摩擦学性能与研究.doc

页眉... 页脚. Si 3N 4 -hBN 陶瓷材料在水润滑条件下的摩擦化学行为摘要: 本文的主要目的是研究在 Si 3N 4 -hBN 中添加不同体积分数的六方氮化硼( hBN )制成的复合材料在蒸馏水润滑条件下的摩擦学性能。本次水润滑滑动测试 Si 3N 4 作为摩擦副,使用销- 盘式摩擦磨损试验机上进行检测。结果表明, 在滴定法水润滑条件下, 随着六方氮化硼相对于 Si 3N 4 的体积的增加, 摩擦副的摩擦因数也会急剧的下降,由纯 Si 3N 4 自配副的 降至 Si 3N 4 -20vol. % hBN/Si 3N 4 摩擦副的 ; 在浸入法水润滑条件下, Si 3N 4 -hBN/ Si 3N 4 摩擦副的摩擦因数会降至 。利用扫描型电子显微镜( SEM ) 、激光扫描显微镜和 X 射线光电子能谱( XPS )对摩擦表面的形貌和化学特性进行分析。分析显示, 在滴定法水润滑条件下, Si 3N 4 -hBN 复合材料中的 hBN 在摩擦试验过程中被剥离产生磨屑, Si 3N 4 -hBN 复合材料的摩擦表面上形成了剥落坑,然后磨屑有落入剥落坑中与水发生化学反应,从而在摩擦表面上形成了一层摩擦膜。在滴定法水润滑条件下,该膜使得 Si 3N 4 -hBN 与纯 Si 3N 4 之间的摩擦表面变得光滑,而在浸入法水润滑条件下,磨屑会被水带走,摩擦表面发生化学抛光,使摩擦表面变的光滑。关键词: 摩擦学,复合陶瓷,氮化硅,水润滑 1 引言氮化硅系陶瓷由于其具有高硬度、高刚度、高耐热性[1-5] 、优异的化学和机械稳定性, 被广泛用于密封件,发动机零部件和高速切削工具。尤其是 Si 3N 4 -hBN 复合材料具有一系列独特的性能,即低氧化性和良好的可加工性等相对较高的物理机械性能[6]。现今人们普遍认为适用于无润滑摩擦设备的材料符合以下标准: 摩擦因数低于 ; 磨损率 1× 10 -6 mm 3·N -1·m -1 ;摩擦和磨损受滑动速度影响小;摩擦磨损受环境温度影响小[7] 。然而,已经证明的是, 在干摩擦和正常环境下纯 Si 3N 4 摩擦副的摩擦因数和磨损率都是非常高的。六方氮化硼( hBN ) 是一种众所周知的自润滑材料。为了进一步提高 Si 3N 4 的摩擦学性能可以添加 hBN 。 Si 3N 4 -hBN 复合材料的也已经被检测[8-13] 。 Skopp and Woydt [14] 研究了关于 Si 3N 4 陶瓷与不同数量的六方氮化硼在无润滑条件下的摩擦学性能。结果显示,纯 Si 3N 4 自配副的摩擦因数为 ~ 。当 hBN 的添加两提高到 20wt% 时, 在室温条件下, 摩擦因数降低到 ~ , 与纯 Si 3N 4 自配副相比, 磨损率也降低到 1/5 。而摩擦因数和磨损率的降低是由于在摩擦表面形成了能的固体润滑剂(如 BN ·H 2 O) 和柔性氧化物(如H 3 BO 3), 这两种物质因其具有三斜晶和独特的粘结性能而使摩擦学性能得到改善。 Carrapichano [15] 曾指出, 在不添加润滑剂的情况下,增加 hBN 相对于 Si 3N 4 的比重,能够轻微的改善摩擦副在室温环境下的摩擦学性能。纯 Si 3N 4自配副的摩擦因数为 , Si 3N 4 -10vol% 自配副的摩擦因数为 。但没有发现固体润滑剂 BN ·H 2O或柔性氧化物 H 3 BO 3 的稳定保护膜的形成。作者认为摩擦学性能的改善是由于 Hbn 的基底层在摩擦中易被剥离。 Iwasa 和 Kakiuchi[16] 研究了在干摩擦条件下, Si 3N 4 -hBN(hBN 的比重为 2-30wt%) 摩擦副的摩擦学性能。研究表明, 当在 Si 3N 4 中添加超过 20wt% 的 hBN 时, 摩擦副的磨损率会下降一个数量级到 10 -6 mm 3·N -1·m -1 。然而,在研究过程中并没有发现减摩效果,摩擦因数仍然高于 。 Saito [9,17] 等人利用烧结 Si 3N 4和 Si 3N 4 -hBN( 比重为 30-100wt%) ,研究就其在蒸馏水润滑条件下的摩擦学性能。结果发现, 在转速为 , 载荷为 时, Si 3N 4 - wt% hBN/ Si 3N 4 摩擦副的摩擦因数为 , 高于 Si 3N 4/ Si 3N 4 摩擦副时 。作者指出,在 Si 3N 4 -hBN 复合材料中没有发现包括摩擦中的化学反应页眉... 页脚. 产物和水的液体膜的显著作用,因为没有发现镜面光滑的表面。但高博士等人[18] 在研究滴定法水润滑条件下 Si 3N 4- 铸铁摩擦副的