不同含量hBN陶瓷复合材料自润滑特性研究

摘要

论文针对空气环境条件下，Si3N4-hBN陶瓷复合材料与金属配副时，试验速度、载荷、金属组织、hBN含量等内外因素对摩擦副摩擦学性能影响较大的问题，将不同hBN含量的Si3N4-hBN陶瓷复合材料与奥氏体不锈钢0Cr18Ni9Ti(ASS)配副进行摩擦试验研究，并选用常规金属材料45钢（45#）作为另一配副材料进行对比试验研究，旨在系统探究空气环境条件下，外因与内因对Si3N4-hBN/金属摩擦副摩擦磨损性能的交互影响作用。采用MMW-1型立式万能摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验，借助扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)以及激光扫描显微镜(LSM)等测试分析手段，观察了试样摩擦表面和磨屑的微观形貌，分析了磨屑和摩擦表面膜的物相组成，并借助红外热像仪测量摩擦副间的摩擦温度，从而揭示各内外因素对摩擦副摩擦学性能的影响以及交互影响效应。通过分析与研究，得出结论如下:
　　空气环境条件下，载荷一定(10N)时，速度的增大使Si3N4-hBN/ASS摩擦副的摩擦因数有所下降。当hBN含量为10％（即Si3N4-10％hBN，记作SN10，下文中不同hBN含量的复合陶瓷销试样采取相同的记法，分别为SN0、SN5、SN10、SN20和SN30）时，SN10/ASS配副的摩擦因数由0.52m/s时的0.69降低到0.86m/s时的0.51，再降低到1.73m/s时的0.12，此时，与SN10销试样配副的ASS盘试样摩擦表面形成了以Fe2O3、SiO2和B2O3为主要成分的表面膜，该膜保护并润滑摩擦表面，使SN10/ASS配副获得了较好的摩擦学性能，且SN10销试样磨损率为-6.5×10-6 mm3·N-1m-1，与其配副的ASS盘试样磨损率最小，为1.26×10-5 mm3·N-1m-1; Si3N4-hBN/ASS摩擦副磨损机理主要以粘着磨损为主。相同条件下，Si3N4-hBN/45#摩擦副的摩擦因数整体高于Si3N4-hBN/ASS摩擦副，尤其是速度为1.73m/s时，SN10/45#配副的摩擦因数高达1.38，45#盘试样摩擦表面非常粗糙，有明显的犁沟磨损和剥落，摩擦表面上的氧化产物未能成膜，无润滑作用;Si3N4-hBN/45#摩擦副磨损机理主要以磨粒磨损和粘着磨损为主。
　　载荷对Si3N4-hBN/ASS摩擦副的摩擦学性能影响较为显著，载荷的增大能够降低摩擦副的摩擦因数，而当载荷继续增大时，摩擦因数再次升高。在速度一定的（0.52m/s）条件下，当载荷为20N时，SN0/ASS、SN20/ASS配副磨损机理以磨粒磨损和粘着磨损为主，SN30/ASS配副磨损机理以磨粒磨损为主;SN10/ASS配副的摩擦因数从10N时的0.69降低到20N时的0.27，随后又上升到30N时的0.48，50N时的0.74;销、盘试样的磨损率随载荷的增大均有所上升;载荷为20N时，与SN10销试样配副的ASS盘试样摩擦表面形成了以Fe2O3和SiO2为主要成分的表面膜，保护和润滑了摩擦表面，与此同时，SN10表面形成的磨屑层有效地避免了销盘的直接接触，对摩擦表面起到了一定的保护作用，因此SN10/ASS配副表现出了较好的摩擦学行为。相同条件下，Si3N4-hBN/45#摩擦副的摩擦因数整体高于Si3N4-hBN/ASS摩擦副的摩擦因数，尤其当载荷为50N时，SN30/45#配副的摩擦因数高达1.49;所有盘试样磨损率均较高。
　　hBN的加入能有效改善Si3N4复相陶瓷的自润滑性能，当hBN含量为10％时，摩擦副获得了较好的摩擦学性能;而当hBN含量较高时，因Si3N4-hBN销试样物理力学性能变差而导致摩擦副体现出较差的摩擦学性能;且速度和载荷的增大引起摩擦副间摩擦温度的升高，为摩擦表面剥落坑中堆积的磨屑发生摩擦化学反应并形成表面膜创造了有利条件，而当摩擦温度过高时，破坏了摩擦化学反应膜的形成机理，使得摩擦副间摩擦因数上升。
　　不锈钢中所含合金元素（Ni、Cr、Ti等）提高了其硬度、韧性、耐磨性等，且在摩擦过程中，ASS盘试样摩擦表面因摩擦诱发马氏体相变而形成硬化层，表面硬度有所提高，为表面膜的形成提供了条件;而45钢，由于本身韧性较差，且不能发生相变，摩擦过程中磨损形式表现为粘着、剥落和凹坑，这种情况下摩擦表面上氧化物难以成膜，不能起到润滑作用。
　　总的来说，在空气环境条件下，内部因素和外部因素共同作用时对Si3N4-hBN/ASS摩擦副的摩擦学性能能够产生显著影响。本论文中，在变速度条件下，当线速度为1.73m/s时，SN10/ASS配副获得了最好的摩擦学性能;在变载荷条件下，当载荷为20N时，SN10/ASS配副获得了最好的摩擦学性能。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题的研究背景

1．2 陶瓷摩擦学

1．2．1 摩擦磨损简介

1．2．2 陶瓷的结构特性与摩擦磨损性能

1．2．3 Si3N4基陶瓷复合材料

1．3 国内外研究现状

1．3．1 速度对陶瓷复合材料摩擦学性能影响的研究现状

1．3．2 载荷对陶瓷复合材料摩擦学性能影响的研究现状

1．3．3 陶瓷／金属摩擦副摩擦学性能的研究现状

1．4 课题研究的主要内容和目的意义

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究目的和意义

2 试样制备和试验方法

2．1 试样制备

2．1．1 金相试样的制备

2．1．2 Si3N4-hBN陶瓷复合材料的制备与性能

2．2 试验方法

2．2．1 试验流程

2．2．2 摩擦磨损试验机

2．2．3 摩擦副配副方式与试验参数

2．2．4 摩擦因数和磨损率的测定

2．3 测试与分析方法

2．3．1 摩擦表面观察与分析

2．3．2 试样直切面的制备与分析

2．3．3 销-盘摩擦副间摩擦温度的测量

2．4 本章小结

3 速度对Si3N4-hBN／金属摩擦副摩擦学性能的影响

3．1 Si3N4-hBN／ASS摩擦副的摩擦试验结果与分析

3．1．1 摩擦试验结果

3．1．2 摩擦试验结果分析

3．2 Si3N4-hBN／45#摩擦副的摩擦试验结果与分析

3．2．1 摩擦试验结果

3．2．2 摩擦试验结果分析

3．3 本章小结

4 载荷对Si3N4-hBN／金属摩擦副摩擦学性能的影响

4．1 Si3N4-hBN／ASS摩擦副的摩擦试验结果与分析

4．1．1 摩擦试验结果

4．1．2 摩擦试验结果分析

4．2 Si3N4-hBN／45#摩擦副的摩擦试验结果与分析

4．2．1 摩擦试验结果

4．2．2 摩擦试验结果分析

4．3 本章小结

5 外部因素与内部因素对Si3N4-hBN陶瓷复合材料摩擦学性能的交互影响效应

5．1 红外热像仪及其原理简介

5．2 外因对Si3N4-hBN陶瓷复合材料摩擦学性能的影响

5．2．1 速度对Si3N4-hBN陶瓷复合材料摩擦学性能的影响

5．2．2 载荷对Si3N4-hBN陶瓷复合材料摩擦学性能的影响

5．3 内因对Si3N4-hBN陶瓷复合材料摩擦学性能的影响

5．3．1 金属组织对Si3N4-hBN陶瓷复合材料摩擦学性能的影响

5．3．2 hBN含量对Si3N4-hBN陶瓷复合材料摩擦学性能的影响

5．4 外因与内因对Si3N4-hBN陶瓷复合材料摩擦学性能的交互影响效应

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

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