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“滑溜溜”的工程陶瓷材料是如何炼成的?
2018年10月11日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:224
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结构陶瓷因具有较高的硬度、强度、刚度,较低的密度和优异的化学稳定性,以及高温下优良的力学性能,而被广泛地应用于各种不同的条件下,因此成为较好的耐磨部件材料之一。但在干摩擦条件下,陶瓷材料与陶瓷或金属等材料配副时,摩擦因数和磨损率均较高,研究表明,摩擦因数一般在0.7~0.9之间,并容易因严重磨损而失效。因此,陶瓷材料能够实现有效润滑或自润滑对于拓展其工程应用具有非常重要的意义。

 

备注:两个既直接接触又产生相对摩擦运动的物体所构成的体系称为摩擦副。可以分为滑动摩擦副和滚动摩擦副。

图:北京中材氮化硅滚珠

 

陶瓷传统的润滑技术及自润滑

目前,对工程中应用的普通结构陶瓷的润滑方式主要有液体润滑,润滑脂、润滑剂润滑等。然而,这些传统的润滑方式存在着诸多的不足。例如:润滑剂中的添加剂不与陶瓷表面发生作用,因而不能形成能充分接触的边界膜;现有润滑剂由于随温度升高,粘性呈指数下降,易造成微凸体直接接触;高温下容易发生液态润滑剂的性能衰减等;润滑剂的使用会对环境造成一定污染等。

 

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自润滑陶瓷的研究为解决陶瓷材料摩擦因数和磨损率较高的问题提供了一条重要而有效的路径。下文将对陶瓷材料实现自润滑的方法做简单介绍。

 

陶瓷材料实现自润滑功能的方式

目前陶瓷自润滑材料的实现方式可以归结为3a、在一定条件下,单质陶瓷材料基体具有自润滑性b在一定条件下发生化学反应生成润滑物质在材料表面原位生成具有润滑作用的反应膜从而实现材料的自润滑c、在材料基体中直接添加固体润滑剂。

 

1、单质材料基体具有自润滑性

在一定条件下,某些陶瓷材料其本身(自配副)能够产生自润滑现象,一般原因是:发生了摩擦化学反应或在外界润滑介质的辅助作用下实现自润滑性能。

 

例如,氧化铝陶瓷是得到广泛应用的耐磨材料之一有关其高温摩擦学特性已有了不少研究成果公开发表。Tetsuya Senda等的研究结果表明1000℃时,氧化铝自配对摩擦过程中磨损量下降,摩擦亚表面发生了动态再结晶并形成了细晶组织,并且发现摩擦表面玻璃态物质的形成,细晶组织和玻璃态物质的形成降低了摩擦接触界面的粗糙度,改善了摩擦学特性。


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又有赵明等对结构陶瓷氮化硅自配副的干摩擦磨损行为进行研究,得出结论:干摩擦条件下氮化硅自配副摩擦因数低,耐磨性好,表面摩擦氧化产物有利于提高氮化硅陶瓷的耐磨性,磨损机理主要表现为晶粒断裂、脱落和表面摩擦氧化。


 

图:北京中材 耐磨氮化硅陶瓷轴承

 

更多研究此处不再展开,根据研究表明单质陶瓷材料实现自润滑性能一般存在两种情况:一、自配副表面发生摩擦化学反应实现自润滑;二、在水、过氧化氢等其他润滑介质存在的情况下,与陶瓷材料发生化学反应或起到辅助作用而实现自润滑。这些实现条件往往较为苛刻,不能满足大众应用场合的润滑要求,且效果不太理想。

 

2、在一定条件下发生化学反应生成润滑物质

有些自润滑材料是利用材料的添加物之间在一定条件下相互反应或与空气中的氧反应生成具有润滑功能的物质,在摩擦表面拖敷成膜,达到润滑目的。采用该方法获得的材料可避免添加固体润滑剂对材料机械性能的不利影响。由于该润滑膜只有在材料表面高温条件下通过摩擦化学反应才会产生,因此,这种自润滑陶瓷材料在高温摩擦下具有良好的自润滑能力。

 

研究示例:研究人员吴芳对热压碳化硼表面自润滑膜的生成做了研究。发现在实验条件下,未经热处理的碳化硼摩擦副的摩擦因数由起始阶段的0.35-0.4,随滑行距离的增加而减小至0.25左右。对摩擦前后接触面进行X射线衍射分析,结果表明:接触界面发生了摩擦化学反应,生成了把B2O3H3BO3由于H3BO3。具有层状晶体结构,有润滑性,这是使摩擦因数降低的主要原因。利用热处理的方法,促使碳化硼表面生成氧化膜B2O3,在冷却过程中B2O3自发地与空气中的水蒸气反应生成H3BO3自润滑膜,可使摩擦因数进一步降低至0.08左右,且更加稳定。

 

3、在材料基体中直接添加固体润滑剂

目前大部分自润滑材料的自润滑功能的实现是通过在材料基体添加一定数量的固体润滑剂实现的,也是目前的各研究的热点所在。

 

①常见固体润滑剂

常用的固体润滑剂有石墨、六方氮化硼(hBN)、二硫化钼MoS2)、石墨氟化物、氟化钙(CaF2)等。其中,hBN具有更好的高温稳定性和润滑性能。MoS2400℃、石墨在450℃左右氧化,而hBN在900℃时仍呈现出稳定状态。虽然MoS2、石墨与hBN虽有有类似的层状结构,但前二者在摩擦作用下,结晶体易破碎,细碎的结晶微粒易与周围气体发生化学反应而变质,使润滑性能变坏;而hBN硬度较高,摩擦过程中不易破碎,白色的hBN润滑材料不会带来类似石墨的污染。

 

图:苏州纳朴 六方氮化硼电镜图

 

CaF2是一种很好的固体润滑剂,具有层状结构,在剪切力的作用下容易产生滑移。从500℃开始具体有润滑性,可以使用到900℃而不会因氧化失效。CaF2高温下由脆性向塑性转变且氟元素与摩擦表面发生化学反应而具有润滑性

 

氧化铝陶瓷材料的自润滑特性研究

Al2O3为结构陶瓷中的典型材料,通常应用于承受载荷、腐蚀、高温、绝缘等条件苛刻的环境中。它与hBN具有较好的物理和化学相容性。

 

研究示例:王芬等人制备了Al2O3/hBN自润滑复合陶瓷材料并对其显微结构进行分析得出结论:只有加入适量的hBN才能使Al2O3复合陶瓷材料同时具有良好的自润滑性能和力学性能。当添加质量分数为10%时,hBN就能在基体材料中均匀弥散,在摩擦作用下被拖敷成膜并完全覆盖摩擦表面,起到自润滑作用。hBN膜剪切强度较低,不仅有利于降低陶瓷的摩擦因数,而且可以阻止陶瓷表面微凸体与偶件直接接触,增大承载面积,避免应力集中,从而降低陶瓷材料磨损率。

 

氮化硅陶瓷材料的自润滑特性研究

氮化硅陶瓷的摩擦因数低,有优良的自润滑能力,摩擦因数在0.02~0.35之间。并且强度高、韧性好,最高强度可达1700MPa。该材料的热膨胀系数小,与SiC、锆英石、莫来石相近;导热性好,具有良好的抗震性,是优良的耐热陶瓷

 

研究示例:J.M.Carrapichano等研究了干摩擦条件下Si3N4/BN陶瓷复合材料销盘自配副的摩擦学行为得出结论:将BN加入Si3N4陶瓷基体可使摩擦因数降低,从Si3N4陶瓷材料的0.82降低到添加10%BN的Si3N4/BN陶瓷材料的0.67。磨损率均小于10-5mm3/(N·m)数量级,但当BN含量大于10%时急剧上升,如Si3N4/25%BN陶瓷材料磨损率达到10-3mm3/(N·m)数量级。当盘试样与滑动方向平行时,能获得最小的摩擦因数值和磨损率值,主要磨损机理为沿晶裂纹扩展。但在其实验条件下,并未获得摩擦化学反应膜,原因可能是:试验条件较温和,不足以使陶瓷材料与周围环境发生摩擦化学反应。

 

氧化锆陶瓷材料的自润滑特性研究

ZrO2陶瓷的高温热稳定性与隔热性能最好,最适宜做陶瓷涂层和高温耐磨材料。但缺点是摩擦因数太高,限制了它的应用,随着对氧化锆陶瓷材料研究的深入,其摩擦学研究显得尤为必要,通过对添加固体润滑剂的氧化锆陶瓷材料的研究,使得将其应用为高温摩擦材料成为可能。

 

研究示例:添加氟化物的ZrO2基复合材料与偶联材料相对滑动过程中,在高温条件下,氟化物极大地改善了基体的摩擦学性能。这是因为氟化物CaF2BaF2等受到摩擦挤压和摩擦热的作用下,被挤出表面,氟化物的剪切强度较低,在高温环境下,固体润滑剂氟化物受到摩擦挤压会发生塑性变形,所以露出表面的固体润滑剂氟化物受到摩擦挤压会被拖覆至ZrO2陶瓷表面;当大量的固体润滑剂氟化物颗粒被拖覆时,就形成了一层稳定的润滑膜。Kim S H等人研究了添加CaF2BaF2对陶瓷基摩擦学性能的影响,CaF2BaF2显著地降低了陶瓷基复合材料的摩擦系数和磨损率,使陶瓷基复合材料在高温状态下达到了较好的摩擦学性能。

 

三、小结

1、单质陶瓷材料实现自润滑性能一般存在两种情况:①、自配副表面发生摩擦化学反应实现自润滑;②、在水、过氧化氢等其他润滑介质存在的情况下,与陶瓷材料发生化学反应或起到辅助作用而实现自润滑。这些实现条件往往较为苛刻,不能满足润滑要求,且效果不理想;

 

2、非氧化物陶瓷材料(Si3N4)添加固体润滑实现自润滑性能时,当固体润滑剂质量分数达到一定值时,摩擦配副摩擦因数和磨损率均有显著较低,可能是由于发生了摩擦化学反应生成了摩擦化学反应膜,也可能由于固体润滑剂本身的片层状结构使得摩擦因数和磨损率降低;

 

3、氧化物陶瓷材料添加固体润滑剂实现自润滑性能时,能够获得良好的摩擦磨损性能,可能是由于固体润滑剂在摩擦作用下被拖敷成膜覆盖在陶瓷复合材料表面,起到保护和润滑摩擦表面的作用,也可能是由于发生了摩擦化学反应起到润滑作用。

 

参考文献

1、结构陶瓷润滑技术研究进展;陕西科技大学机电工程学院;高东强,艾旭,陈威,吕政琳。

2、陶瓷自润滑材料及其实现自润滑的方式;山东大学机械学院,曹同坤,邓建新;淄博职业学院,杨秋菊。

3、ZrO2基自润滑复合陶瓷材料的研究进展;吕 晨,艾云龙,何 文,陈卫华,欧阳平;南昌航空大学。

 

粉体圈 编辑:小白


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