氧化铝陶瓷在腐蚀环境下的摩擦磨损性能

图、氧化铝圆柱形坩埚
1、摩擦因数
载荷为40N时，摩擦副在3种不同的滑动速度与润滑介质下的摩擦因数随时间的变化如图1所示。因前3min 为试验的预磨阶段，图中摩擦因 数截取试验开始3min后到试验结束。由图可知， 无论以何种溶液为润滑介质，摩擦因数都随滑动 速度的增加而降低

图1 不同滑动速度变化曲线
当滑动速度达到 0.10 m / s 时，摩擦副的摩擦因数下降到 0.100 以下，这是由于以流体为润滑介质时，滑动速度越快，摩擦表面的微凸体接触时压强越小，使润滑介质的成膜厚度增加，摩擦因数降低。图1a 和图1c 中以HCl 溶液为润滑介质时摩擦副的摩擦因数在进入稳定阶段后仍出现较大幅度的突增，试验过程中出现短暂摩擦异响，这是因为酸性环境更易使摩擦过程中出现较大块的材料剥落(由多个晶粒和基质组成 )，剥落物需要 逐渐被挤压应力和剪应力分解，部分随润滑介质排出摩擦副。图1b 和图1c 中 HCl 溶液摩擦副的 摩擦因数达到最低值一段时间后出现了小幅升高，这是因为酸性环境更易造成 Al2O3陶瓷因摩擦化学反应加剧了表面破坏，摩擦表面的凹坑不断增多使表面粗糙度增大并突破一个临界值，表面粗糙度的增大会造成润滑不良使摩擦因数升高。
以去离子水为润滑介质时摩擦副的摩擦因数 无论是前期快速磨合阶段还是后期的稳定磨损阶段都比另外 2 种溶液波动小，摩擦过程中没有明显的突增。图1a 和图 1b 中去离子水润滑的摩擦因数曲线整体平滑，相对于酸性环境，去离子水可减少H 对 Al2O3 陶瓷的腐蚀，减少因摩擦化学反应导致的磨料磨损。故去离子水环境下的摩擦因数小于酸性环境。以 NaOH 溶液为润滑介质时摩擦副的摩擦因 数最低。有研究指出，实现流体润滑的最小膜厚 hmin与液体黏度 η 的关系为NaOH 溶液的黏度大于去离子水，实现流体润滑所需的膜厚较小，同时 NaOH 溶液可以与Al2O3发生摩擦化学反应
Si3N4 6H2O = 3SiO2 4NH3
SiO2 2H2O = Si( OH) 4
NaOH溶液有利于摩擦表面生成铝和硅的氢氧化物膜，这些氢氧化物膜具有较小的临界剪切应力。摩擦因数与摩擦表面之间润滑膜的临界剪切应力成正比，因此NaOH 溶液为润滑介质时，摩擦副具有较低的摩擦因数。但在试验后期因磨屑过多，NaOH 溶液黏度高使多余磨屑来不及排出摩擦表面，造成摩擦因数的波动。
2、磨损体积
Al2O3 陶瓷在3种润滑介质润滑时，不同滑动速度造成的磨损体积如图 2 所示。由图可知: 无论以何种溶液为润滑介质，当滑动速度为 0.08 m / s 时，磨损体积最小，此时水润滑的成膜效果最好，其中以去离子水为润滑介质时可达到 0.01 μm3 以下，当超过该滑动速度，Al2O3 陶瓷的磨损体积急剧上升; 滑动速度为0.10 m/ s 时的磨损体积约为0.06 m/ s 的10 倍，在该滑动速度下Al2O3 陶瓷的磨损体积最大。原因为过快的滑动速度使润滑介质来 不及在摩擦表面成膜，造成润滑效果不佳，磨损体积增大。较大的磨损体积意味着零件表面破坏严重，不利于零件的长时间工作。无论何种滑动速度，HCl 溶液为润滑介质时Al2O3 陶瓷的磨损体积比其他 2 种润滑介质都有明显增大，说明在 HCl 溶液中 Al2O3 陶瓷的腐蚀磨损比较严重。

摩擦副在 NaOH溶液润滑时虽然摩擦因数比去离子水时更低，但滑动速度相同时，Al2O3 陶瓷的磨损体积明显比在去离子水中的大，说明碱性环境有利于铝和硅的氢氧化物产生，获得更低的 摩擦因数，但其中OH － 的存在以及摩擦造成的温升促进摩擦化学反应的进行，加剧了Al2O3 陶瓷表面的磨损。相同滑动速度下，以去离子水为润滑介质时 Al2O3 陶瓷的磨损体积最小。去离子水润滑环境 中材料的磨损机理主要为疲劳磨损和磨粒磨损， 试验结束后收集到的深灰色絮状磨屑以该工况下 的质量最少，亦可验证此观点。
3、磨损形貌
HCl溶液为润滑介质时Al2O3 陶瓷磨损后的表面形貌如图3 所示。图3a 中摩擦表面破坏严重，存在大量凹坑，这些凹坑是由于微凸体反复接触摩擦时微凸体断裂和晶粒拔出导致的。同时在酸性环境的影响下，Al( OH)3与 Si( OH)4 以及胶状 SiO2 的生成受到抑制与破坏，缺乏这些物质对表面的润滑作用，使摩擦更加剧烈。由于 Al2O3 陶瓷晶粒之间的烧结基质主要包括Al2O3、少量碱金属和碱土金属氧化物，当这些物质被HCl 溶液腐蚀后变得松散，使晶粒之间的连接强度降低，更易发生晶间断裂，故图3b中摩擦表面的晶粒分离度较高，凹坑内晶粒断层明显。图3c是摩擦表面的 三维形貌，直观体现了HCl 溶液对摩擦表面破坏的加剧，该条件下造成的凹坑深度为 10 ～ 40 μm。

NaOH 溶液为润滑介质时，Al2O3 陶瓷磨损后的表面形貌如图4所示，由图4a和图4b可知，NaOH 溶液为润滑介质时Al2O3 陶瓷表面凹坑和破损明显少于HCl 溶液润滑时的摩擦表面，摩擦表面形成了一层连续且致密的铝的氢氧化物薄膜，在3种润滑介质中，其成膜度最高。文献指出润滑膜可以提高摩擦表面的抗剪强度和降低摩擦因数，当抗剪强度提高，摩擦因数降低时，由摩擦引起的塑性变形也将减小。这层铝的氢氧化物受到挤压应力和剪切应力会转化为层状结构，不仅使光滑区面积增加，也避免已经因晶粒拔出产生的凹坑使摩擦条件恶化。图4c 中显示表面凹坑深度为5 ～ 20 μm。

去离子水为润滑介质时，Al2O3陶瓷磨损后的表面形貌如图5所示，图5a 中间部分为挤压应力和剪切应力最大的位置，出现了沿摩擦副运动方向因微犁削导致的划痕，通过多组试验发现，仅在去离子水润滑时可在表面观测到该类摩擦机理。摩擦表面大块凹坑的数量比其他2种润滑介质大幅减少，但在图5b中可见大量由疲劳磨损造成小而深的剥落，晶粒分离度不明显，说明仍有铝和硅的氢氧化物薄膜起润滑和减摩作用。通过图5c所示的三维形貌可知相对于腐蚀溶液，水润滑环境下Al2O3 / Si3N4 摩擦副摩擦后得到的表面粗糙度最小。

4、讨论与结论
1) 当载荷为40N，滑动速度为0.06 ～ 0.10 m/ s，摩擦时间为60min时，Al2O3/ Si3N4陶瓷摩擦副在3种不同润滑介质中摩擦因数顺序为μHCl＞μH2O＞μNaOH。
2) 相同工况下，Al2O3 陶瓷在3种不同润滑介质中的磨损体积顺序为WHCl ＞ WNaOH＞WH2O。当滑动速度为0.08 m / s 时，Al2O3 陶瓷的磨损体积最小，此时润滑介质的成膜效果最好，润滑效果最佳。受试验条件所限，所测滑动速度与工程实际情况存在偏差，研究结果存在一定的局限性。
3) HCl溶液为润滑介质时Al2O3陶瓷表面的破坏程度最高。摩擦过程中，HCl 溶液会腐蚀破坏Al2O3陶瓷烧结基质，降低晶粒之间的连接强度，造成大量晶粒拔出和磨粒磨损。同时酸性环境抑制铝和硅的氢氧化物产生，从而导致摩擦表面不能有效成膜，使水润滑效果降低，磨损加剧。
4) NaOH溶液因含大量OH－，促进了铝和硅 的氢氧化物在摩擦副表面成膜，使摩擦表面光滑，有效降低了摩擦因数，但由于其引起的腐蚀作用， 摩擦副的表面质量仍然低于在去离子水中润滑的情况。
本信息源自互联网仅供学术交流，如有侵权请您联系我们立即删除。