不同載荷對Sialon陶瓷摩擦磨損性能的影響

丁 宇,尹 麗,楊子豪,趙 凱

(江蘇科技大學 材料科學與工程學院,鎮江 212100)

Sialon陶瓷作為一種典型的先進陶瓷材料,具有耐腐蝕、抗氧化性好、強度高等優異的特性,在航空航天、船舶海工裝備、和耐磨零部件等領域有廣泛的應用前景[1-3].Sialon是Si3N4-Al2O3-AlN體系中重要的新型固溶體,具有α-Sialon、β-Sialon和X-Sialon等不同的體系[4].其中,β-Sialon是該體系中最具代表性的固溶體,兼具了β-Si3N4和Al2O3的理化性能,具有較高的強度、耐磨損和良好的韌性,引起廣泛的關注[5].隨著現代制造工業的發展,β-Sialon陶瓷作為一種典型的耐磨材料,可以取代特種金屬,被制成具有良好韌性、耐腐蝕和耐磨性的關鍵零部件,在船舶與海工裝備領域得到應用.大量學者相繼對Sialon材的摩擦磨損性能開展了研究,例如文獻[6]研究了Dy-α-Sialon在含氟潤滑油條件下的摩擦磨損性能;文獻[7]對摻Nd和Y穩定的α-及α/β-Sialon的磨損行為進行研究,發現其磨損特性與試樣的組分、形貌結構和力學性能有著重要的聯系.由此可知,Sialon陶瓷的物相和組成多樣,將對其摩擦磨損特性產生不同的影響.因此,需要對Sialon陶瓷材料摩擦磨損行為特性進行進一步的系統性的理論研究.

Sialon陶瓷材料的制備方法較多[8-10],例如熱壓燒結、等離子放電燒結、微波燒結和氣壓燒結等.其中,氣壓燒結法是工業生產中最常用且較經濟的方法.因此,文中采用氣壓燒結法制備β-Sialon陶瓷材料,并對其在不同載荷下的摩擦磨損特性進行研究.

1 實驗

1.1 實驗原料和樣品制備

本實驗中采用的原料為Si3N4粉(純度99.9%,粒徑<3 μm,河北高富氮化硅材料有限公司)、Al2O3粉(純度99.9%,粒徑<6.5 μm,阿拉丁股份有限公司)、AlN粉(純度99%,粒徑<3 μm,科工冶金材料有限公司)、Y2O3(純度99.9%,阿拉丁股份有限公司)和高純氮氣(純度99.99%,南京特種氣體廠股份有限公司).

實驗中,β-Sialon的化學式Si6-zAlzOzN8-z(0

5Si3N4+Al2O3+AlN→3Si5AlON7

(1)

將按上述實驗配比稱量的各原料置于聚四氟乙烯球磨罐中,選用無水乙醇和Si3N4研磨球,在行星式球磨機中以500 r/min的轉速混料6 h.混合均勻的配料經干燥和過篩后,通過壓片機預制備成φ20 mm×10 mm的圓柱體,再經過200 MPa冷等靜壓并保壓60 s制成密實坯體.將其置于氣壓燒結爐中,于4.0 MPa的氮氣氣氛下,按10 ℃/min的升溫速度升溫至1 750 ℃并保溫2 h,最后隨爐冷卻獲得燒結樣品.

1.2 樣品性能表征

燒結試樣經研磨和拋光處理后,采用X射線衍射儀(XRD, D2 Phaser, 德國Bruker公司)分析樣品的物相組成.采用掃描電子顯微鏡(SEM, Pro X, Phenom,荷蘭)分析樣品的微觀形貌.

采用阿基米德排水法測量樣品的實際體積密度和相對密度,采用壓痕法測量樣品的硬度和斷裂韌性,載荷為98 N,受力時間為10 s,測量6個壓痕點并取其平均值,并根據硬度壓痕及其裂紋擴展長度計算試樣的斷裂韌性(KIC)[11].在干摩擦條件下,選用直徑為6 mm的不銹鋼球為摩擦副,采用球-盤直線往復式滑動摩擦磨損實驗測試.其中,施加的載荷分別為10,20,30 N,時間為30 min,滑動距離為5 mm.通過3D激光共聚焦顯微鏡(LEXT OLS4000,日本)測得磨痕橫截面的平均面積(mm2),乘以磨痕滑動距離(mm),即可獲得樣品磨損體積(mm3).樣品的體積磨損率可根據公式(2)計算:

(2)

式中:kv為磨損率,mm3·N-1·m-1;V為磨損體積,mm3;P為實驗載荷,N;S為總的滑動距離,m.

采用SEM和EDS對樣品磨痕表面的形貌及元素線分布進行分析.

2 結果與討論

2.1 物相組成和微觀形貌分析

圖1為燒結試樣的XRD圖譜.由圖可知:樣品的主要物相為β-Sialon(z=1),無其他物相.這表明在該溫度下,Si3N3、Al2O3和AlN等原料完全轉化為了目標產物β-Sialon(z=1).為降低產物的燒結溫度,摩爾比為3∶5的Y2O3和Al2O3混合物作為燒結助劑添加到原料中.但是,在產物中沒有檢測到含有Y元素的物相,這是因為在液相燒結過程中Y元素分布于產物的中間玻璃相中.

圖1 燒結試樣的XRD圖譜

圖2為燒結溫度1 750 ℃條件下,燒結試樣拋光表面的形貌圖.由圖可知:試樣內部有明顯的氣孔存在,這在一定程度上影響了燒結試樣的致密化程度.試樣中的β-Sialon(z=1)晶粒呈現長柱狀,晶粒尺寸分布范圍較大,且周圍分布著不連續的玻璃中間相.

圖2 拋光試樣的表面形貌

圖3 裂紋擴展路徑

2.2 致密度和力學性能分析

從表1可知,試樣的相對密度為96.80%,說明在1 750 ℃下保溫2 h還無法獲得完全致密的β-Sialon陶瓷,這與圖2中的結果一致.該試樣的硬度(HV10)為14.88 GPa,斷裂韌性為4.66 MPa·m1/2,表現出較好的力學性能,這與其顯微結構有直接關系.圖 3為裂紋在β-Sialon陶瓷試樣中的擴展路徑,當裂紋遇到尺寸不一的柱狀β-Sialon晶粒,將發生裂紋偏轉、晶粒拔出和橋聯等現象,消耗較多的裂紋擴展能,阻礙裂紋進一步擴展,有利于試樣的韌性.

表1 燒結試樣的致密度和力學性能

2.3 摩擦磨損性能分析

在材料的摩擦磨損過程中,載荷直接決定了接觸表面的應力大小,對接觸表面產生最直接的影響[12].

圖4為燒結試樣在不同載荷下的摩擦系數變化曲線圖.由圖可知,在不同載荷下,摩擦系數顯示出相似的變化規律.首先,在摩擦初始階段(又稱磨合期,0～3 min),摩擦系數波動較大,在極短時間升高到頂點值,這是由于試樣表面的粗糙凸起顆粒物在摩擦過程中會發生斷裂形成磨屑,增加其與摩擦副之間的摩擦阻力,同時也缺乏潤滑氧化物,從而造成摩擦系數的快速上升.隨著載荷的增加,磨合期的時間越來越長,這是因為在低載荷情況下(10 N),初始接觸面較小,摩擦副和試樣的接觸區域可以很快達到平衡狀態.隨著摩擦時間的增加,摩擦系數從相對較高的狀態緩慢降低到穩定值,達到一個相對穩定的摩擦狀態.在穩定摩擦階段,如表2,不同載荷下的摩擦系數分別為:0.76,0.69,0.71.隨著載荷的增加,摩擦系數呈現減小后增加的趨勢.結合試樣表面磨損形貌可知(圖5),高載荷下的磨痕上生成了較多的粘附層,起到了一定的自潤滑作用,從而有利于降低摩擦系數.但是,過高的載荷(30 N)將導致試樣表面的形貌進一步惡化,從而導致摩擦系數有所增加.

表2 不同載荷下試樣的平均摩擦系數、磨損體積和磨損率

圖4 不同載荷下摩擦系數變化曲線

圖5 試樣表面磨損形貌

不同載荷下,試樣的磨損情況如表2、圖5和圖6.由表2可知:試樣的磨損體積和磨損率隨著載荷的增加而增加,表明隨著載荷的增加,試樣發生了輕微磨損到嚴重磨損的轉變(如圖5).由圖5可知:隨著載荷的增加,磨痕表面的磨損越嚴重,且磨痕邊緣處有摩擦氧化層生成.磨痕面的氧含量明顯高于初始表面,這表明試樣材料在摩擦磨損過程中發生了氧化反應,其磨損機制為氧化磨損.在摩擦氧化層表面存在著微裂紋,這些微裂紋沒有擴展造成表面碎裂.在摩擦層和初始表面分界處可以觀察到少量的磨屑存在(30 N時,可以明顯觀察到),這些磨屑將對表面產生磨粒磨損.

圖6 不同載荷下磨痕截面輪廓

由圖6的磨痕截面輪廓圖可知:在不同載荷下,磨痕具有較為明顯的截面輪廓,這表明試樣表面都有一定的材料損失.當載荷為10 N和20 N時,磨痕的深度較淺,在1.5～2.5 μm范圍內;當載荷增加至30 N時,磨痕深度(D)和寬度(W)都有所增加,磨痕深度約為4.5 μm.

3 結論

(1) 在實驗的燒結條件下,β-Sialon陶瓷具有較好的燒結行為,其相對密度達到96.8%,顯氣孔率為1.2%;該材料具有良好的力學性能,硬度為14.88±0.75 GPa,斷裂韌性為4.66±0.43 MPa·m1/2.

(2) 在干摩擦條件下,以不銹鋼球為摩擦副,不同載荷下,Sialon陶瓷的摩擦系數具有相似的變化趨勢.當載荷從10 N增加至20 N時,由于摩擦氧化物的產生,導致試樣的摩擦系數降低.然而,隨著載荷進一步提高到30 N,導致磨損表面形貌惡化,從而使得摩擦系數增加.

(3) 載荷對Sialon陶瓷的磨損行為有著顯著的影響.隨著載荷的增加,試樣的體積磨損率不斷增加.當載荷增加到30 N后,磨損率增加到10-5mm3·N-1·m-1數量級.文中材料的磨損機理以氧化磨損和磨粒磨損為主.