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氮化硅陶瓷摩擦磨损性能介绍及相关研究
2019年03月05日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:134
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氮化硅陶瓷表面非常光洁,摩擦系数较小,摩擦系数随着温度和速度的变化不大,因此能保证机械器件的正常运转,是氮化硅材料的一个显著优点氮化硅陶瓷开始对磨滑动摩擦系数达到1.0至1.6,经精密磨合后,摩擦系数就大大下降,保持在0.5以下

氮化硅材料的润滑性很好,由于其摩擦系数的特点,所以在一定程度上,氮化硅材料能自润滑。其产生的原因主要是相对的滑动或者是压力下,摩擦的表面物质能产生薄膜,这种薄膜为气相,大大的降低了摩擦阻力,增强其润滑性能。这种自增润滑的性能与石墨、滑石的润滑机理不同,大多数材料摩擦时间越长,摩擦系数大幅增长,氮化硅却不一样,它的摩擦阻力是随着时间的加长而减小,在这一点上,氮化硅具有其他材料不可比拟的性能。

氮化硅陶瓷在不良的润滑工况条件下如贫油润滑、无油干摩擦等),可以有效避免设备突发故障造成的损失

 

 热压成型的氮化硅球工作了十年后 “变得圆滑了”

影响氮化硅陶瓷摩擦磨损性能的因素居多,部分相关研究如下:

不同的制品气孔率

兰州大学李波等研究了反应烧结和常压烧结两种氮化硅制品的摩擦磨损特性,其中反应烧结氮化硅气孔率22.7%,常压烧结氮化硅气孔率1.7%,反应烧结氮化硅气孔多更易发生表面化学变化,常压烧结氮化硅力学性能显然优于反应烧结,而磨损性能与材料整体力学性能有关,因此常压烧结氮化硅的耐磨性更好,研究表明,制品的气孔率会影响氮化硅的摩擦磨损性能。

添加不同稀土氧化物

Hideki Hyuga等研究了添加不同稀土氧化物(Y2O3Yb2O3Lu2O3)的热压烧结氮化硅在干摩擦条件下的磨损性能,实验表明低载荷下,较小阳离子半径添加物(Lu3+Yb3+)能导致更强的晶界连接强度和更高的耐温性,导致耐磨性更强;在高载荷下,磨损以脆性断裂为主,Lu2O3的添加能导致更强的晶界连接和更高程度的脆性破坏,进而导致磨损率增加。

配对摩擦副材料

J M Carrapichano研究了不同氮化硅不同配对副下的摩擦磨损性能,实验结果见下表:

一定压力和转速下制品的摩擦、磨损系数

 

虽然Si3N4/WC摩擦副具有较小的摩擦系数(0.03),但WC硬质合金有两个缺点:密度大和不耐酸腐蚀,在航空航天领域、核电领域密封的主要摩擦副材料是Si3N4/Si3N4

与环境介质的关系

魏建军研究了氮化硅在水和乙醇中的摩擦磨损性能,研究表明,Si3N4的摩擦系数和磨损体积随润滑环境的不同有如下顺序:干摩擦>水润滑>乙醇润滑;宋宝玉研究了不同湿度气氛中氮化硅陶瓷的摩擦性能,研究表明,对于空气、氮气和氩气3种气氛,干燥时氮化硅陶瓷的摩擦系数小而磨损量大,加湿时摩擦系数大而磨损小。

与温度和载荷的关系

温度和载荷是对陶瓷摩擦磨损性能影响最大的外部因素,不同的实验方式及不同的载荷阶段,磨损率随载荷增加的程度通常也不同。Dong等绘制了氮化硅在不同温度和载荷下的摩擦磨损特性:

 

 Si3N4在不同温度和载荷下的摩擦磨损特性

由图可以看到5个区和1个过渡区,结合相关测试表明,每个区的摩擦、磨损系数和控制机理都不一样。

影响陶瓷材料摩擦磨损性能的因素较多,目前大多直接建立“环境-摩擦磨损性能”或“性能-摩擦磨损性能”研究,但实际过程中,环境和性能往往同时影响着摩擦磨损性能。

氮化硅陶瓷在高精尖领域的轴承、密封等方面的应用越来越广泛,其摩擦磨损性能成为研究热点之一,随着氮化硅研究面的铺展和摩擦磨损研究的深入进行,定将会给工程设计和应用带来更多的指导与帮助。

参考资料:

[1].汪彩芬,徐俊,白彬等.氮化硅陶瓷摩擦磨损性能研究进展[J].材料导报,2013;

[2].王朔.Si3N4/SiC复合陶瓷材料的制备与性能研究[D].武汉科技大学,2012

 

粉体圈曦析 整理


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