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Y-TZP基陶瓷材料摩擦磨损的研究

梁小平  
【摘要】:本文以石油钻井泵陶瓷缸套为应用背景,对Y-TZP基陶瓷材料的摩擦磨损性能进行了系统的研究。 3Y-TZP///(Mg,Y)-PSZ干摩擦时,3Y-TZP的磨损率与载荷和速度有关;而水润滑下,磨损率主要与载荷有关。水润滑下陶瓷磨损率较干摩擦时的要低。干摩擦时3Y-TZP表面温度随速度和载荷的增大而升高,且随滑动时间的延长而升高。表面温度的升高,加速了3Y-TZP的磨损。 Al2O3颗粒引入Y-TZP(ADZ)中,改善了陶瓷的物理机械性能,可有效地提高陶瓷的耐磨性。ADZ磨损率随载荷的增大而增大,100N和300N时,陶瓷硬度对耐磨性起主导作用,高载荷(500N)时,相变增韧机制对陶瓷耐磨性有明显贡献。机械混合和化学共沉淀两种方式引入Y2O3的10ADZ的硬度和断裂韧性相近,但后者耐磨性较优,主要是其显微结构较均匀。ADZ的磨损表面具有分形特征,磨损表面的分形维数和磨损率都随载荷的增加而增大,表明表面形貌特征与陶瓷磨损性能关系密切。磨粒对陶瓷磨损性能影响的研究表明,尖锐的和硬的磨粒会降低陶瓷耐磨性。 研究表明ADZ的耐磨性虽然与晶粒尺寸有关,但并不是单调地随晶粒尺寸的增大而降低。在载荷应力作用下t-ZrO2会发生马氏体相变,相变增韧有助于提高陶瓷的耐磨性。t-ZrO2太小,不能发生应力诱导相变增韧而无助于耐磨性;t-ZrO2较大,易相变并产生大量微裂纹,微裂纹的交汇和联接容易产生断裂,加速磨损。因此提出了不宜简单地用W-1∝G-1/2来描述氧化锆陶瓷的耐磨性和晶粒尺寸之间的关系。陶瓷的摩擦系数不受气孔率的影响,陶瓷的磨损率随气孔率的增大而增加。提出了磨损临界孔径这一概念,小于临界孔径的微孔几乎不影响陶瓷的磨损。开、闭气孔的存在都对陶瓷的耐磨性有负面影响。 首次研究了Y-TZP中引入适量的莫来石(MDZ)可提高耐磨性。柱状莫来石的存在对提高耐磨性的主要贡献为:⑴阻碍裂纹扩展,桥联增韧,消耗裂纹成核、扩展的能量;⑵阻止晶界滑移;⑶抑制ZrO2晶粒的异常长大,使MDZ致密化。MDZ的主要磨损机制为微犁削、塑性变形和柱状莫来石晶粒脱落。 根据试验结果,结合现场应用情况所估算出的ADZ陶瓷和高铬铸铁两种缸套材料的使用寿命的比值与现场应用结果相当,说明在模拟工况下来研究材料的磨损性能是可行性的。


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