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碳化硅和氧化铝基陶瓷材料的摩擦磨损特性研究

李敦钫  
【摘要】: 在化学工业中,高级陶瓷材料作为液体介质中的耐磨部件正日益受到关注。本文针对目前泵用摩擦零部件材料发展的需要,在实验室摩擦磨损试验机上研究了按环/块线接触方式作往复运动条件下的碳化硅和氧化铝基陶瓷材料摩擦副在水、化学腐蚀性介质作润滑剂和无润滑时室温下的摩擦磨损特性。用扫描电子显微镜(SEM)对磨痕表面形貌进行了分析,用能量色散X射线分析(EDAX)对磨痕表面进行化学成分分析,并用表面轮廓仪测定了磨痕表面粗糙度和磨痕表面轮廓曲线。 试验过程中考察了商业工程陶瓷如无压烧结碳化硅SiC(Ekasic F)、单相氧化铝陶瓷Al_2O_3(F99.7)和多相氧化铝陶瓷ZTA(氧化锆增韧氧化铝,SN80)所组成的摩擦副SiC/SiC、Al_2O_3/Al_2O_3和Al_2O_3/ZTA在水、1mol/L氢氧化钠水溶液、1mol/L盐酸水溶液和相对湿度50%的空气中的摩擦磨损特性。本文利用CO_2激光,在开孔率小于5%的商业工程陶瓷Al24基体材料预涂层表面上进行激光熔覆试验,制备了二种不同成分的表面层Al24ZY和Al24ZYS。二种激光熔覆层的陶瓷块材料与Al_2O_3(F99.7)组成摩擦副Al_2O_3/Al24ZY和Al_2O_3/Al24ZYS,在不同的介质中进行了摩擦磨损试验。试验过程还考察了激光重熔氧化锆增韧氧化铝(ZTA)表面对其摩擦磨损特性的影响,摩擦副为Al_2O_3/ZTAL,以及SiC/Al24ZY摩擦副的摩擦磨损特性。在每次试验过程中连续测定和记录了摩擦系数和线磨损总量(环块线磨损总量之和),试验后用表面轮廓仪分别测定了各自的环块线磨损量,同一条件下摩擦副的摩擦系数和线磨损总量为至少二次试验的平均值。主要研究了不同表面状态、介质、载荷、滑动频率和滑动距离等对不同摩擦副的摩擦系数和线磨损总量的影响。比较了不同陶瓷材料摩擦副在不同的试验条件下的摩擦学性质,并进一步分析了摩擦磨损机理,讨论了影响陶瓷材料摩擦磨损的一些因素。 摩擦化学反应对陶瓷摩擦副的摩擦磨擦特性有很大的影响,本文通过电位-pH图对Al_2O_3、ZrO_2和SiO_2等在水溶液中的热力学性质进行了分析,指出了陶瓷材料摩擦接触表面上摩擦化学反应层形成的可能性,以及水溶液中酸碱介质对摩擦化学反应层稳定性的影响。 试验结果表明,当试验条件为载荷60N,滑动距离288m,单向滑程8mm,滑动频率10Hz,平均滑动速度0.16m/s时,Al_2O_3/ZTA、Al_2O_3/Al_2O_3、SiC/SiC、Al_2O_3/Al24ZY和Al_2O_3/Al24ZYS五种摩擦副的摩擦系数最大值均分别为:在水中 昆明理工大学博士学位论文 摘要 小于0.犯,在lmol几氢氧化钠水溶液中小于0.17,在lmol/L盐酸水溶液中小于 0.15:其中SIOSIC摩擦副的摩擦系数在水中和lm。巩盐酸水溶液中均小于0.02, 而在lm0垅氢氧化钠水溶液中小于0.1。在相对湿度50%的空气中,各摩擦副的 摩擦系数在0.6一0.8之间变化。在不同介质中,各摩擦副之间的摩擦系数顺序为: 在蒸馏水中:产,,2仇,:二声,,2马,月,2仇声,,2乌,,,24:二产,,2仇,,,24二刀及。/sic 在lmol几氢氧化钠中:声,,2仇/,,2。,产,,2马,。产,,2仇/,,242丫产,,2仇/,,24zys 声夕c/及c 在lmol几盐酸中:产,,2马,,,2。,产,,2马,,,242二尸,,2伪,,,242;声,,2乌,Z二户。。/二e 在相对湿度50%的空气中:产、,2仇,,,242二声,,:仇,:。声,。,。。产,,2仇,,,24:: 声,22马z,220, 在不同介质中A1203亿TA、A12O3/A 1203、A12O3/A 124ZY,A12O3/A124ZYS四种 摩擦副摩擦系数的顺序为尸Air尸价。尸NaoH产Hcl;SIC/SIC摩擦副的摩擦系数为 产Ai户刀NaoH声凡口声Hclo 在不同的介质中,A12O3/A 1203的线磨损总量顺序为 所币。所NaoH琳HcI所HZ。,而其余四种摩擦副的线磨损总量则为 琳、;琳Hcl所~琳凡。。在不同的溶液介质中,各摩擦副之间的线磨损总 量顺序为: 在水中:研.、2仇,,12仇城一AIZ仇,:。矶一si。,二。班.A12仇,,,242:城通12仇,,,24:Ys 在lmol/L氢氧化钠:琳月,2仇,,,2马研.,,2马,二研。,2仇,,,242丫矶通,203,,,242二 琳c,sic 在lmo比盐酸中:琳A12仇,:TA城AIZ马,,1203琳AIZ马,,,24:Ys琳AIZ马,,,24z了 琳sic,sic 在相对湿度的50%空气中:矶.、2仇,zTA磷从马,,12仇矶.二c/。。巩A12仇,,,24zys 峨讨,2乌/,,24ZY 在相对湿度50%的空气中,经激光处理过的配对摩擦副的线磨损总量要比其 它摩擦副的线磨损总量小几个数量级。 当载荷为60N,滑动频率为10Hz时,经过400om滑动距离后,在水中 A12O3/A 1203,A1203亿TA,A12O3/A 124ZY和A12O3/A 124zYS摩擦副均不能形成有 效的润滑膜,属边界润滑过程,磨损表面产生了裂纹,发生了晶粒拔出。在lmol几 盐酸水溶液中,A12O3/A 1203、A12O3亿l人、A12O3/A 124ZY和A12O3/A 1 24ZYS摩擦 昆明理工大学博士学位论文 摘要 副达到?


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