摩擦學(xué)性能的研究

1、1Si3N4hBN陶瓷材料在水潤滑條件下的摩擦化學(xué)行為摘要：本文的主要目的是研究在Si3N4hBN中添加不同體積分數(shù)的六方氮化硼（hBN）制成的復(fù)合材料在蒸餾水潤滑條件下的摩擦學(xué)性能。本次水潤滑滑動測試Si3N4作為摩擦副，使用銷盤式摩擦磨損試驗機上進行檢測。結(jié)果表明，在滴定法水潤滑條件下，隨著六方氮化硼相對于Si3N4的體積的增加，摩擦副的摩擦因數(shù)也會急劇的下降，由純Si3N4自配副的0.35降至Si3N420vol.％hBNSi3N

2、4摩擦副的0.01；在浸入法水潤滑條件下，Si3N4hBNSi3N4摩擦副的摩擦因數(shù)會降至0.01。利用掃描型電子顯微鏡（SEM）、激光掃描顯微鏡和X射線光電子能譜（XPS）對摩擦表面的形貌和化學(xué)特性進行分析。分析顯示，在滴定法水潤滑條件下，Si3N4hBN復(fù)合材料中的hBN在摩擦試驗過程中被剝離產(chǎn)生磨屑，Si3N4hBN復(fù)合材料的摩擦表面上形成了剝落坑，然后磨屑有落入剝落坑中與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而在摩擦表面上形成了一層摩擦膜。在滴定法

3、水潤滑條件下，該膜使得Si3N4hBN與純Si3N4之間的摩擦表面變得光滑，而在浸入法水潤滑條件下，磨屑會被水帶走，摩擦表面發(fā)生化學(xué)拋光，使摩擦表面變的光滑。關(guān)鍵詞：摩擦學(xué)，復(fù)合陶瓷，氮化硅，水潤滑1引言氮化硅系陶瓷由于其具有高硬度、高剛度、高耐熱性[15]、優(yōu)異的化學(xué)和機械穩(wěn)定性，被廣泛用于密封件，發(fā)動機零部件和高速切削工具。尤其是Si3N4hBN復(fù)合材料具有一系列獨特的性能，即低氧化性和良好的可加工性等相對較高的物理機械性能[6]。

4、現(xiàn)今人們普遍認為適用于無潤滑摩擦設(shè)備的材料符合以下標準：摩擦因數(shù)低于0.2；磨損率1106mm3N1m1；摩擦和磨損受滑動速度影響??；摩擦磨損受環(huán)境溫度影響小[7]。然而，已經(jīng)證明的是，在干摩擦和正常環(huán)境下純Si3N4摩擦副的摩擦因數(shù)和磨損率都是非常高的。六方氮化硼（hBN）是一種眾所周知的自潤滑材料。為了進一步提高Si3N4的摩擦學(xué)性能可以添加hBN。Si3N4hBN復(fù)合材料的也已經(jīng)被檢測[813]。SkoppWoydt[14]研究了

5、關(guān)于Si3N4陶瓷與不同數(shù)量的六方氮化硼在無潤滑條件下的摩擦學(xué)性能。結(jié)果顯示，純Si3N4自配副的摩擦因數(shù)為0.4~0.9。當hBN的添加兩提高到20wt%時，在室溫條件下，摩擦因數(shù)降低到0.1~0.3，與純Si3N4自配副相比，磨損率也降低到15。而摩擦因數(shù)和磨損率的降低是由于在摩擦表面形成了能的固體潤滑劑(如BNH2O)和柔性氧化物(如H3BO3)，這兩種物質(zhì)因其具有三斜晶和獨特的粘結(jié)性能而使摩擦學(xué)性能得到改善。Carrapicha

6、no[15]曾指出，在不添加潤滑劑的情況下，增加hBN相對于Si3N4的比重，能夠輕微的改善摩擦副在室溫環(huán)境下的摩擦學(xué)性能。純Si3N4自配副的摩擦因數(shù)為0.82，Si3N410vol%自配副的摩擦因數(shù)為0.67。但沒有發(fā)現(xiàn)固體潤滑劑BNH2O或柔性氧化物H3BO3的穩(wěn)定保護膜的形成。作者認為摩擦學(xué)性能的改善是由于Hbn的基底層在摩擦中易被剝離。Iwasa和Kakiuchi[16]研究了在干摩擦條件下，Si3N4hBN(hBN的比重為2

7、30wt%)摩擦副的摩擦學(xué)性能。研究表明，當在Si3N4中添加超過20wt%的hBN時，摩擦副的磨損率會下降一個數(shù)量級到106mm3N1m1。然而，在研究過程中并沒有發(fā)現(xiàn)減摩效果，摩擦因數(shù)仍然高于0.5。Saito[917]等人利用燒結(jié)Si3N4和Si3N4hBN(比重為30100wt%)，研究就其在蒸餾水潤滑條件下的摩擦學(xué)性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)速為0.13ms，載荷為11.4N時，Si3N447.5wt%hBNSi3N4摩擦副的摩擦因數(shù)

8、為0.12，高于Si3N4Si3N4摩擦副時0.01。作者指出，在Si3N4hBN復(fù)合材料中沒有發(fā)3Si3N4hBN復(fù)合材料試樣分別由體積比例為0、5、10、20、30vol.%的hBN進行燒結(jié)，燒結(jié)壓力為熱壓30MPa，燒結(jié)溫度為1500℃，燒結(jié)時間為30min。圖2所示為燒結(jié)的Si3N420%hBN復(fù)合材料的XRD分析結(jié)果。圖3給出了Si3N420%hBN復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)圖，如圖所示，Si3N420%hBN復(fù)合材料由細長的βSi3

9、N4（黑箭頭所標注的區(qū)域）和層狀Hbn(白箭頭所標注的區(qū)域)組成，且六角氮化硼hBN的分布是不均勻的，僅僅聚集在局部區(qū)域。表1示出了熱壓燒結(jié)Si3N4hBN陶瓷復(fù)合材料的物理力學(xué)性能。銷（表1中SN0SN30）的尺寸為5510mm3，其末端需倒圓角，使接觸表面面積為20mm2。作為配副，盤的材料為不含hBN的Si3N4陶瓷（表1中SN0），尺寸為Φ44mm6mm。要求Si3N4陶瓷盤試樣表面需要通過研磨處理，使其表面粗糙度為Ra值為0.