不同湿度下氮化硅陶瓷摩擦学性能的研究*

2018-07-04□山旭

装备机械 2018年2期

□山旭

陕西科技大学机电工程学院西安 710021

1 研究背景

氮化硅在现代工业中的应用越来越广泛，是一种具有一定热导率、低热膨胀系数、较高弹性模量的高强度硬陶瓷。不同于一般陶瓷，氮化硅的断裂韧性高。这些性质结合起来，使氮化硅具有优秀的耐热冲击性能，能够在高温下承受高结构载荷，并具备优异的耐磨损性能[1-4]，常用于高耐用性和高温环境下，如汽轮机、汽车引擎零件，以及轴承和金属切割加工零件等[5]。美国的航天飞机就是采用氮化硅制造的主引擎轴承。氮化硅薄膜是硅基半导体常用的绝缘层。由氮化硅制作的悬臂是原子力显微镜的传感部件[6-8]。

目前，关于陶瓷摩擦学性能的研究主要在于载荷、速度、温度及配副方式对摩擦学性能的影响，以及所引起的变化规律方面，而很少有学者研究环境因素，尤其是湿度对陶瓷摩擦学性能的影响[9-10]。实际上，陶瓷的摩擦学行为对水分子的存在十分敏感，所以外部环境的湿度对陶瓷的摩擦磨损性能影响较大。

对湿度在陶瓷摩擦时影响的研究，可以弥补湿度对氮化硅陶瓷摩擦学性能影响研究的不足，阐释不同湿度下氮化硅陶瓷摩擦行为的变化。另一方面，笔者试图寻找最适宜材料应用的环境湿度，优化氮化硅陶瓷的应用领域。

笔者选择了三种不同湿度，研究湿度对氮化硅陶瓷摩擦学性能的影响，着重考察湿度对其摩擦机制转变的影响，揭示摩擦表面形貌形成机制与减摩机制，丰富和完善氮化硅陶瓷摩擦学理论，具有一定的学术价值和理论意义。

2 试验研究

2.1 原料

试验原料为0Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢、砂纸、金相抛光剂、实验室自制王水、脱脂棉、无水乙醇、氮化硅陶瓷。

2.2 仪器

试验仪器包括P-1型金相抛光机、MMW-1型立式万能摩擦磨损试验机、KQ-250DE型数控超声清洗机、SQP型电子天平、加湿器、S-4800型场发射扫描电子显微镜、D/max 2200P型X射线衍射仪、激光扫描电子显微镜等。

2.3 奥氏体不锈钢盘试样制备

在试验之前，需用不同粒度的砂纸对市购的不锈钢盘试样进行打磨，将表面的氧化层打磨掉。笔者试验采用的不锈钢盘试样需要分别经过200目、400目、800目三种不同粒度的砂纸依次打磨，对打磨后的不锈钢盘试样进行金相组织分析。采用线切割方法将打磨后的不锈钢盘试样分割成小块，便于后续抛光及腐蚀。再采用金相抛光机对切割后的小块不锈钢盘试样进行抛光，随后经过王水腐蚀与无水乙醇清洗，采用X射线衍射仪观察物相组成，确认试样为0Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢材料。

2.4 氮化硅陶瓷销制备

试验所用的氮化硅陶瓷材料由市购的粉末材料烧结得到，粉末材料有α相纳米级氮化硅、β相微米级氮化硅和纳米级六方氮化硼，其中六方氮化硼作为固体添加剂。氮化硅陶瓷材料的制备流程为配料、球磨混料、烘干、过筛、装料、热压、脱模，最终得到所需要的氮化硅陶瓷销试样。

2.5 试验方法

试验利用立式万能摩擦磨损试验机来研究在不同湿度下氮化硅陶瓷销试样与奥氏体不锈钢盘的摩擦学性能，采用上销下盘的配副方式。采用夹具将氮化硅销试样固定在旋转轴上，不锈钢盘试样固定在基座上，在压力作用下使销试样和盘试样端面接触，轴的转动使上下试样间发生滑动摩擦。所有摩擦试验均在室温条件下进行，相对湿度分别为30%、60%、90%。所有测量结果均可以在计算机屏幕上实时显示，同时记录并保存试验曲线，对试验曲线进行摩擦因数分析和磨损率计算。

2.6 数据处理

试验的摩擦因数数据由试验机自动记录，并由数据处理软件给出，然后计算出平均摩擦因数。应用Origin软件对试验机输出的数据及摩擦因数曲线进行平滑处理，并计算出试样的磨损率，分析摩擦因数的趋势及磨损率，从而进行归纳总结，得到试验结果。

2.7 检测方法

对试样摩擦表面进行分析的方法如下：使用场发射扫描电子显微镜观察试样的摩擦表面和磨屑形貌；使用X射线衍射仪分析试样的物相组成；使用激光扫描电子显微镜分析摩擦表面轮廓，计测表面膜厚度，测量摩擦表面粗糙度；使用X射线能谱分析仪进行能谱分析。

3 结果与讨论

3.1 不同相对湿度下摩擦因数对比

图1所示为不同相对湿度下氮化硅陶瓷销试样的摩擦因数。通过对不同湿度下不同成分氮化硅陶瓷销试样的对比分析，得出在氮化硅陶瓷销试样中加入六方氮化硼对摩擦性能有改善作用。为方便表述，用SN代表氮化硅，其后数值代表相应的六方氮化硼含量。但是，在不同湿度条件下，对氮化硅陶瓷销试样中加入六方氮化硼量的多少，要求并不一致，且在相对湿度60%时，得到了摩擦因数的最小值，因此说明湿度对摩擦因数的影响较大。在相对湿度30%下，SN30氮化硅陶瓷销试样摩擦因数最小。在相对湿度60%下，SN10氮化硅陶瓷销试样摩擦因数最小。在相对湿度90%下，SN20氮化硅陶瓷销试样摩擦因数最小。SN10和SN30氮化硅陶瓷销试样在不同湿度下的摩擦因数整体都较小，SN20氮化硅陶瓷销试样的摩擦因数较大，且SN10氮化硅陶瓷销试样在相对湿度60%时的摩擦因数又是其中最小的，因此着重研究SN10和SN30氮化硅陶瓷销试样在三种不同湿度条件下的摩擦因数变化情况。在不同湿度条件下，不同氮化硅陶瓷销试样的摩擦因数存在较大差异，说明湿度对摩擦因数的影响较大。

图1 不同相对湿度下氮化硅陶瓷销试样摩擦因数

3.2 不同氮化硅陶瓷销试样摩擦因数

图2所示为SN10和SN30氮化硅陶瓷销试样在不同相对湿度下的摩擦因数曲线。当相对湿度为30%和90%时，两者的摩擦因数均较大，而相对湿度为60%时，两者的摩擦因数均较小。其中，相对湿度为30%时摩擦因数大是由于空气湿度太低，摩擦表面没有形成足够多的氧化物，润滑作用不明显。但是当空气湿度上升时，摩擦表面形成含二氧化硅、三氧化二硼或硼酸的摩擦化学反应膜，这一反应膜保护、润滑或光滑摩擦表面，从而有效降低摩擦因数和磨损率，在复合材料中六方氮化硼的减摩作用显著。同时，这种摩擦化学反应膜的形成与试验材料本征特性、配副方式、润滑条件等密切相关。与SN30氮化硅陶瓷销试样相比，SN10氮化硅陶瓷销试样在相对湿度为60%时的摩擦因数曲线波动较小，数值也更小，因此接下来着重研究SN10氮化硅陶瓷销试样的摩擦表面特性。

图2 氮化硅陶瓷销试样摩擦因数曲线

3.3 试样摩擦表面分析

图3所示为在相对湿度60%下，SN10氮化硅陶瓷销试样与奥氏体不锈钢盘试样的摩擦表面形貌。由图3可知，SN10氮化硅陶瓷销试样表面形成了明显的奥氏体不锈钢转移层，局部有剥落坑，而且奥氏体不锈钢转移层粘结成了大片区域，从而使摩擦变为奥氏体不锈钢自身之间的摩擦，使摩擦因数降低。与SN10氮化硅陶瓷销试样配副的奥氏体不锈钢盘试样摩擦表面平整光滑，激光扫描显微分析结果表明，奥氏体不锈钢盘试样表面粗糙度较好。如图4所示，在奥氏体不锈钢盘试样的摩擦表面取283.6 μm×200 μm的小块区域，这块区域上的摩擦表面二维轮廓曲线如图5所示。可见，奥氏体不锈钢盘摩擦表面的二维轮廓曲线波动幅度较小，高度差较小，由此证明，奥氏体不锈钢盘试样的摩擦表面粗糙度值较小，表面比较光滑，与SN10氮化硅陶瓷销试样配副时的摩擦因数较小。

图3 相对湿度60%下试样摩擦表面

图4 奥氏体不锈钢盘试样表面区域

图5 奥氏体不锈钢盘试样摩擦表面二维轮廓曲线

对与SN10氮化硅陶瓷销试样配副的奥氏体不锈钢盘试样利用X射线能谱分析仪进行能谱分析，如图6所示，其中位置1为物质转移层，位置2为奥氏体不锈钢盘试样本身的金属层。位置1与位置2相比，位置1处的氧含量明显增大，并且出现了在位置2不存在的元素，如铝、钇等，这说明该层的物质除了有来自奥氏体不锈钢盘试样的金属及金属氧化物外，还有部分来自于SN10氮化硅陶瓷销试样。对SN10氮化硅陶瓷销试样进行能谱分析，如图7所示，显示SN10氮化硅陶瓷销试样的摩擦表面也形成了氧化膜。由于氧化膜的形成，使摩擦表面变得更加光滑。氧化膜主要是含三氧化二硼和二氧化硅的摩擦化学反应膜，可能是因为脱离摩擦表面的陶瓷颗粒被压入在奥氏体不锈钢物质转移层上，并与环境中水分子发生摩擦化学反应，从而在摩擦表面形成含三氧化二硼和二氧化硅的摩擦化学反应膜。摩擦化学反应膜的形成保护了摩擦表面，并使之光滑，降低了摩擦因数。关于摩擦化学反应膜的形成过程还有待于进一步深入研究。