不同摩擦副中Si3N4陶瓷摩擦磨损特性研究

奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti是难切削材料之一。本研究采用一种销盘试验机,模似陶瓷刀具实际切削加工时使用状况,考察了Si_3N_4/不锈钢摩擦副的摩擦学性能,并着重考察了与不锈钢对磨时Si_3N_4陶瓷的磨损特性。作为比较,对Si_3N_4/45号钢摩擦副的摩擦磨损性能也进行了较为详细的考察。试验结果表明,相同试验条件下,Si_3N_4/不锈钢中Si_3N_4,陶瓷的磨损率比Si_3N_4/45~#钢摩擦副中Si_3N_4的磨损率约大2个数量级。润滑剂对两种摩擦副摩擦磨损性能的影响也有很大差别。借助扫描电镜,X光电子能谱,俄歇电子能谱等多种分析手段对Si_3N_4陶瓷的磨损机理进行了分析,并对两种摩擦副中Si_3N_4磨损率的差别作了讨论。     

WC-Al2O3复合材料与Si3N4陶瓷和YG6硬质合金配副时的摩擦磨损行为

采用真空热压烧结技术制备了WC-15%Al_2O_3(质量分数)复合材料,分别以Si_3N_4陶瓷和YG6硬质合金为配副,在载荷40,80N下进行了干滑动摩擦磨损试验,研究了复合材料的摩擦磨损性能。结果表明:与Si_3N_4陶瓷配副时复合材料的摩擦因数较高且波动较大,与YG6硬质合金配副时摩擦因数较低且相对稳定;与Si_3N_4陶瓷配副时,复合材料的磨损率在较低载荷下高于与YG6硬质合金配副时的,在较高载荷下则低于与YG6硬质合金配副时的;在载荷40,80N下,复合材料的磨损机制均主要为疲劳磨损,伴随着微裂纹、脆性断裂和晶粒拔出等特征。     

摩擦配副材料对TC4钛合金微动磨损行为的影响

为合理选用接触副材料以减缓钛合金的微动失效,采用SRV-IV微动摩擦磨损试验机,研究不同载荷条件下,摩擦配副材料GCr15和Si_3N_4对TC4钛合金微动磨损行为的影响。结果表明:较低载荷下选择高硬度的Si_3N_4陶瓷作为摩擦配副更理想,而高载荷下选择GCr15钢作为摩擦配副更理想;TC4钛合金与GCr15钢对磨的磨损机制为磨粒磨损和疲劳磨损,磨损率随载荷增大而减小;Si_3N_4/TC4组成的摩擦副对摩过程中,磨屑的形成过程伴随有硅的水化物产生,使形成的磨屑黏性增加,载荷较小时磨屑易粘结形成致密的第三体层覆盖在TC4钛合金表面,起润滑、承载和隔离摩擦副的作用,降低材料的磨损率;载荷较大时,第三体层在磨粒磨损和黏着磨损作用下从TC4钛合金表面脱落,摩擦副直接接触,磨损率升高。     

TiNi60合金与钢球和陶瓷球配副的摩擦学性能对比分析

分别采用GCr15钢球和Si_3N_4陶瓷球与TiNi60合金盘为摩擦配副,使用CETRUMT-2摩擦磨损试验机、MM-3型金相显微镜和TR200粗糙度仪综合考察了TiNi60合金在不同载荷和频率下的摩擦因数、表面形貌、磨痕轮廊和磨损量。实验结果表明:Si_3N_4陶瓷球与TiNi60合金配副时摩擦因数小于GCr15钢球与TiNi60合金配副;Si_3N_4陶瓷球与TiNi60合金对磨过程中的犁沟作用小于GCr15钢球与TiNi60合金配副,磨痕较平滑;Si_3N_4陶瓷球与TiNi60合金对磨后磨痕深度较浅,磨痕长度较长,并且随着载荷的增加,磨痕深度和长度的增加程度均小于GCr15钢球。表明Si_3N_4陶瓷球与TiNi60合金配副的摩擦学性能优异,该摩擦配副更适合作为低速轻载轴承用于摩擦学领域。     

载荷对MoSi_2/Si_3N_4配对副高温磨损性能的影响

在XP-5高温摩擦磨损试验机上考察了MoSi2/Si3N4配对副在1 000 ℃、0.126 m/s滑动速度以及不同载荷条件下的摩擦磨损性能,通过扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对MoSi2/Si3N4配对副磨损表面进行了分析.结果表明:MoSi2/Si3N4配对副在1 000 ℃高温滑动时,MoSi2的摩擦因数随载荷的增大而降低,其磨损率则呈上升的趋势;随着载荷的增加,MoSi2的磨损机制依次表现为氧化、粘着、研磨和疲劳断裂.Si3N4盘的主要磨损形式为粘着和氧化,氧化增重引起其磨损率为负值.     

纳米ZrO2增强CoCrW基复合材料的制备及高温摩擦学性能研究*

采用粉末冶金技术制备纳米级ZrO_2陶瓷颗粒增强的CoCrW基复合材料,使用扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪等分析复合材料的微观形貌和物相组成,通过球-盘式高温摩擦试验机,研究复合材料与Si_3N_4球配副在室温至1 000℃下的摩擦学性能。结果表明:ZrO_2陶瓷颗粒显著提高了复合材料的硬度;复合材料摩擦因数随温度的升高先小幅下降然后升高,并随温度的进一步升高而减小,磨损率随着温度的升高先增大后下降并趋于稳定,其中含ZrO_2复合材料在高温下具有更低的摩擦因数和磨损率,表明ZrO_2陶瓷颗粒显著提高了复合材料的高温耐磨性能。在低温下ZrO_2陶瓷颗粒增强CoCrW基复合材料表现出不同程度的磨粒磨损和塑性变形,高温下的磨损机制为氧化磨损。     

Al2O3和C短纤维混杂增强铝基复合材料高温耐磨性能的研究

利用预制体挤压浸渗法制备了Al2O3+C /ZL109短纤维混杂金属基复合材料,并探讨了该混杂复合材料的高温(≤400℃)摩擦磨损性能.结果表明在试验温度范围内,混杂复合材料的磨损率低于基体合金及单一增强的复合材料.12%Al2O3+ 4%C /ZL109混杂复合材料从轻微磨损到急剧磨损的临界转变温度比基体合金提高了一倍.当环境温度低于临界转变温度时,混杂复合材料的摩擦因数随着Al2O3体积分数的升高而不断增大,而磨损率在12%时取得最低值.在此阶段,基体及复合材料的磨损机制主要为犁沟磨损和轻微的粘着磨损,而随着试验温度的进一步升高并超过临界温度时,主要磨损机制转变为严重的粘着磨损.     

浸渍磷酸盐石墨与9Cr18Mo不锈钢配副的摩擦磨损性能研究

针对航空发动机石墨密封常用的摩擦副浸渍磷酸盐石墨(M234Ao)和9Cr18Mo不锈钢材料,在UMT-TriboLab试验机上进行球-盘、销-盘接触摩擦试验,研究其低速轻载、高速重载工况以及干摩擦、油润滑下的摩擦磨损性能,利用接触式形貌仪、金相显微镜等对摩擦副表面进行观察分析,并分析其磨损机制。结果表明：在油润滑及面-面接触下的摩擦因数和磨损率明显低于干摩擦和点-面接触下;添加油介质可以降低界面摩擦剧烈程度,抑制金属氧化以及降低摩擦因数,特别是在高速重载工况下;M234Ao和9Cr18Mo配副间的磨损机制以磨粒磨损和黏着磨损为主,伴随有犁沟、微裂纹及擦伤现象。     

表面渗铜铈合金钢在干摩擦条件下的摩擦磨损性能

为提高采煤机滑靴在干摩擦条件下的抗磨损性能，采用双层辉光离子渗金属技术对滑靴用18Cr2Ni4W合金钢表面进行渗铜铈处理，通过环-块摩擦磨损实验机在不同载荷和滑动速率下考察其干摩擦条件下的摩擦学性能，并与45#钢和18Cr2Ni4W合金钢的摩擦学性能和磨损机制进行比较。结果表明：表面渗铜铈的18Cr2Ni4W合金钢在不同载荷和滑动速率条件下表现出最低的摩擦因数和磨损率，45#钢呈现出最高的摩擦因数和磨损率，这表明通过表面渗铜铈改善了18Cr2Ni4W合金钢的减摩抗磨性能；摩擦过程中，45#钢的磨损机制为犁沟和黏着磨损，18Cr2Ni4W合金钢的磨损机制为犁沟和轻微的黏着磨损，表面渗铜铈的18Cr2Ni4W合金钢表现出犁沟和轻微的剥落磨损特征。     

磁场作用下45钢/45钢稳定摩擦的磨损机制

为研究不同强度磁场作用下45#钢自配副的磨损机制及磁场强度与磨损率的关系,在不同强度磁场作用下进行45钢自配副的销、盘干摩擦试验,分析销试样的磨损性能及其磨损面的形貌、化学成分。结果表明:随着磁场强度增加,销试样磨损率经历快速减小、缓慢减小和基本稳定3个连续变化阶段,使其由严重磨损转变为轻微磨损的临界磁场强度约为17. 4×10~3A/m;无磁场作用时,销试样磨损面存在犁沟,45钢/45钢的磨损类型为磨粒磨损;随着磁场强度的增加,销试样磨损面发生氧化并生成了Fe_2O_3,摩擦过程中氧化物剥落形成凹坑,45钢/45钢的磨损类型主要为氧化磨损;磁场增加使销试样磨损面更加光滑。可以得出:一定强度的磁场使45钢自配副摩擦过程由磨粒磨损转变为氧化磨损,而氧化磨损类型对应45钢自配副的轻微磨损。     

高水基液压阀陶瓷摩擦副摩擦学性能研究

为选择适合的高水基乳化液液压阀摩擦副材料,探讨ZrO2与不同结构陶瓷组成的摩擦副在高水基乳化液润滑状态下的摩擦磨损特性。采用摩擦磨损试验机,在不同载荷和滑动速度下,研究在高水基乳化液介质中4种不同陶瓷材料（ZrO2、Al2O3、Si3N4和SiC）分别与ZrO2配副的摩擦学性能,并探讨不同组合陶瓷摩擦副的磨损机制。结果表明：在高水基乳化液中,各陶瓷的摩擦因数均随着滑动速度的增大而降低,其中Al2O3陶瓷的摩擦因数最小;ZrO2、Al2O3和Si3N4陶瓷的摩擦因数受载荷的影响较小,SiC陶瓷的摩擦因数则随着载荷的增大而骤增;各陶瓷的磨损体积都随着速度和载荷的增大而增大,其中Al2O3/ZrO2陶瓷摩擦副的磨损体积最小,其磨损机制以磨粒磨损和微疲劳磨损为主。研究表明,在不同工况下,Al2O3与ZrO2陶瓷配副的摩擦因数和磨损体积均为最低值,更适合作为高水基乳化液液压阀的摩擦副材料。     

陶瓷与灰铸铁在水润滑条件下滑动摩擦学特性的研究

在Ｍ－２００环一块磨损试验机上研究了蒸馏水润滑条件下Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３陶瓷与灰铸铁（ＨＴ）配副时的滑动摩擦磨损特性，并与这两种陶瓷和０．８％Ｃ钢（Ｔ８）配副相对比；在扫描电镜（ＳＥＭ）下对磨损后的试样表面进行了形貌观察和能谱分析。结果表明：Ｓｉ３Ｎ４／ＨＴ的摩擦系数最小，而且Ｓｉ３Ｎ４与ＨＴ的磨损率均比Ｓｉ３Ｎ４与Ｔ８配副时低得多，其原因是由于在灰铸铁表面形成了一层含石墨的氧化膜；Ａｌ２Ｏ３／ＨＴ与Ａｌ２Ｏ３／Ｔ８的摩擦系数差别不大，但灰铸铁的磨损体积小于Ｔ８。这是由于当Ａｌ２Ｏ３与ＨＴ配副时，很难在ＨＴ表面形成含石墨的表面膜，但ＨＴ中的石墨膜减轻了Ｆｅ向Ａｌ２Ｏ３表面的转移从而降低了磨损。     

新型刀具材料切削大型高锰钢托轮的试验研究

用于露天煤矿大型托轮的高锰钢属于难加工材料。本文采用新型复合SiC、复合Si3N4和TiN涂层硬质合金刀具对高锰钢进行了切削加工对比研究。试验表明:复合SiC刀具是切削高锰钢的较理想刀具,在切削效率和经济效益上均优于TiN涂层硬质合金和复合Si3N4刀具。高锰钢在脆化温度范围内(400℃～800℃)极易导致TiN涂层硬质合金和复合Si3N4脆性破裂,而复合SiC在此时仅发生机械磨损;在切削温度高于高锰钢的脆化温度时,复合SiC和复合Si3N4都会发生扩散磨损。     

Ti3SiC2/SiC复相陶瓷/45#钢摩擦副的摩擦学性能

研究了由热等静压原位合成的Ti3SiC2/SiC复相陶瓷与45#钢在干摩擦和边界油润滑条件下的摩擦磨损特性.结果表明：干摩擦条件下随载荷的变化,占主导地位的磨损机制将发生变化,在低载荷下以磨粒磨损为主,高载荷下以粘着磨损为主;同干摩擦相比,润滑油对摩擦副的摩擦磨损性能的改善均很显著;Ti3SiC2/SiC复相陶瓷的磨损主要由粘着和微断裂引起的.     

Friction and wear of self-mated SiC and Si3N4 sliding in water

The friction and wear of self-mated SiC and Si₃N₄ with different initial roughness sliding in water were investigated with pin-on-disk apparatus at normal load of 5 N and sliding speed of 120 mm/s in ambient condition. It was found that, for self-mated Si₃N₄, the wear mechanism for surface smoothening to obtain low friction was tribochemical wear, but for self-mated SiC, it changed from mechanical wear into tribochemical wear with increasing sliding cycles. After running-in in water, self-mated Si₃N₄ exhibited lower steady-state friction coefficient than self-mated SiC did. For these two ceramics, initial and steady-state friction coefficients were hardly dependent on initial roughness. Initial roughness mainly affected the running-in period. The larger the initial roughness, the longer the running-in period, but the running-in period was much shorter for self-mated Si₃N₄ at each initial roughness than that for self-mated SiC.     

载荷对激光选区烧结Cf/SiC复合材料摩擦磨损性能的影响

通过激光选区烧结技术和液相渗硅工艺制备了碳纤维增强碳化硅（Cf/SiC）复合材料。试样组织由C、SiC和Si三相组成,其密度和弯曲强度分别为2.89±0.01 g/cm3和237±9.8 MPa。采用UMT TriboLab多功能摩擦磨损试验机研究了Cf/SiC复合材料在不同载荷(10 N, 30 N, 50 N和70 N)条件下的摩擦学特性。研究结果表明：载荷较小(10 N)时,Cf/SiC复合材料的磨损由微凸起和SiC硬质点造成,磨损机制为磨粒磨损;载荷为30 N时,复合材料的摩擦磨损综合性能最好,其平均摩擦因数为0.564,磨损率低(5.24×10-7 cm3/（N·m）),主要磨损机制为犁削形成的磨粒磨损和黏结磨损。载荷增大到70N时,材料磨损严重,磨粒脱落形成凹坑,产生裂纹,其磨损率(8.68×10-7 cm3/（N·m）)高,磨损机制主要为脆性剥落。     

液氮介质中Si3N4/9Cr18配副摩擦磨损性能研究

超低温介质中工作的轴承由于不能采用润滑油或脂润滑,其球环材料配副摩擦磨损特性将对轴承的工作性能产生很大影响。采用球盘点接触形式,在5 N载荷和0.4 m/s相对滑动速度下试验研究了超低温全钢轴承和混合式轴承中9Cr18/9Cr18和Si3N4/9Cr18两种球环配副在常温干摩擦和液氮环境中的摩擦磨损性能。结果表明9Cr18/9Cr18配副在低温下由于粘着趋势减弱而使摩擦因数和磨损均低于常温下。Si3N4/9Cr18配副在低温介质中由于试件表面吸附、氧化和摩擦化学反应受到抑制使摩擦因数高于常温下,同样由于无摩擦化学磨损发生,而只是以脆性断裂为主,其磨损低于常温下。Si3N4/9Cr18在常温下摩擦因数低于9Cr18/9Cr18配副,而在低温下则高于9Cr18/9Cr18配副。2种环境中陶瓷/钢配副的磨损均小于相应条件下钢/钢配副的磨损。     

Tribological Behavior and Tribochemistry of Self-mated Ti3SiC2 in Ethanol

The tribological behavior of self-mated Ti₃SiC₂ in low viscosity fluids, that is, water and ethanol, is investigated. The results show that both water and ethanol effectively reduce the friction and wear of self-mated Ti₃SiC₂. The friction coefficient and total wear rates of Ti₃SiC₂ tribo-pair are 0.82 and 2.17 × 10^?2 mm³/N m under dry condition, 0.41 and 6.50 × 10^?4 mm³/N m in water and 0.16 and 2.22 × 10^?4 mm³/N m in ethanol. As sliding distance is prolonged from 0.5 to 22.9 km, the total wear rates of Ti₃SiC₂ in ethanol can be further reduced. Mechanical wear of Ti₃SiC₂ is partly inhibited in water and greatly inhibited in ethanol. Surface polishing of Ti₃SiC₂ pin and tribochemistry are the two distinct characteristics of self-mated Ti₃SiC₂ in ethanol. The surface film in ethanol is composed of TiO₂ and SiO. Tribo-products in ethanol, that is, silica gel and titanium dioxide, are found. Polycondensation of ethanol by the catalysis of TiO₂ and SiO_2?x gives birth to paraffins and olefins.     

Tribological Behavior of Self-mated Ti3SiC2 in Short-Chain n-Alcohols,Glycol and Glycerol under Boundary Lubrication

The tribological behavior of self-mated Ti₃SiC₂ in bath of alcohols are investigated at sliding velocity ranging from 0.005 to 0.3 m/s. The results show that the friction coefficient and wear rates of self-mated Ti₃SiC₂ are reduced greatly under lubrication of alcohols compared to that under dry condition. In alcohols, smooth worn surfaces of Ti₃SiC₂ can be obtained. The mechanical wear is inhibited and the oxidized Ti and Si species on the worn surface are TiO₂ and silica gel. The friction coefficients decrease with carbon numbers and sliding velocity in the n-alcohols. The friction coefficient decrease with sliding velocity in glycol and glycerol as well. The decrease is determined by the increase of the viscosity of alcohols. In glycerol, at 0.1 m/s and 5 N, the friction coefficient of self-mated Ti₃SiC₂ is 0.08 which is the lowest in this paper. The lubrication regimes are calculated according to classical lubrication theory. At velocity from 0.005 to 0.3 m/s, in all of the alcohols except glycerol, the λ are below 1 which indicates that the lubrication regime is BL. While in glycerol, the lubrication regimes vary from BL to BL and EHL, then to EHL as the velocity increases.     

陶瓷与灰铸铁配副在水润滑下的摩擦学性能

比较了在蒸馏水润滑下Si3N4、Al2O3陶瓷与灰铸铁副的摩擦学性能,结果表明：Al2O3陶瓷的磨损体积远小于Si3N4,但与Si3N4配副时灰铸铁的磨损体积明显小于与Al2O3配副时的磨损体积。其摩擦系数也较小（0.02)。用SEM观察发现Al2O3陶瓷磨擦表面粗糙,有少量的转移膜形成;而Si3N4磨擦表面光滑,与其对应的灰铸铁磨面上存在含石墨的润滑膜。