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《机械科学研究总院》 2008年
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1Cr18Ni9Ti不锈钢和陶瓷材料在高浓度过氧化氢中的摩擦学性能研究

王集辉  
【摘要】: 本文主要围绕国家973课题“强氧化环境下材料的磨损机制”中所涉及的科学问题来展开试验研究和理论探索。通过所建立的强氧化环境下材料摩擦学性能试验平台,试验研究和探讨1Cr18Ni9Ti不锈钢、Si_3N_4和Y-TZP陶瓷等几种材料在去离子水和不同浓度过氧化氢介质中的摩擦磨损行为及失效机理。 对过氧化氢介质中服役的1Cr18Ni9Ti不锈钢进行合适的化学钝化处理,并采用白光共焦三维轮廓仪、光学显微镜、电化学测试系统及XPS光电子能谱仪等分析仪器对表面钝化膜的轮廓形貌、电化学行为、元素组成和价态进行了观察和分析。结果表明,1Cr18Ni9Ti不锈钢经钝化后,表面变的相对光滑平整,表面缺陷减少;钝化后的1Cr18Ni9Ti不锈钢表面无游离铁存在且抗腐蚀性能显著提高;1Cr18Ni9Ti表面钝化膜主要表现为富氧、富铬及贫铁等特征,其中Cr_2O_3是它的主要成分。 试验研究了表面钝化膜和基体粗糙度对1Cr18Ni9Ti不锈钢在去离子水和过氧化氢介质中摩擦学性能变化的影响规律,发现钝化膜对不锈钢盘的摩擦系数影响与H_2O_2溶液浓度相关,总的趋势是钝化处理有利于降低摩擦系数;钝化膜的形成在一定程度上能缓减不锈钢盘与其对偶件GCr15钢球在水和过氧化氢介质中的磨损。在水和低浓度H_2O_2介质中(30%和60%),钝化或未钝化1Cr18Ni9Ti不锈钢盘的磨损机理均表现为粘着磨损、腐蚀磨损和磨粒磨损,在高浓度H_2O_2溶液(90%)中,其磨损机理以磨粒磨损和腐蚀磨损为主,粘着磨损作用明显减轻。另外,在水、30%和90%H_2O_2介质中,抛光不锈钢的摩擦系数和磨损体积损失均大于未抛光不锈钢,其磨损机理没有明显变化。 首次对四组陶瓷摩擦副在去离子水、30%、60%和90%H_2O_2介质中的摩擦磨损行为进行了较系统的试验研究,发现Y-TZP/Si_3N_4和Si_3N_4/Si_3N_4摩擦副在上述三种浓度过氧化氢中的摩擦系数均明显低于Y-TZP/GCr15和Si_3N_4/GCr15摩擦副;Y-TZP/GCr15在去离子水中的主要磨损机制为粘着磨损,在过氧化氢介质中则表现为微犁削和抛光型磨损;Y-TZP/Si_3N_4陶瓷盘表面在去离子水中的主要破坏形式是三体磨粒磨损,但在过氧化氢介质中,微观断裂机制是其主要的失效方式;Si_3N_4/Si_3N_4陶瓷摩擦副在去离子水和过氧化氢介质中,磨损机制均主要表现为机械磨损和摩擦化学磨损,但由于两种介质的化学性能差异很大,使得Si_3N_4陶瓷在过氧化氢介质中以SiO_2颗粒形式从磨损表面被粘出或转移。另外,在90%浓度过氧化氢介质中,表面抛光处理对Si_3N_4/Si_3N_4、Y-TZP/Si_3N_4和Si_3N_4/GCr15三组陶瓷摩擦副的摩擦系数影响较小,如前两者摩擦副的陶瓷盘在抛光后的摩擦系数与抛光前基本相当,而后者陶瓷盘抛光后的摩擦系数在试验时间内均小于抛光前,但两者差值很小。另外,对于Y-TZP/GCr15摩擦副,随试验时间的延长,抛光处理能有效降低其摩擦系数。 本文的试验研究结果为强氧化介质条件下的摩擦学研究工作奠定了良好的工作基础。
【学位授予单位】:机械科学研究总院
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TB303

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