陶瓷復合材料與金屬配副的摩擦學特性研究.pdf

1、本課題來源于國家自然科學青年基金項目（51405278）。論文針對海水環(huán)境、干摩擦和純水環(huán)境下，Si3N4-hBN陶瓷復合材料與金屬配副的摩擦學特性進行了研究，重點對海水環(huán)境下摩擦副摩擦磨損機理和潤滑進行了深入的探討，系統(tǒng)地進行了不同外部因素（速度、載荷）以及內(nèi)部因素（hBN的含量）下 Si3N4-hBN復合陶瓷與軸承鋼（GCr15）配副的摩擦學性能試驗。旨在探究海水環(huán)境下內(nèi)外因素對 Si3N4-hBN/金屬摩擦副的摩擦磨損性能的交互影

2、響。利用 MMW-1型立式萬能摩擦磨損試驗機進行摩擦學試驗，借助掃描電子顯微鏡(SEM）、X射線衍射儀（XRD）、X射線光電子能譜儀（XPS）和拉曼光譜（Raman）等測試分析手段，觀察和分析摩擦表面的微觀形貌和物相組成。本論文完成的研究工作如下所述：
　?。?）本論文研究了在海水環(huán)境下，載荷和速度對Si3N4-hBN/GCr15摩擦副的摩擦學性能的影響。結果表明，載荷的增大不能有效地降低摩擦副的摩擦因數(shù)和磨損率，當載荷持續(xù)增大至

3、30N，摩擦因數(shù)達1.41，盤的磨損率能達到8.8×10-5mm3/Nm；另一方面，隨著速度的增大，摩擦因數(shù)和磨損率顯著降低。綜合來看，當載荷為10N，速度為1.73m/s時， Si3N4-hBN/GCr15摩擦副獲得最佳的摩擦學特性，摩擦因數(shù)低至0.03，銷和盤的磨損率均不超過1.4×10-5mm3/Nm。當速度一定時（0.52m/s），載荷變化為10N時，摩擦副的磨損機制以粘著磨損和腐蝕磨損為主，其中Si3N4-10％hBN（即hB

4、N含量為10wt.%，記為SN10）與GCr15配副的摩擦因數(shù)可降低至0.2，這主要歸因于摩擦表面發(fā)生了摩擦化學反應，生成具有較好潤滑特性的摩擦產(chǎn)物，對摩擦副具有邊界潤滑作用；當載荷增加至20N和30N時，摩擦表面不能形成有效的保護物質(zhì)，摩擦因數(shù)在0.4~1.4之間。當載荷一定時（10N），速度變化為0.86m/s時，摩擦副的因數(shù)在0.21~0.48之間；當速度增至1.73m/s，摩擦副的摩擦因數(shù)大幅度降低至0.03~0.25之間，這主

5、要是速度的增大促進了表面的摩擦化學反應，使摩擦表面形成了更加完整的自潤滑物質(zhì)，使摩擦副進入了流體潤滑狀態(tài)。
　　（2）干摩擦條件下，在載荷為10N，速度為1.73m/s時，Si3N4-hBN/GCr15摩擦副的摩擦因數(shù)最低為0.49，銷和盤的磨損率整體較大，其磨損機制為磨粒磨損和粘著磨損；純水環(huán)境下，在相同的載荷和速度條件下，摩擦因數(shù)有一定幅度的降低至0.06，銷的磨損率降低至3.23×10-6mm3/Nm，均高于海水環(huán)境下的摩擦

6、因數(shù)和磨損率。
　?。?）在海水環(huán)境和純水環(huán)境下，hBN的加入顯著地降低了Si3N4-hBN/GCr15摩擦副的摩擦因數(shù)和磨損率。例如，在海水環(huán)境下，當載荷為10N，速度是1.73m/s時，隨著hBN的添加，摩擦因數(shù)由純Si3N4的0.5降至SN10的0.03。這主要是歸因于兩方面：一方面， hBN本身自潤滑性，能夠?qū)δΣ帘砻嫫鸬揭欢ǖ臏p摩作用；另一方面，Si3N4和hBN會與水分子發(fā)生摩擦化學反應，同時 Si3N4-hBN在摩擦

7、過程中易在表面形成剝落坑，反應產(chǎn)物堆積在剝落坑中并被拖曳成膜，起到保護和潤滑的作用。
　?。?）在海水環(huán)境下，Si3N4-hBN復合陶瓷表現(xiàn)出更優(yōu)異的摩擦學特性。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在海水環(huán)境中反應產(chǎn)物SiO2是以膠體的形式存在，而純水中由于沒有 Na+、Cl-等離子的凝聚作用，所以 SiO2很容易被水流帶走，這就導致在摩擦表面形成的潤滑膜較薄，無法實現(xiàn)有效的潤滑作用；而海水中含有的Na+、Cl-能夠加劇SiO2在摩擦表面凝聚成硅膠， C