电动机输出的动力通过三角带传输到主惯性轴，最 终输出到摩擦盘上。摩擦盘的转动速度由一台s i e m e n sm m v 变频器来 调节。 2 惯性系统 惯性系统采用超静定、大刚度惯性系统，包括主轴、惯性轮等部分。 主轴输出端( 驱动试验盘) 最大挠度小于0 0 5 肛r n ，以此保证较高的回 转平衡精度，从而减小机体的振动和噪音。试验机采用质量较大的惯性 轮来增大系统的回转惯性，从而使试验机转速稳定。图2 - 2 即为试验机 惯性系统的示意图。 3 夹持系统 夹持系统主要完成夹持试样的功能，做到试验过程中试样装夹方便 可靠，无松缓、卡死现象，以保证试验的安全性和试验数据的真实陛。 试验盘试样的夹持采用装卡盘装置，通过卡盘座、卡盘压板和定位 螺栓来夹紧圊盘试样。其主要优点是在保证卡紧试样的同时，能够保证 试验过程中圆盘与摩擦块保持对心，避免出现圆盘偏心或飞盘现象。试 块的夹紧装置采用楔形结构，夹紧结构简单而可靠。 4 加载系统 法向载苟加载系统运用了杠杆加载、液压跟随式加载和电磁加载等 三种加载方式。整个系统由两个互相连通但直径不同的液压缸、两个与 液压缸配套的活塞、滑轮、杠杆装置、盘形砝码及电磁阀组成( 见图2 3 ) 。 杠杆加载、液压加载和电磁加载三种加载方式各有优缺点，将它们有机 地结合起来，可以充分利用它们的优点，保证加载系统的稳定、持续， 并可实现自动控制加载功能。加载系统工作原理为：砝码的重量通过杠 杆放大后施加到副油缸的副挺柱上，从而对油缸内的流体加压。副油缸 与主油缸间设有节流阀，通过它来控制油路的通断。当符合加载条件时， 电磁阀通电，节流阀打开，油路接通；此时，副油缸内的油液在砝码的 压力下向下移动，迫使主油缸内的油液上升，从而推动主挺柱向上运动， 直至主挺柱上方的摩擦器达到工作位置。 l 幸 ! ! 塞奎望查兰堕主兰垡堡皇 苎三兰蔓! ! ! 丝 图2 - 3 跟随式加载系统示意图 f i g 2 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mi n c h c a t i n gt h ef o l l o w t y p el o a ds y s t e m 5 测试系统 测试系统主要用于对工作运转变量进行监测并获取参量数值，其工 作原理如图2 4 所示。根据摩擦试验的测试要求，本测试系统主要对磨 损量、摩擦力、载荷和速度等参量进行测量，所使用的传感器包括力传 感器、位移传感器和速度传感器等。其中磨损量的测量与常见的磨损量 测量方法相同。在测量磨损量时采用称重法，在不同时刻测量试样的质 量，以此求得磨损质量损失。摩擦力和载荷的测量都是通过压力传感器 实现的。速度的测量是利用霍尔测速传感器对主轴的转速进行监测，通 过对测得的脉冲信号进行换算获得滑行线速度。测试系统中所使用的传 感器的测量误差均小于0 5 。由传感器测量所得的电信号通过信号传输 线传给计算机控制系统，进行相应的处理和分析。 6 控制系统 控制系统的功能主要是调节试验机的起、停状态及电机转速，数据 采集，以及监测分析测试参数的状态。它主要由计算机、控制电路板和 ! ! 室奎墨查堂堡主堂垡堡塞 苎三主苎竺查堂 控制软件组成。由传感器测得的电信号经过转换、放大然后通过a d 转 换器与计算机相连。数据的采集和处理由自行开发的专用软件系统来完 成。操作者可以在计算机屏幕上实时观察各种参量的变化情况。 1 摩擦盘 2 试块 3 摩擦力传感器 4 摩擦盘位移传感器 5 试块位移传感器 6 压力传感器 7 施加载荷 8 载荷调节装置 9 速度传感器 图2 - 4 盘一块式高速摩擦试验机测试原理图 f i g 2 - 4d i a g r a mi l l u s t r a t i n gt h em e a s u r i n gp r i n c i p l eo f t h eb l o c k - o n - d i s ct y p e h i g h - s p e