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1、4Z12第一节（二）影响陶瓷材料摩擦学性能的因素文章来源：开拓者钼业公司网址： 二、影响陶瓷材料摩擦学性能的因素 陶瓷材料的摩擦学性能往往受到多种因素的同时或交替作用，而各种因素之间可能能又是相互影响，相互制约、相互转化的, 影响陶瓷材料摩擦学性能的因素主要有以下几个方面。 1. 显微结构的影响 陶瓷材料是由晶粒和晶间组成的烧结体，决定其性能的主要因素是组成和显微结构，即品粒、晶间、气孔或裂纹的结合形态。 (1)晶粒尺寸的影响 对 zrO2、Al2O3 和 ZTA（ZRO2-AL2O3） 复合陶瓷)材料的研究表明，当晶粒比较细小时，主要发生性变形和部分穿晶断裂，产生轻微磨损；晶粒比较粗大时，磨
2、损的主要机制是晶间断裂，产严重磨损。绷晶粒陶瓷可以形成比铉稳定的光滑表面膜，因而摩擦系数较小；粗晶粒陶瓷表面比谈粗糙，易发生晶间断裂，所以摩擦系数较大。如 a-SiC 的品粒尺寸比SiC 的小，故-SIC的乃木性能优于SiC 。 (2)孔隙度的影响 孔隙度为5% 一7 %的TZP(四方 ZrO2陶瓷)在室温下容易形成光滑稳定的表面膜，故其摩擦学性能优良；当孔隙度增大时，容易发生晶间断裂致使表面膜剥落并引发磨粒磨损。在摩擦应力的作用下，气孔之间可能会连接起来而形成裂纹源。精确控制烧结工艺可以制取具有不连续圆形气孔的SiC 陶瓷，其孔径为5070m，孔隙度为3%一6 %G 这种材料具有摩擦系数小、
3、磨损率低和承载能力大等优点。 晶间强度和品问相及晶间杂质的影响 对Al2O3、SI3N4 和 SiC陶瓷磨损性能的研究发现，于晶间各向异性的弹性和热扩散特性，在摩擦过程中晶问处于微应力的作用下，若晶间强度较弱容易发生晶间断裂而使晶粒被拔出或挤出，从而导致磨粒磨损；相反，若晶间较强，则发生轻微磨损。对ZrO2 材料 间相的研究表明，在较小负荷下，磨损机制主要是微切削，因而晶界杂质对其磨损性能并无影响；在较高负荷条件下，由于晶界杂质发龟裂阻止了粗大裂纹的扩展而可防止材料失效。适当添加SiO2、MgO和CaO等品间相讨以防止晶粒拔出，改善其耐磨性。这是由于第二相可以调节晶粒的各向异性，降低晶界处残余
4、应力的缘故。对SiC陶瓷晶间杂质与磨损关系的考察表明，元素铁的存在可使SiC材料的磨损量增加，而石墨的存在则能改善它的抗磨性能。 2. 温度的影响 由于陶瓷材料的真实接触面积远比表观接触面积小，摩擦热会使微凸体处的闪点温度远比基体温度高。当相对滑动速度大于某一临界速度时，会发生局部熔化，在摩擦过程中熔化部分被带出摩擦表面，受冷凝固形成片状磨屑，此时陶瓷发生严重磨损。如PSZ (部分稳定化 ZrO2陶瓷)和Al203陶瓷的临界速度分别为 1.7m/s和 3.4m/s。 (1 )热致相变 研究表明，Mg-PSZ (部分稳定化 ZrO2 陶瓷)和Y-TZP (四方ZrO2 陶瓷)在不同温度下的摩擦学
5、性能与热致相变密切相关。当速度大于0.3m/s时，陶瓷摩擦副 Mg-PS2/Mg-PSZ在室温至 1000的摩擦系数是随温度的升高而减小。另一种报道则认为，在室温至400范围内，PSZ 和 TZP 陶瓷无论是与相同材料对摩还是与金属对摩，摩擦系数均随温度的升高而增大，其中TZP陶瓷自身村摩时在200左右的抗磨性最好。这些，都是由于在此温度下摩擦热诱发了相变的缘故。又如，Mg-PSZ陶瓷的磨损 率对温度有明显的依赖性，由轻微磨损向严重磨损车专变的临界温度值与速度有关，认为这种转变是因为材料发生了相变，使摩擦表面产生张应力，从而诱发了裂纹的产生与扩展，导致磨损加剧。而MG-PSZ陶瓷在800100
6、0范围内的磨损率稳定，也与相变有。 (2)热致化学反应 滑动速度的变化和摩擦温升对能导致陶瓷表面发生化学反应，从而影响其摩擦学性能，研究表明，当温度低于200时，Al2O3陶瓷可与其表面的吸附水发生化学反应生成氢氧化铝表面膜。当温度高于800时，由于晶界相SiO2发生扩散和摩擦过程中的挤压作用，会在Al2O3表面形成一层氧化硅膜。这两种表面膜都比较软，能起减摩抗磨作用。在上述两种温度条件下，磨擦系数和磨损率分别为 0.40和 10 -6量级。当温度 200-8.0之间时，由于不能发生化学反应而无表膜形成，此时的摩擦学特性取决于负荷：当负荷低于临界值时，发生骡性变形和犁沟，摩擦系数为0.60，磨
7、损率在10-6量级；而当负荷高于临界值时，发生晶间断裂，摩擦系数为0.85，磨损率高达10-4量级。 反应烧结SiC陶瓷在室温低速条件下，摩擦锍化作用并不明显，然而夜800以上的高温下，SjC陶瓷表面形成SiO2膜。而且膜厚随着滑行速度的增大而增加。由于这层膜的保护作用，SiC陶瓷的磨损率随滑行速度的增加而明显降低。 SI3N4陶瓷在一定的湿度条件下会发生特定的化学反应，在温度低于400时，SI3N4与吸附的水反应生成平滑的氢氧化硅膜，其摩擦系数和磨损率分别为0.30 和10-4量级。温度在400- 700之间时，夹杂物WC发生选择氧化，在陶瓷表而生成氧化钨膜，摩擦系数和磨损率分别为0.45和
8、10-4量级。温度在700900之间时，晶间相 Mg 由于热扩散与表面活性Si 生成硅镁化合物，此时表面膜由氧化钨和硅镁化合物组成，摩擦系数和磨损率分别为 0.67和10-3量级。当温度在；9001000之间时，Si3N4被氧化生成极易去除的SiO2因而材料表面比较粗糙，摩擦系数和磨损率分别为 0.70和10 -2量级。 热致化学反应对陶瓷材料摩擦学性能的影响，主要取决于不同表面膜的生成。这种化学反应同时依赖于温度和速度等。 热致力学性能变化 通过对SiC纤维增强Al2O3复合陶瓷的研究认为，SiC纤维的断裂强度和幕材对纤维紧固力随着温度变化所表现出的不一致性，导致SiC纤维在不同温度下处于不
9、同的应力状态。因此，Al2O3-SC复合陶瓷在不同的温度范围内表现出不同的失效机制。当温度低于临界值时，其主要失效形式为纤维断裂、而当温度高于临界值时，其失效机制为纤维拔出。 3. 气氛的影响 气氛对不同陶瓷材料的摩擦学性能的影响情况是不同的。 (1 )表面吸附和污染 陶瓷材料表面的分子吸附和有机污染物都有利于降低陶瓷的磨擦系数和磨损率。表面吸附对陶瓷摩擦学性能的影响还上偶件的选择有关。表面吸附氧可使金属氧化物和氧化物陶瓷之间形成强的O-O键合而导致摩擦系数增大，SiC 与SIC或与金属Ti 对摩时也有类似情况。氧化物陶瓷在真中自身对摩时表面粘着严重，摩擦系数很高，而一旦往真空中逼人氧气，便可
10、使磨擦系数减小，这是摩擦表面形成的氧吸附膜减轻了界面粘着的结果。SiC/Fe磨擦副在空气中于250以下时的摩擦系数接近于0.40，这是由于SiC表面吸附有氧和碳的污染物。而当温度在400800之间时，摩擦系数接近1.0这由于在高温下吸附膜脱附，以及在高温下接触区域粘者和塑性变形增大的缘故。 (2)表面化学反应 非氧化物陶瓷Si3N4和SiC等在潮湿空气和水存在的条件下，摩擦系数较小，抗磨性能较好。这是因为为Si34与水发生化学反应，在摩擦 表面形成了剪切强度较低的氢氧化硅（SI(OH)4）反应膜。在这种情况下，SI3N4陶瓷的磨损机制主要是表面氧化物的不断水解，即微观尺度 (分子级)上的磨损，
11、因此，磨损表面非常光滑、甚至在一定速度下还可以形成流体润滑而使摩擦系数和磨损率都显著降低。SIC陶瓷在水中也可发类似于SI3N4的化学反应，但因其韧性比Si3N4的差，表面容易发生脆性断裂，所以尽管其摩擦学性能可以得到改善，但比Si3N4 的差。Si3N4 与乙醇亦可发生类似的化学反胜生成成SiO2，或再与乙醇进一步反应生成可溶于乙醇的砝酯。因此Si3N4 在乙醇中的磨损机制与其在水润滑下的相似。由于Si3N4在乙醇中的氧化反应和酯化反应的速度都比其在水中的缓慢，因而Si3N4在乙醇中的磨损率比在水中的小。 (3)化学吸附脆断 有人研究表明，TZP (四方 ZrO2)陶瓷在水重发生相变，能抑制
12、裂纹扩展而使摩擦表面不能形成宏观裂纹，此时TZP表面比较平滑，摩擦系数和磨损率均低于千摩擦条件的。另有人研究表明，在潮湿空气或水中，氧化物陶瓷发生了化吸附脆断或应力腐蚀断裂，水分子破坏了裂纹尖端金属原子与氧板子的键合，因此氧化物陶瓷在水或潮湿空气中的摩擦学性能变差。 4. 偶件表面化学活性的影响 陶瓷材料与金属材料对摩时，金属表面的化学活性对陶瓷的摩擦学性能有明显的影响。例如，共价键型陶瓷 (SI3N4、SiC和B4C等)于钢对摩时的摩擦系数较低，但抗磨性较差；离子键型陶瓷 (AL2O3和ZrO2等)与钢对摩时的摩擦系数较高，但抗磨性较佳。这主要是由于在摩擦界面形成表丽膜的类75P和特性不同所
13、致。由于共价键型陶瓷的 化学不稳定性，在摩擦过程中表面可形成，一层氧化膜 (如SiO2 膜或B2O3膜)，该表面膜能降低摩擦系数;但因陶瓷表而不断的氧化与膜的剥落，故其磨损率较高。离子键型陶瓷的吸附能力比共价键型的强，当其与钢对摩时，陶瓷表面的微凸体对钢表面有剪切作用，在陶瓷表面和形成了金属的转移膜，它能保护陶瓷表面，故具磨损率较低。但此时的摩擦过程相当于发生在钢与钢之间，因而摩擦系数较高。 陶瓷与金属组成的摩擦副的性能与金属的氧化活性有关。若金属的氧化活性较低，摩擦系数也较低，金属和陶瓷的磨损率也都较小 金属的筑化活性较高，摩擦副的磨损取决于对摩件各自的剪切强度，其中剪切强度较低的材料更容易发生磨损。有人提出用金属形成 最低价金属氧化物的自由能作为衡量金属氧化活性的参数。金属的氧 化自由能愈高，它与氧化物陶瓷之间愈不容易产生化学键结合，即不 易发生粘着，因而摩擦系数和磨损率都较低。 开拓者钼业有限公司是一家科技型的钼加工企业，主要产品有99.9%高纯二硫化钼、99.5%高纯二硫化钼、99%高纯二硫化钼、98.5%二硫化钼、98%二硫化钼、高纯超细三氧化钼、炼钢钼粉、金属钼粉等钼系列制品。电话：86-0379-63338600 63338608 张先生 杨先生邮箱： 传真：86-379-66555555地址：中国.洛阳嵩县德亭镇酒店村
