摩擦学性能的研究

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1、Si3N4-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Si3N4-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Si3N4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Si3N4的体积的增加，摩擦副的摩擦因数也会急剧的下降，由纯Si3N4自配副的0.35降至Si3N4-20vol.％hBN/Si3N4摩擦副的0.01；在浸入法水润滑条件下，Si3N4-hBN/Si3N4摩擦副的摩擦因数会降至0.01。利用扫描型电子显微镜（S

2、EM）、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，Si3N4-hBN复合材料中的hBN在摩擦试验过程中被剥离产生磨屑，Si3N4-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Si3N4-hBN与纯Si3N4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

3、-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Si3N4-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0.2；磨损率1×10-6mm3·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Si3N4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Si3N4的摩擦学性能可以添加hBN。Si3N4-hBN

4、复合材料的也已经被检测[8-13]。SkoppandWoydt[14]研究了关于Si3N4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Si3N4自配副的摩擦因数为0.4~0.9。当hBN的添加两提高到20wt%时，在室温条件下，摩擦因数降低到0.1~0.3，与纯Si3N4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·H2O)和柔性氧化物(如H3BO3)，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

5、对于Si3N4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Si3N4自配副的摩擦因数为0.82，Si3N4-10vol%自配副的摩擦因数为0.67。但没有发现固体润滑剂BN·H2O或柔性氧化物H3BO3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，Si3N4-hBN(hBN的比重为2-30wt%)摩擦副的摩擦学性能。研究表明，当在Si3N4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10-6mm3·N-1·m-1。然而，在研究过程中并没有发现减摩

6、效果，摩擦因数仍然高于0.5。Saito[9,17]等人利用烧结Si3N4和Si3N4-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0.13m/s，载荷为11.4N时，Si3N4-47.5wt%hBN/Si3N4摩擦副的摩擦因数为0.12，高于Si3N4/Si3N4摩擦副时0.01。作者指出，在Si3N4-hBN12复合材料中没有发现包括摩擦中的化学反应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Si3N4-铸铁摩擦副的摩擦学性能时发现，在Si3N4中的氧化和水解产

7、物可以轻易地聚集在铸铁的粗糙表面上，形成一层稳定的润滑膜。这层润滑膜可以保护Si3N4和铸铁，因此摩擦副的摩擦因数降低到了0.02，Si3N4和铸铁的总磨损率也维持在0.0左右。总之，目前学者们对于hBN对于Si3N4-hBN复合材料的摩擦学性能的影响仍持不同观点。所以它是在扩大氮化硅基材料的应用，以进一步确定固体润滑剂相氮化硅六角氮化硼复合材料的磨损机理中的作用具有重要意。在本文中，分别研究了Si3N4-hBN复合材料（hBN的添加量为30vol.%或更少）与Si3N4配副在滴定法水润滑条件和浸入法水润滑条件下的摩擦学行为（相对于纯Si