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影响先进陶瓷摩擦磨损性能的因素:温度及湿度
2020年10月29日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:215
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两个相互接触的物体沿着接触面的切线方向运动或有相对运动的趋势时,接触面之间就会发生摩擦。摩擦作为伴随运动的一种物理现象,在我们的生活及生产中如影随形可以毫不夸张的说没有摩擦人类将寸步难行。但正很多工业应用场合摩擦有害,因摩擦的存在会导致物体接触表面的磨损,严重的磨损会使得正常工作的运动机构失效为了更好的控制摩擦,让摩擦这一物理现象乖乖的服务于应用,我们需要更懂它。

陶瓷损能

氮化硅基陶瓷刀具&氧化铝基陶瓷刀具

陶瓷材料因具有高硬度、高强度、良好的耐磨性以及抗氧化性而被广泛地应用于机械、航空、化学等工业以及空间技术、新能源开发等新型产业。陶瓷材料在不同环境下表现出来的摩擦磨损性能对其能否良好地服役至关重要。诸多学者已在陶瓷摩擦学方面做了大量的研究工作,并发现影响陶瓷材料摩擦磨损性能的因素很多,如陶瓷材料的断裂韧度、试验时的载荷、滑动速度、试验持续时间、润滑条件以及环境温度和湿度等,本文将对温度及湿度对陶瓷摩擦学行为的影响做简单整理。

一、室温下的各种陶瓷的干摩擦

室温干摩擦条件下,陶瓷材料在配副摩擦的过程中,一般表现出较高的摩擦因数和磨损率(指被磨试样的体积与磨擦功的比值,即单位摩擦功所磨试样的体积,反映了材料的耐磨性能,与磨损量相关)研究认为,陶瓷/陶瓷配副的摩擦因数一般大于0.5,磨损率一般高于10-6mm3/(N·m),而金属在相同条件下摩擦因数相对较低,如在室温下铸铁自配副干摩擦时的摩擦因数为0.18,相同条件下钢和铸铁配副时的摩擦因数为0.2。对于陶瓷自配副时的高摩擦因数现象,究其原因,主要是陶瓷摩擦时所发生的断裂、疲劳和剥落等导致的高摩擦因数和磨损率。当然陶瓷材料在室温干摩擦条件下的摩擦学性能依陶瓷类型各有不同。

1、氮化硅陶瓷

非氧化物陶瓷中目前应用最为广泛的是Si3N4基陶瓷(含Si3N4)。室温下不同摩擦副下,氮化硅磨损结果有所不同。

例如,研究人员采用Si3N4/SiC配副时发现,由于高硬度的SiCSi3N4表面产生切削和犁沟现象,从而表现出较高的摩擦因数。Si3N4材料的磨损也比较严重,且低断裂韧性的SiC容易出现脆性剥离,磨损体积损失比较大。而采用,在Si3N4/Al2O3配副时,Si3N4的硬度和断裂韧性均比Al2O3的高,而Si3N4的摩擦氧化反应使磨损面上形成的氧化物膜对Al2O3磨屑有较强的吸附力,并形成Al2O3磨屑吸附层,以致表现出低的摩擦因数。而当Si3N4基陶瓷自己配副时,有一种研究结果是擦面上会由于应力集中

而产生微裂纹,不利于摩擦,摩擦因数稳定在0.3。

2、碳化硅陶瓷

非氧化物陶瓷中SiC陶瓷也是一种常见的陶瓷材料,其硬度高,仅次于金刚石、立方BN等少数物质。由于SiC陶瓷摩擦学性能对环境因素(温度、湿度等)更为敏感,空气中的水汽在摩擦表面产生吸附层,吸附层在摩擦时降低了摩擦因数,有研究表明室温下碳化硅表面的主要磨损机理为断裂和犁削磨损。

3、氧化铝陶瓷

Al2O3陶瓷是在工业中广泛应用的一种陶瓷。Al2O3陶瓷自配副时,载荷和滑动速度为摩擦磨损性能的主要影响因素。Al2O3陶瓷在与不同金属配副时,其摩擦磨损性能的表现大相径庭。有研究发现,Al2O3与钢配副时的磨损量远远低于其与钛合金配副时的磨损量,结果相差3个数量级,说明与钛合金配副时其耐磨性表现极差。Al2O3/钢配副时,陶瓷表面形成钢的转移膜,使得Al2O3与钢的摩擦转化为钢与钢的摩擦,从而降低了Al2O3的磨损量。

4、氧化锆陶瓷

在氧化物陶瓷中ZrO2由于突出的综合力学性能,也正在成为广泛使用的氧化物陶瓷之一。根据黄传真等对ZYA30(70%3Y-TZP和30%Al2O3)和ZYW35(65%3Y-TZP和35%(W,Ti)C)两种材料进行摩擦学性能试验,发现在相同磨损条件下ZYA30的耐磨性能比ZYW35好。两种材料的磨损机理基本相同,低载荷下主要是塑性变形和粘着磨损,较高载荷下主要是塑性变形和分层剥落。

总体来说,在室温干摩擦条件下,大多数陶瓷没有较好的摩擦学表现。陶瓷与陶瓷摩擦时,由于脆性都比较大,其磨损机理多表现为断裂、疲劳和磨粒磨损;而陶瓷在与金属对磨时,金属的硬度较陶瓷低得多,陶瓷容易对金属造成切削,磨损机理多为粘着磨损。

二、温度对陶瓷摩擦的影响

材料的摩擦磨损性能是一个综合性能的表现,受众多因素影响,其中温度对摩擦磨损性能的影响最为明显。但是目前温度对材料的摩擦磨损性能的影响还没有形成一个统一的共识。主要有两点:①温度的变化会影响摩擦面表面膜和吸附层的形成,而表面膜和吸附层则会对陶瓷材料的摩擦磨损性能产生影响;②摩擦过程中,温度会改变摩擦表面层物相组织和晶粒的结构,从而影响陶瓷材料的摩擦磨损性能。

Labruquere等解析了高温时陶瓷材料的摩擦学性能。高温会促使摩擦面的摩擦化学反应,而反应最终会生成致密氧化层还是直接发生氧化腐蚀,尚待进一步的研究和完善。

尽管如此,陶瓷材料在高温条件下的摩擦多有利于生成氧化膜或形成磨屑层,磨损机制从以磨粒磨损为主转变成以化学磨损为主,从而改善陶瓷材料的摩擦磨损性能。在这种情况下,陶瓷材料的高温自润滑特性已日益引起学者的关注,相关研究已经大幅度地展开,并发现SiC、Al2O3ZrO2WC等陶瓷材料均有可能在高温下发生自润滑现象,这就为促进陶瓷材料在高温工况下的推广应用提供实验依据。

陶瓷损能 

耐磨耐高温氧化铝陶瓷衬板

三、湿度对陶瓷摩擦的影响

陶瓷材料的摩擦学行为对水分子的存在十分敏感,而一般情况下,陶瓷材料在使用过程中不可避免地与水汽或者水接触,而因此了解湿度对陶瓷摩擦性能的影响是非常重要的。研究表明湿度对陶瓷材料的摩擦磨损性能影响究其原因是摩擦化学反应的作用,而反应表面膜的吸附、润滑或者是抗剪性能均会对陶瓷摩擦学性能产生进一步的影响。外部环境的湿度情况对陶瓷材料的摩擦磨损性能影响较大,而湿度因素对不同的陶瓷材料摩擦学性能的影响机制也不尽相同,其体现出来的研究结果亦存在差别。

1、对氧化物陶瓷的影响

对于氧化物陶瓷而言,湿度对其摩擦学性能的影响会导致两种结果:1、湿度增加使陶瓷材料出现静态疲劳现象,陶瓷表层位错活动能力增加,表面塑性增大,会使磨损加剧;2、湿度增加利于陶瓷与空气中的水蒸气和氧气发生摩擦化学反应,生成氧化膜,改善摩擦磨损性能。

以氧化铝陶瓷为例:有报导称,Al2O3陶瓷的摩擦因数和磨损率都会随着湿度的增大而增大,这是因为裂纹尖端的金属离子与氧化物离子的结合键受到水分侵蚀之后,裂纹扩展速度加快,导致磨损率增大。但是也有学者认为Al2O3在潮湿的环境下摩擦面将生成氢氧化铝膜,对摩擦起改善作用,这主要取决于试验条件和Al2O3表面的粗糙程度。

2、对非氧化物陶瓷的影响

对于非氧化陶瓷,湿度对其摩擦学性能的影响一般是有利的。非氧化物陶瓷暴露在潮湿的空气中可以生成氢氧化物表层,而表层膜会改善陶瓷的摩擦磨损性能。

以氮化硅陶瓷为例:在摩擦过程中,Si3N4陶瓷与大气环境下的O2H2O发生的摩擦化学反应(Si3N4+3O2→3SiO2+N2Si3N4+H2O→3SiO2+2NH3Si3N4+H2O→SNXOY)产生的氧化膜以及氢氧化膜是降低摩擦磨损的主要原因。有研究显示在加湿的气体中Si3N4的磨损量比干燥气体中小。因为水蒸汽以化学吸附的形式附着在摩擦表面,形成一层吸附膜,这层膜起到润滑剂的作用,所以磨损量较小。而对于干燥气体,因为没有吸附膜的作用,所以磨损量较大一些。

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超耐磨的氮化硅研磨介质

参考资料:

1、陶瓷在不同温度湿度下摩擦磨损性能研究现状;陕西科技大学机电工程学院;陈威,吕政琳,高东强,艾旭等著。

编辑:Alpha

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