環(huán)境因素對Si3N4-hBN復(fù)合陶瓷摩擦學(xué)性能影響的研究.pdf

1、現(xiàn)今，學(xué)者在摩擦學(xué)領(lǐng)域針對Si3N4-hBN（氮化硅基六方氮化硼）復(fù)合陶瓷的摩擦磨損性能的研究日益增多，但研究結(jié)果卻莫衷一是，且大量研究集中在載荷或速度對其摩擦性能的影響，關(guān)于溫度和相對濕度對其影響的研究甚少。本論文為國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51405278)一部分，旨在研究相對濕度及溫度對Si3N4-hBN復(fù)合陶瓷的摩擦學(xué)特性的影響。分析不同溫度及相對濕度時(shí)摩擦化學(xué)反應(yīng)過程及表面膜成分，討論hBN含量和環(huán)境因素對其摩擦性能的影響。

2、>　　本文采用MMW-1型立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對Si3N4-hBN復(fù)合陶瓷銷與奧氏體不銹鋼盤配副進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，研究不同濕度（30％RH、60％RH及90％RH）和溫度（25℃、50℃及150℃）Si3N4-hBN的摩擦學(xué)行為。試驗(yàn)條件為速度0.87m·s-1，磨程1000m，載荷10N，hBN體積含量從0％增加到30％。采用SEM和EDS分析摩擦副的摩擦表面形貌及物質(zhì)組成;使用LSM對Si3N4-hBN與不銹鋼摩擦副的表面輪廓及粗

3、糙度進(jìn)行分析;采用XPS對摩擦面元素進(jìn)行化學(xué)價(jià)態(tài)分析。研究結(jié)果表明:
　　(1)濕度對Si3N4-hBN復(fù)合陶瓷與不銹鋼配副時(shí)摩擦性能影響較大，在60％RH時(shí)，Si3N4-10％hBN與不銹鋼配副的摩擦因數(shù)極小，達(dá)到不可思議的0.03。在30％RH時(shí)，氮化硅基陶瓷與不銹鋼配副摩擦因數(shù)維持在0.27～0.41之間，銷的磨損率在10-5mm3·N-1m-1的數(shù)量級上;隨著相對濕度增加到90％RH，摩擦因數(shù)較60％RH略有上升，維持在0

4、.14～0.26之間，銷磨損率與30％RH時(shí)持平。
　　(2)Si3N4-10％hBN與不銹鋼摩擦副在60％RH時(shí)其摩擦性能表現(xiàn)極好，對其磨損機(jī)理進(jìn)行分析主要為摩擦化學(xué)磨損，水分子的存在增加了磨屑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的可能，避免了磨粒磨損的產(chǎn)生。摩擦表面的Fe、B、Si發(fā)生氧化和水解，形成含B2O3、H3BO3和SiO2的膜可以有效的減少陶瓷/金屬的直接接觸，從而減低摩擦因數(shù)減少磨損量，固體潤滑劑hBN減摩效果明顯。
　　(3)溫度

5、對Si3N4-hBN復(fù)合陶瓷與不銹鋼配副時(shí)摩擦性能影響亦較大。在25℃下，Si3N4-hBN復(fù)合陶瓷配副不銹鋼時(shí)摩擦因數(shù)維持在0.27～0.41之間，銷的磨損率在10-5mm3·N-1m-1數(shù)量級上;隨著溫度的升高，Si3N4-hBN復(fù)合陶瓷試樣與奧氏體不銹鋼配副時(shí)摩擦因數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在溫度為50℃時(shí)，其摩擦學(xué)性能整體表現(xiàn)不好，摩擦因數(shù)平均值為0.404，最大值為Si3N4-0％hBN配副不銹鋼時(shí)的0.87，磨損率為7.1×

6、10-mm3·N-1m-1;溫度在150℃時(shí)，陶瓷的摩擦學(xué)性能隨著固體潤滑劑hBN含量的增加逐漸變好，在Si3N4配副不銹鋼時(shí)摩擦因數(shù)最大為0.72，而最小為Si3N4-20％hBN配副不銹鋼，僅為0.13，磨損率都在10-5mm3·N-1m-1數(shù)量級上，說明在較高溫度下固體潤滑劑hBN的減摩作用明顯。
　　(4)Si3N4-20％hBN與不銹鋼摩擦副在150℃時(shí)摩擦性能表現(xiàn)良好，磨損機(jī)理主要是以化學(xué)磨損為主。銷試樣表面光滑平整，

7、無明顯磨粒產(chǎn)生，且產(chǎn)生均勻平整的摩擦化學(xué)反應(yīng)膜。部分磨屑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并附著摩擦表面，有效的改善了Si3N4-hBN陶瓷復(fù)合材料摩擦學(xué)性能。同時(shí)，由于摩擦化學(xué)產(chǎn)物SiO2的硬度較Si3N4低，其在較高溫度下具有較大的塑性變形能力，能使磨損中顆粒的脆性斷裂減少，導(dǎo)致磨損由磨粒磨損的程度被削弱，從而使磨損降低。
　　(5)對Si3N4-hBN配副不銹鋼摩擦表面發(fā)生的摩擦化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行分析，通過熱力學(xué)原理，計(jì)算出在摩擦表面發(fā)生的摩擦化學(xué)反應(yīng)