结构陶瓷摩擦副摩擦磨损特性研究

摘要

随着当今科学技术的高速发展，新材料已经成为高科技发展的基础。其中新型陶瓷材料以其高硬度、高耐磨、抗腐蚀和低密度，以及优异的化学稳定性和高温下优良的力学性能等优点，正在逐渐被人们认识，尤其作为耐磨损材料，在许多领域得到了广泛的应用。但在使用过程中发现，不同陶瓷材料以及在同种陶瓷材料基础上添加不同成分制备而成的陶瓷，其组成摩擦副的摩擦磨损性能是不同的。另外由于大量的摩擦副在使用中都采用了不同形式的润滑，干摩擦在许多情况下只是摩擦副工作的一种特殊与极端的服役条件，虽然不断有研究报道涉及，但仍缺乏系统的研究。因此，寻求干摩擦条件下的最优摩擦副，日益引起人们的重视。 本文以A12O3、Si3N4、SiC和ZrO2陶瓷材料为研究对象，以纯Si3N4陶瓷球为摩擦对偶件，对四组摩擦副进行了干摩擦磨损性能研究，并在A12O3/Si3N4、Si3N4/Si3N4两组摩擦副的基础上，分别引入了不同的二相增强增韧颗粒(Ti(C，N)、SiC、ZrO2、TiC)，共组成八对摩擦副：A12O3/Si3N4、A12O3-Ti(C,N)/Si3N4、A12O3-SiC/Si3N4、ZTA/Si3N4、Si3N4/Si3N4、Si3N4-TiC/Si3N4、SiC/Si3N4、ZrO2/Si3N4。重点分析了增强相种类对A12O3/Si3N4、Si3N4/Si3N4基础陶瓷摩擦副干摩擦磨损性能的影响，并探讨了各种陶瓷材料的磨损机理。 在室温、干摩擦、恒定转速、载荷变化的条件下对不同摩擦副进行球-块摩擦磨损实验，通过对不同摩擦副的摩擦系数、磨损率随载荷变化的关系曲线以及磨损形貌的电镜分析表明： 添加不同成分的A12O3、Si3N4基陶瓷材料的摩擦系数和磨损率均有不同程度改变。A12O3基陶瓷材料的摩擦系数和磨损率随载荷的增加而增大，其中添加增韧补强剂的AlO3基陶瓷材料相对纯A12O3陶瓷而言，摩擦系数和磨损率值较低；Si3N4基陶瓷材料的磨损率随载荷的增加均增大，摩擦系数变化趋势稍有不同，Si3N4的摩擦系数随载荷增加而下降，Si3N4-TiC随载荷增加而增大，在低载荷时摩擦系数仅为0.29，磨损率数量级10-9cm3/m·N，表现出优良的耐磨性能。以上结果表明不同增强相的引入对陶瓷摩擦副的摩擦磨损性能有很大影响。 通过对磨损实验结果的分析，对各组摩擦副的磨损等级分别进行了划分，揭示了各摩擦副存在磨粒磨损、粘着磨损、晶粒脆性断裂和脱落、分层磨损等摩擦磨损过程。其中，对于纯A12O3陶瓷磨损机理主要是以脆性断裂和晶粒剥落为主；而对于颗粒增韧的A12O3-SiC、A12O3-Ti(C，N)陶瓷主要是磨粒磨损；ZrO2相变增韧的ZTA陶瓷材料以磨粒磨损和粘着磨损为主。Si3N4磨损机制主要是磨粒对试样表面的微观犁削和脆性剥落，对于Si3N4-TiC陶瓷材料而言磨粒犁削基体后，造成了硬质相TiC颗粒剥落，随后剥落的TiC颗粒又作为磨粒对试样产生更大的磨损。 通过八对摩擦副摩擦磨损性能的研究以及不同增强相的添加对摩擦副影响的分析，进一步丰富和完善了摩擦学研究数据，为选择陶瓷摩擦副提供了相关的参考和依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1概述

1.1.1陶瓷材料的国内外研究现状

1.1.2 Al2O3基陶瓷材料的研究现状

1.1.3 Si3N4基陶瓷材料的研究现状

1.1.4结构陶瓷摩擦磨损的研究现状

1.2摩擦磨损的基本理论

1.2.1摩擦机理

1.2.2磨损机理

1.3结构陶瓷的摩擦学特性及影响因素

1.3.1陶瓷摩擦副摩擦磨损特性

1.3.2影响结构陶瓷摩擦磨损的因素

1.4结构陶瓷的晶体结构、分类及应用

1.4.1晶体结构

1.4.2分类

1.4.3应用

1.5本课题研究的目的、意义及主要研究内容

1.5.1本课题研究的目的、意义

1.5.2本课题的主要研究内容

第二章实验过程与实验方法

2.1实验设计流程

2.2试样的成分和试样制备

2.2.1组分设计

2.2.2初步计算

2.2.3试样制备

2.2.4试样后处理

2.3试样性能的测试方法及其原理

2.3.1体积密度的检测

2.3.2抗弯强度的测定

2.3.3维氏硬度的测量

2.3.4断裂韧性的测量

2.4样品的主要物理机械性能

2.5摩擦磨损实验方法

2.5.1实验设备

2.5.2实验参数的检测

2.6磨损表面的形貌分析

第三章结构陶瓷摩擦副摩擦特性的实验研究

3.1 Si3N4球与Al2O3基块在室温干摩擦条件下的摩擦特性比较

3.1.1摩擦系数的变化规律

3.1.2磨损率的变化规律

3.1.3结论

3.2 Si3N4球与Si3N4、Si3N4-TiC块在室温干摩擦条件下的摩擦特性比较

3.2.1摩擦系数的变化规律

3.2.2磨损率的变化规律

3.2.3结论

3.3 Si3N4球与SiC、ZrO2块在室温干摩擦条件下的摩擦特性比较

3.3.1摩擦系数的变化规律

3.3.2磨损率的变化规律

3.3.3结论

3.4 Al2O3-Ti(C,N)/Si3N4、ZrO2/Si3N4、Si3N4-TiC/Si3N4摩擦副在室温干摩擦条件下的摩擦特性比较

3.4.1摩擦系数及各摩擦副球、块磨损图

3.4.3结论

3.5本章小结

第四章结构陶瓷摩擦副的磨损机理分析

4.1力学性能对陶瓷材料耐磨性的影响规律

4.1.1硬度和弹性模量对磨损率的影响

4.1.2断裂韧性对磨损率的影响

4.2Al2O3基陶瓷材料的磨损机理分析

4.2.1纯Al2O3陶瓷材料的磨损机理

4.2.2Al2O3基陶瓷材料的磨损机理

4.3 Si3N4、Si3N4-TiC陶瓷材料的磨损机理分析

4.4 SiC、ZrO2陶瓷材料的磨损机理分析

4.5本章小结

第五章结论与展望

5.1本文主要结论

5.2后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文