论文：润滑摩擦时纳米氧化锆陶瓷材料的摩擦磨损情况与机理

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1、纳米氧化锆陶瓷材料摩擦磨损情况与机理研究青岛市技师学院 王利利 近些年，很多学者对纳米氧化锆陶瓷的制备研究比较多，但是对其性能的研究相对较少一些。随着纳 米材料的逐渐应用，尤其是医学应用领域，对其性能的要求越来越高，不仅要有良好的力学性能，还要有 好的摩擦磨损性能。本文主要研究润滑条件下，纳米氧化锆陶瓷材料的摩擦磨损情况与机理。从而得出： 在医学应用领域，纳米氧化锆陶瓷比其他金属材料或陶瓷材料具有优良的力学性能和耐磨损性能。摩擦磨损实验用的试件是自制的3Y-TZP陶瓷块，纳米氧化锆复合粉体，在200Mpa的压力下，干压成型 后再冷等静压成形，在1450C常压烧结制备。经金刚石切割，精密磨床磨削

2、加工后制成所需尺寸 19mmx13mmx11.7mm。润滑液为10号机油，对磨环块为GCr15钢环，GCr15钢环是经淬火和回火处理而制成的， 摩擦表面也经过磨削加工并抛光处理。与纳米氧化锆陶瓷块对比的试件是氧化铝陶瓷块，含95%的三氧化 二铝，尺寸同3Y-TZP陶瓷块。润滑条件下的主要参数为：转速变化范围是360转/分840转/分，载荷（试验力）变化范围是100N 1000N，环境温度室温，相对湿度为60%，润滑介质为10号机油。一、摩擦系数1. 载荷对摩擦系数的影响 在10机油润滑条件下，测得的摩擦系数随载荷和转速的变化如图1所示。润滑条件下的摩擦系数明显 比干摩擦时降低了很多，在0.05

3、0.14之间。从图中，我们可以看出来，随着法向载荷由100N到600N的逐 渐增加，纳米ZrO2陶瓷材料的摩擦系数成上升趋势。因为加在试样上载荷增加了，两接触表面之间产生的 摩擦力也大了，摩擦系数随着载荷的增加而上升，但是上升趋势越来越缓慢。在转速240r/min的时候，摩擦系数随载荷变化不大，比较平稳；但是在840r/min的时候，摩擦系数随 着载荷的波动变化比较大，100N至400N之间摩擦系数迅速上升，由0.0561迅速上升到0.1121，然后逐步平 稳，在0.12附近波动。与其它几种常用的牙科医用材料相比，钛合金、镍铬合金在3. 3左右，钻铬合金在 0.25左右。A1203陶瓷的摩擦系

4、数在0.450.70之间波动。通过对比可见纳米氧化锆陶瓷的摩擦性能要明显 好于其他几种常用的材料。数系擦摩二 240r/min 360r/min 480r/min 600r/min 720r/min 840r/min4 2 1 8 6 4 21 1.0 0 0 0数系擦摩 z 360r/min、100N600r/min、500N840r/min、1000N0 0100N 200N 300N 400N 500N 600N 载荷10min日寸间0min图1润滑摩擦纳米ZrO2陶瓷随载荷、转速的摩擦系数变化图2时间对摩擦系数的影响2. 转速对摩擦系数的影响从图1中，可以看出，无论载荷是多少，摩擦系数

5、都随转速的增加而下降。分析其原因，在转速低的 时候，试样与摩擦副的接触面磨合比较慢，粗糙度大，从而摩擦力就大，所以摩擦系数大；而转速高的时 候，试样与摩擦副的接触面磨合迅速，表面的粗糙度小了，摩擦力就小了，所以摩擦系数就小。另外，转 速增高了，摩擦表面产生了塑性变形，并且逐渐加剧，从而使接触面升温、软化，起到了润滑作用。所以 随着转速的增加，摩擦系数成下降趋势。3. 时间对摩擦系数的影响试样和摩擦副摩擦时间的长短对摩擦系数也有一定的影响。如图2所示，从图中可以看出，随着摩擦时间的加长，摩擦系数成下降趋势。分析其原因：在摩擦初始阶段，两接触表面不够光滑，表面有凸点，产生的摩擦力比较大，所以摩擦系

6、数比较大；但是随着摩擦时间的延长，两接触表面逐渐变得光滑，摩擦力变小了，所以摩擦系数也变小了。因此，随着摩擦时间的延长，摩擦系数成下降趋势。二、磨损率1. 纳米ZrO陶瓷磨痕变化2磨损率是一个衡量耐磨性能的通用值，关键是要测出对磨后，纳米ZrO2陶瓷的磨痕宽度和磨痕长度， 用表面轮廓粗糙度仪测得结果。载荷越高磨痕越明显，磨痕长度和磨痕宽度越大。但是，总的来说，无论 载荷高低，转速大小，纳米ZrO2陶瓷的磨痕变化都很细微，磨损变化也不大。而Al203陶瓷对磨后，用肉眼 观测，即可测得其磨痕比纳米ZrO2陶瓷明显的多。2. 纳米ZrO陶瓷磨损率2当转速为定值时，随着载荷的不断增加，纳米ZrO2陶瓷

7、磨损率呈现上升趋势。当载荷为定值时，随着 转速的不断增加，纳米ZrO陶瓷磨损率呈现下降趋势。当载荷低于500N时，纳米ZrO陶瓷磨损率在10-72210-6mm3/N.m量级范围内变化，发生了比较轻微的磨损，当载荷高于1000N时，纳米ZrO?陶瓷磨损率在10-6 10-5mm3/N.m范围内，产生了塑性变形，磨损加剧。在载荷低于500N时，10号机油润滑条件下的磨损率一般 比纳米ZrO2陶瓷在干摩擦时低一个数量级。因为在10机油润滑时，硬质磨削被润滑油冲走了，而且润滑油 对摩擦副表面起到了冷却作用，使摩擦副的表面不会因温度的升高而加剧磨损。干摩擦时的磨损率一般是 10 号机油润滑条件下的 2

8、 5 倍 。由图可以看出来，低速时磨损率较高，高速时磨损率较低，可见纳米ZrO2陶瓷高速时滑动摩擦性能比 较好，耐磨性要优于低速。因为随转速的升高，接触面之间的凸起部分磨合迅速，在比较短的时间内，摩 擦副接触面就变得比较光滑，生成氧化膜的速度加快，减轻摩擦副的进一步磨损，使磨损率减小。另外， 转速的提高会使摩擦副接触表面温度迅速上升，两个相互摩擦的表面之间会因摩擦热而产生表层元素的转 移和粘着磨损，填充了磨损表面磨损，所以磨损率较低。最后，在摩擦磨损过程中高载荷高转速下产生磨 屑，磨屑很容易粘结，形成表面层，对摩擦副起到保护作用mm3从而减轻磨损，使磨损率降低。m 损磨121086420100

9、N500N 口 1 nnm载荷360r/min600r/min840r/min转速图3纳米ZrO2陶瓷磨损率随载荷和转速的变化而A1203陶瓷在100N载荷作用下，磨损率较大，摩擦系数也较大，A1203陶瓷的韧性低，有组织缺陷，造 成了脆性剥落。当载荷增加到500N时，A1203陶瓷摩擦接触面发生磨屑粘着，减缓了磨损。当载荷继续增加 到1000N时，A1203陶瓷由轻微磨损转为剧烈磨损，磨损率也随着载荷的增加而上升，A1203陶瓷磨损率的数 量级在10-5mm3/N.m量级范围内。由此可见，纳米ZrO?陶瓷的耐磨性要好于A1?0陶瓷。纳米ZrO?陶瓷组织均匀 致密、晶粒细小，强度、韧性都要好于

10、A1203陶瓷，所以在摩擦磨损的过程中，纳米ZrO2陶瓷表面形成一层 膜而降低了磨损，因而纳米ZrO2陶瓷在同等工况下的磨损率比A1203陶瓷磨损率低。三、磨损表面形貌及磨损机理为了分析纳米氧化锆陶瓷的磨损机理，用S-3500N电子扫描显微镜对磨损后的表面形貌进行观察，从 而对摩擦表面的磨损机理进行分析。纳米氧化锆陶瓷在三种不同工况下磨损后的表面形貌如以下一组图4 所示。SB 16-Jul-lOND16.5n 20.0KV x2.0k20ua）2000x（100N，360rmin ）b）4000x（100N，360rmin）c）2000x（500N，600rmin）（d）4000x （500N

11、，600rmin） （e）2000x （1000N，840rmin）（f）4000x （1000N，840rmin）图 4 3Y-TZP 磨损后的表面的 SEM 形貌图4示出了在三种不同工况下纳米ZrO2陶瓷的磨损表面形貌SE M照片。图4a和b分别展示的是在载荷100N 和转速360r/min时，纳米ZrO?陶瓷磨损表面形貌低倍和高倍SEN照片。从图中可以看出，纳米ZrO?陶瓷的磨 损表面比磨损前光滑，配对GG15钢试环的磨损也很小。我们知道纳米ZrO2陶瓷强度高，硬度大,，刚性好， 所以在磨损过程中是很难产生变形、剥落、微裂纹和疲劳断裂这些现象的。故在低载荷、低转速时，起到 了轻微抛光作用

12、，磨损的主要机理是磨粒磨损和微量去除。图4c和d分别展示的是在载荷500N和转速600r/min时，纳米ZrO2陶瓷磨损表面形貌低倍和高倍SEM照片。 与图4a和b相比较，发现纳米ZrO2陶瓷的磨损表面更加光滑，仅有少量模糊的犁沟痕迹，这一磨损过程以微 观犁削的方式发生了磨损，起到了抛光的作用,这时的磨损机理仍然为磨粒磨损和微观犁削。图4e和f分别展示的是在载荷1000N和转速840r/min时，纳米ZrO2陶瓷磨损表面形貌低倍和高倍SEM照 片。与图4d和e相比，发现纳米ZrO2陶瓷这时的磨损表面有些粗糙，有了明显的犁沟痕迹，并且开始出现了 凹凸不平的现象，这时产生了塑性变形，同时说明了纳米

13、ZrO2陶瓷的磨损加剧，磨损率也上升了。所以， 这时的磨损机理为塑性变形和微观犁削。总之，不管在低载荷，还是在高载荷下，纳米ZrO2陶瓷的磨损表 面都没有出现断裂现象和宏观裂纹。然而45号钢在1000N和转速840r/min时，却出现了很大的擦伤，呈现 出鱼鳞片状；A1203陶瓷在1000N和转速840r/min时，Al203陶瓷产生了剧烈磨损，出现大片剥离，磨损率非 常大。通过对比，可以发现纳米ZrO2陶瓷材料的耐磨性远远好于45号钢、A1203陶瓷。四、纳米ZrO2陶瓷的减磨性能2八2在把GCrl5钢试环分别与纳米ZrO陶瓷，A1 0陶瓷对磨5小时后，发现GCrl5钢试环、纳米ZrO陶瓷和Al 02 2 3 2 2 3 陶瓷的表面都更加光滑了，对磨前后的表面粗糙度对比如表1所示：表1对磨前后的表面粗糙度值试样对磨前对磨后GCrl5钢试环（与纳米ZrO2陶瓷对磨）0.11270.0881GCrl5钢试环（与A1Q陶瓷对磨）0.11260.120223纳米ZrO陶瓷0.11220.07522A1Q陶瓷0.11250.1268通过表1,可以得知，与纳米ZrO2陶瓷试块对磨后，GCrl5钢试环的表面粗糙度降低的大一些，而与A1203 陶瓷对磨后的GCrl5钢试环表面粗糙度变大，这表明纳米ZrO2陶瓷对摩擦副GCrl5钢试环有微抛光作用。