本文關(guān)鍵詞：不同含量hBN陶瓷復(fù)合材料自潤滑特性研究

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【摘要】：本課題來源于國家自然科學(xué)基金項目(51405278)。論文針對空氣環(huán)境條件下,Si3N4-hBN陶瓷復(fù)合材料與金屬配副時,試驗速度、載荷、金屬組織、hBN含量等內(nèi)外因素對摩擦副摩擦學(xué)性能影響較大的問題,將不同hBN含量的Si3N4-hBN陶瓷復(fù)合材料與奧氏體不銹鋼OCr18Ni9Ti (ASS)配副進行摩擦試驗研究,并選用常規(guī)金屬材料45鋼(45#)作為另一配副材料進行對比試驗研究,旨在系統(tǒng)探究空氣環(huán)境條件下,外因與內(nèi)因?qū)i3N4-hBN/金屬摩擦副摩擦磨損性能的交互影響作用。采用MMW-1型立式萬能摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損試驗,借助掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜儀(EDS)、X射線衍射儀(XRD), X射線光電子能譜儀(XPS)以及激光掃描顯微鏡(LSM)等測試分析手段,觀察了試樣摩擦表面和磨屑的微觀形貌,分析了磨屑和摩擦表面膜的物相組成,并借助紅外熱像儀測量摩擦副間的摩擦溫度,從而揭示各內(nèi)外因素對摩擦副摩擦學(xué)性能的影響以及交互影響效應(yīng)。通過分析與研究,得出結(jié)論如下：空氣環(huán)境條件下,載荷一定(10N)時,速度的增大使Si3N4-hBN/ASS摩擦副的摩擦因數(shù)有所下降。當(dāng)hBN含量為10%(即Si3N4-10%hBN,記作SN10,下文中不同hBN含量的復(fù)合陶瓷銷試樣采取相同的記法,分別為SM0、SN5、SM10、SM20、和SM30)時,SN10/ASS配副的摩擦因數(shù)由0.52m/s時的0.69降低到0.86m/s時的0.51,再降低到1.73m/s時的0.12,此時,與SN10銷試樣配副的ASS盤試樣摩擦表面形成了以Fe2O3、SiO2和B203為主要成分的表面膜,該膜保護并潤滑摩擦表面,使SN10/ASS配副獲得了較好的摩擦學(xué)性能,且SN10銷試樣磨損率為-6.5×10-6 mm·N-1m-1與其配副的ASS盤試樣磨損率最小,為1.26×10-5 mm·N-1m-1;i3N4-hBN/ASS摩擦副磨損機理主要以粘著磨損為主。相同條件下,Si3N4-hBN/45#摩擦副的摩擦因數(shù)整體高于S i3N4-hBN/ASS摩擦副,尤其是速度為1.73m/s時,SN10/45#配副的摩擦因數(shù)高達1.38,45#盤試樣摩擦表面非常粗糙,有明顯的犁溝磨損和剝落,摩擦表面上的氧化產(chǎn)物未能成膜,無潤滑作用；Si3N4-hBN/45#摩擦副磨損機理主要以磨粒磨損和粘著磨損為主。載荷對Si3N4-hBN/ASS摩擦副的摩擦學(xué)性能影響較為顯著,載荷的增大能夠降低摩擦副的摩擦因數(shù),而當(dāng)載荷繼續(xù)增大時,摩擦因數(shù)再次升高。在速度一定的(0.52m/s)條件下,當(dāng)載荷為20N時,SNO/ASS、SN20/ASS配副磨損機理以磨粒磨損和粘著磨損為主,SN30/ASS配副磨損機理以磨粒磨損為主；SN10/ASS配副的摩擦因數(shù)從10N時的0.69降低到20N時的0.27,隨后又上升到30N時的0.48,50N時的0.74；銷、盤試樣的磨損率隨載荷的增大均有所上升；載荷為20N時,與SN10銷試樣配副的ASS盤試樣摩擦表面形成了以Fe2O3和SiO2為主要成分的表面膜,保護和潤滑了摩擦表面,與此同時,SN10表面形成的磨屑層有效地避免了銷盤的直接接觸,對摩擦表面起到了一定的保護作用,因此SN10/ASS配副表現(xiàn)出了較好的摩擦學(xué)行為。相同條件下,Si3N4-hBN/45#摩擦副的摩擦因數(shù)整體高于Si3N4-hBN/ASS摩擦副的摩擦因數(shù),尤其當(dāng)載荷為50N時,SN30/45#配副的摩擦因數(shù)高達1.49；所有盤試樣磨損率均較高。hBN的加入能有效改善Si3N4復(fù)相陶瓷的自潤滑性能,當(dāng)hBN含量為10%時,摩擦副獲得了較好的摩擦學(xué)性能；而當(dāng)hBN含量較高時,因Si3N4-hBN銷試樣物理力學(xué)性能變差而導(dǎo)致摩擦副體現(xiàn)出較差的摩擦學(xué)性能；且速度和載荷的增大引起摩擦副間摩擦溫度的升高,為摩擦表面剝落坑中堆積的磨屑發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)并形成表面膜創(chuàng)造了有利條件,而當(dāng)摩擦溫度過高時,破壞了摩擦化學(xué)反應(yīng)膜的形成機理,使得摩擦副間摩擦因數(shù)上升。不銹鋼中所含合金元素(Ni、Cr、Ti等)提高了其硬度、韌性、耐磨性等,且在摩擦過程中,ASS盤試樣摩擦表面因摩擦誘發(fā)馬氏體相變而形成硬化層,表面硬度有所提高,為表面膜的形成提供了條件；而45鋼,由于本身韌性較差,且不能發(fā)生相變,摩擦過程中磨損形式表現(xiàn)為粘著、剝落和凹坑,這種情況下摩擦表面上氧化物難以成膜,不能起到潤滑作用�？偟膩碚f,在空氣環(huán)境條件下,內(nèi)部因素和外部因素共同作用時對Si3N4-hBN/ASS摩擦副的摩擦學(xué)性能能夠產(chǎn)生顯著影響。本論文中,在變速度條件下,當(dāng)線速度為1.73m/s時,SN10/ASS配副獲得了最好的摩擦學(xué)性能；在變載荷條件下,當(dāng)載荷為20N時,SN10/ASS配副獲得了最好的摩擦學(xué)性能。
【關(guān)鍵詞】：陶瓷復(fù)合材料 空氣環(huán)境 速度 載荷 摩擦表面膜
【學(xué)位授予單位】：陜西科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ174.758.2;TH117
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 1 緒論12-26
• 1.1 課題的研究背景12-13
• 1.2 陶瓷摩擦學(xué)13-18
• 1.2.1 摩擦磨損簡介13-15
• 1.2.2 陶瓷的結(jié)構(gòu)特性與摩擦磨損性能15-16
• 1.2.3 Si_3N_4基陶瓷復(fù)合材料16-18
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀18-23
• 1.3.1 速度對陶瓷復(fù)合材料摩擦學(xué)性能影響的研究現(xiàn)狀18-20
• 1.3.2 載荷對陶瓷復(fù)合材料摩擦學(xué)性能影響的研究現(xiàn)狀20-21
• 1.3.3 陶瓷/金屬摩擦副摩擦學(xué)性能的研究現(xiàn)狀21-23
• 1.4 課題研究的主要內(nèi)容和目的意義23-26
• 1.4.1 研究內(nèi)容23-24
• 1.4.2 研究目的和意義24-26
• 2 試樣制備和試驗方法26-40
• 2.1 試樣制備26-30
• 2.1.1 金相試樣的制備26-28
• 2.1.2 Si_3N_4-hBN陶瓷復(fù)合材料的制備與性能28-30
• 2.2 試驗方法30-34
• 2.2.1 試驗流程30
• 2.2.2 摩擦磨損試驗機30
• 2.2.3 摩擦副配副方式與試驗參數(shù)30-33
• 2.2.4 摩擦因數(shù)和磨損率的測定33-34
• 2.3 測試與分析方法34-37
• 2.3.1 摩擦表面觀察與分析34
• 2.3.2 試樣直切面的制備與分析34-37
• 2.3.3 銷-盤摩擦副間摩擦溫度的測量37
• 2.4 本章小結(jié)37-40
• 3 速度對Si_3N_4-hBN/金屬摩擦副摩擦學(xué)性能的影響40-54
• 3.1 Si_3N_4-hBN/ASS摩擦副的摩擦試驗結(jié)果與分析40-49
• 3.1.1 摩擦試驗結(jié)果40-41
• 3.1.2 摩擦試驗結(jié)果分析41-49
• 3.2 Si_3N_4-hBN/45#摩擦副的摩擦試驗結(jié)果與分析49-52
• 3.2.1 摩擦試驗結(jié)果49
• 3.2.2 摩擦試驗結(jié)果分析49-52
• 3.3 本章小結(jié)52-54
• 4 載荷對Si_3N_4-hBN/金屬摩擦副摩擦學(xué)性能的影響54-68
• 4.1 Si_3N_4-hBN/ASS摩擦副的摩擦試驗結(jié)果與分析54-63
• 4.1.1 摩擦試驗結(jié)果54-55
• 4.1.2 摩擦試驗結(jié)果分析55-63
• 4.2 Si_3N_4-hBN/45#摩擦副的摩擦試驗結(jié)果與分析63-65
• 4.2.1 摩擦試驗結(jié)果63
• 4.2.2 摩擦試驗結(jié)果分析63-65
• 4.3 本章小結(jié)65-68
• 5 外部因素與內(nèi)部因素對Si_3N_4-hBN陶瓷復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的交互影響效應(yīng)68-78
• 5.1 紅外熱像儀及其原理簡介68-69
• 5.2 外因?qū)i_3N_4-hBN陶瓷復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響69-74
• 5.2.1 速度對Si_3N_4-hBN陶瓷復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響69-71
• 5.2.2 載荷對Si_3N_4-hBN陶瓷復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響71-74
• 5.3 內(nèi)因?qū)i_3N_4-hBN陶瓷復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響74-75
• 5.3.1 金屬組織對Si_3N_4-hBN陶瓷復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響74
• 5.3.2 hBN含量對Si_3N_4-hBN陶瓷復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響74-75
• 5.4 外因與內(nèi)因?qū)i_3N_4-hBN陶瓷復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的交互影響效應(yīng)75-77
• 5.5 本章小結(jié)77-78
• 6 總結(jié)與展望78-80
• 6.1 總結(jié)78-79
• 6.2 展望79-80
• 致謝80-82
• 參考文獻82-88
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄88-90

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