室温下的各种陶瓷的干摩擦
2023-10-01
室温干摩擦条件下，陶瓷材料在配副摩擦的过程中，一般表现出较高的摩擦因数和磨损率（指被磨试样的体积与磨擦功的比值，即单位摩擦功所磨试样的体积，反映了材料的耐磨性能，与磨损量相关）研究认为，陶瓷／陶瓷配副的摩擦因数一般大于0.5，磨损率一般高于10-6mm3／（Ｎ·ｍ），而金属在相同条件下摩擦因数相对较低，如在室温下铸铁自配副干摩擦时的摩擦因数为0.18，相同条件下钢和铸铁配副时的摩擦因数为0.2。对于陶瓷自配副时的高摩擦因数现象，究其原因，主要是陶瓷摩擦时所发生的断裂、疲劳和剥落等导致的高摩擦因数和磨损率。当然陶瓷材料在室温干摩擦条件下的摩擦学性能依陶瓷类型各有不同。
1、氮化硅陶瓷
非氧化物陶瓷中目前应用为广泛的是Si3N4基陶瓷（含Si3N4）。室温下不同摩擦副下，氮化硅磨损结果有所不同。
例如，研究人员采用Si3N4/SiC配副时发现，由于高硬度的SiC对Si3N4表面产生切削和犁沟现象，从而表现出较高的摩擦因数。Si3N4材料的磨损也比较严重，且低断裂韧性的SiC容易出现脆性剥离，磨损体积损失比较大。而采用，在Si3N4/Al2O3配副时，Si3N4的硬度和断裂韧性均比Al2O3的高，而Si3N4的摩擦氧化反应使磨损面上形成的氧化物膜对Al2O3磨屑有较强的吸附力，并形成Al2O3磨屑吸附层，以致表现出低的摩擦因数。而当Si3N4基陶瓷自己配副时，有一种研究结果是擦面上会由于应力集中而产生微裂纹，不利于摩擦，摩擦因数稳定在0.3。
2、碳化硅陶瓷
非氧化物陶瓷中SiC陶瓷也是一种常见的陶瓷材料，其硬度高，仅次于金刚石、立方BN等少数物质。由于SiC陶瓷摩擦学性能对环境因素（温度、湿度等）更为敏感，空气中的水汽在摩擦表面产生吸附层，吸附层在摩擦时降低了摩擦因数，有研究表明室温下碳化硅表面的主要磨损机理为断裂和犁削磨损。
3、氧化铝陶瓷
Al2O3陶瓷是在工业中广泛应用的一种陶瓷。Al2O3陶瓷自配副时，载荷和滑动速度为摩擦磨损性能的主要影响因素。Al2O3陶瓷在与不同金属配副时，其摩擦磨损性能的表现大相径庭。有研究发现，Al2O3与钢配副时的磨损量远远低于其与钛合金配副时的磨损量，结果相差３个数量级，说明与钛合金配副时其耐磨性表现极差。Al2O3／钢配副时，陶瓷表面形成钢的转移膜，使得Al2O3与钢的摩擦转化为钢与钢的摩擦，从而降低了Al2O3的磨损量。
4、氧化锆陶瓷
在氧化物陶瓷中ZrO2由于突出的综合力学性能，也正在成为广泛使用的氧化物陶瓷之一。根据黄传真等对ZYA30（70%3Y-TZP和30%Al2O3）和ZYW35（65%3Y-TZP和35%（W，Ti）C）两种材料进行摩擦学性能试验，发现在相同磨损条件下ZYA30的耐磨性能比ZYW35好。两种材料的磨损机理基本相同，低载荷下主要是塑性变形和粘着磨损，较高载荷下主要是塑性变形和分层剥落。总体来说，在室温干摩擦条件下，大多数陶瓷没有较好的摩擦学表现。陶瓷与陶瓷摩擦时，由于脆性都比较大，其磨损机理多表现为断裂、疲劳和磨粒磨损；而陶瓷在与金属对磨时，金属的硬度较陶瓷低得多，陶瓷容易对金属造成切削，磨损机理多为粘着磨损。
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