O_Sialon_BN复合材料的摩擦磨损性能研究

摩擦学学报

TRIBOLOGY

Vol22,　No3

May,2002

-Sialon-BN复合材料的摩擦磨损性能研究O’

甄　强1,2,李文超2,丁伟中1

(1.上海大学上海钢铁冶金重点实验室,上海　200072;2.北京科技大学理化系,北京　100083)

摘要:考察了O’2Sialon2普碳钢摩擦副在室温条件下的摩擦磨损性能,采用扫描电子显微镜观察分析BN复合材料󰃗复合材料试样的微结构和磨损表面形貌,并分析了其磨损机理.结果表明:室温干摩擦条件下,O’2Sialon2BN复合材料󰃗普碳钢摩擦副的磨合期长达20min;经过磨合期后摩擦系数稳定在0.82左右;复合材料的主要磨损机制为粘着磨损和磨粒磨损.O’2Sialon2硬度和断裂韧性,这是其具有良好抗磨性能的重要原因.在BN复合材料具有较高的强度、摩擦过程中,O’2Sialon22Sialon2BN材料磨损表面形成的铁及其氧化物转移膜起一定的减摩抗磨作用,而O’BN复合材料中的BN起一定的固体润滑作用.

关键词:O’2Sialon2BN复合材料;摩擦磨损性能;磨损机理中图分类号:O414

文章标识码:A

文章编号:100420595(2002)0320161204

　　近年来,近终型连铸工艺得到了迅速发展.20世

纪90年代中期,德国冶金科技工作者建立了反向凝固生产复合钢板的新工艺,目前,我国也开始了这方面的研究.O’2Sialon2BN复合材料作为反向凝固新工艺用的炉底狭缝材料,具有优良的力学性能、抗热震性能、抗氧化性能和抗钢液侵蚀性能.但在复合钢板生产过程中,炉底狭缝材料不仅要承受高温钢水的热冲击和侵蚀,还要承受母板的挤压和摩擦,因此,其必须具备良好的摩擦磨损性能.

材料的摩擦磨损性能主要受硬度和断裂韧性的影响,硬度和断裂韧性愈好,则耐磨性愈好[1～9].O’2

硬度和断裂韧Sialon2BN复合材料具有较高的强度、

性,预示其亦具有良好的摩擦磨损性能.本文报道针对O’2Sialon2普碳钢摩擦副室温干摩擦条件下BN󰃗

的摩擦磨损性能与机理研究结果.

摩擦磨损试验机上评价材料的摩擦磨损性能,试验条件为:室温,载荷100N,频率30Hz,行程1.5mm,试验时间5～45min.试验结束后,先将O’2BN试样和普碳钢试样在超声波中清洗15min,再用丙酮及乙醇清洗,然后在红外线灯下干燥,最后采用感量为0.1mg的电子分析天平称量测定试样的磨损质量损失.采用O’2Sialon试样进行对比试验.

将试样及其磨损表面进行喷金处理,然后采用扫描电子显微镜(SEM)观察表面形貌,并分析其磨损机理.

2　结果与讨论

2.1　摩擦磨损性能

图1示出了室温和100N载荷干摩擦条件下,2普碳钢和O’2Sialon󰃗普碳钢摩擦副的典型摩O’BN󰃗擦曲线.可以看出:摩擦初期的摩擦系数很不稳定,经过约20min的磨合期后,摩擦系数逐渐趋于稳定,2组摩擦副的摩擦系数相差不大.图2示出了O’2BN试样和O’2Sialon试样在室温、100N载荷、干摩擦条件下与普碳钢对摩时磨损质量损失随时间的变化情况.可见,在室温条件下,O’22Sialon试样的BN和O’

磨损质量损失均随时间的增加而增大,但O’2Sialon的增大幅度略大,表明O’2Sialon2BN复合材料比2Sialon材料具有更好的抗磨性能.O’2O’BN同普碳

1　实验部分

试验选用热压烧结合成的以O’2Sialon为主晶

相、含h22Sialon2BN10%(质量分数)的O’BN复合材料,切割成直径24mm、高7.88mm的圆柱体试样(O’2BN试样),打磨摩擦接触表面,并用金刚石研磨膏抛光,使表面粗糙度达到0.02～0.05mm.偶件试样由普碳钢加工制成,其尺寸为高16.5mm、直径20mm,同样将其摩擦接触表面打磨和抛光.在SRV

基金项目:国家自然科学基金资助项目(59674028,59872002).

收稿日期:2001209220;修回日期:2001212210󰃗联系人甄强,E2mail:qiangzhen@ihw.com.cn.

作者简介:甄强,男,1967年生,博士后,副教授,目前主要从事高温陶瓷、固体电解质的制备、结构与性能关系的研究工作.

162摩　擦　学　学　报第22卷

(a)O’2BN󰃗steel(b)O’2Sialon󰃗steel

Fig1　Thefrictioncurvesofthefrictionalpairsunderdrysliding

图1　摩擦副在干摩擦条件下的摩擦曲线

(a)O’22SialonBNandO’(b)O’2BNandsteel

22Sialonslidingagainststeelat100NFig2　WearmasslossofO’BNandO’图2　O’22Sialon和普碳钢试样在室温、100N载荷条件下的磨损量BN、O’

钢对摩时,二者在磨合期的磨损质量损失迅速增加

[图2(b)],磨合期之后磨损质量损失缓慢增加2.O’Sialon2BN复合材料的磨损质量损失比普碳钢试样

在少量凹坑,这些凹坑即是由于颗粒剥落所致.

图4所示为O’2Sialon2BN复合材料表面形貌.可以看出,柱状的O’2Sialon相互紧密结SEM照片

合形成团束状组织[图4(a)],这种O’2Sialon团束彼

的小2个数量级以上.这一方面是由于相对O’2Sialon2BN材料而言,普碳钢的硬度低得多,容易被

剪切,粘着点断裂多发生在普碳钢表面;另一方面是由于铁的粘着倾向较强,摩擦过程中铁在O’2Sialon2BN材料表面形成大片转移层,因而使得普碳钢磨损

此穿插构成空间骨架结构,BN颗粒填充在骨架的空隙中[图4(b)],这种结构可以在较大的温度范围内阻碍晶界的滑移,延缓材料高温强度的衰减,对改善材料的力学性能极为有利.O’2Sialon2BN复合材料

2

的断裂韧性K1C=4.76MPamm1󰃗,维氏硬度HV=110.29MPa,室温抗折强度sf约为170MPa,并可一

较为剧烈.此外,复合材料中的BN在摩擦过程中起一定的自润滑作用,有利于减轻复合材料的磨损.2.2　磨损机理分析

图3所示为室温条件下O’2BN试样磨损表面形貌SEM照片.可以看出:在室温条件下,O’2BN试样

磨损表面存在粘着转移和犁沟迹象[图3(a)],表明2普碳钢摩擦副在室温条件下的磨损机制主要O’BN󰃗是粘着磨损和磨粒磨损;EDS分析结果表明,粘着物主要由铁及其氧化物和少量BN及O’2Sialon颗粒组成[图3(b)].从图3(c)可以看出,O’2BN试样磨损表面的粘着物较厚,并呈明显的剥落迹象,表面存

直保持到1000℃.当温度继续升高则抗折强度降

低,但在1300℃时仍保持在90MPa左右(见图5).因此,O’2Sialon2硬度BN复合材料具有较高的强度、和断裂韧性,这是该材料具有良好的抗磨性能的重要原因.

2Sialon2O’BN复合材料具有良好抗磨性能的另一个主要原因在于该材料中含有10%的BN.BN不仅可以改善材料的韧性,还可以起固体润滑剂的作用.这是因为BN具有类似石墨一样的层状结构,层

第3期甄　强等:　O’2Sialon2BN复合材料的摩擦磨损性能研究163

(a)Adhesionandploughchannelonwornsurface

(a)GrainsofO’2Sialon

(b)EDSpatternforwornsurface(b)GrainsofBN

2Sialon2Fig4　SEMmorphologyofO’BNcomposite图4　O’2Sialon2BN复合材料表面形貌SEM照片

(c)Surfaceafteradhesionflakingoff

2Fig3　SEMmorphologyofwornsurfaceofO’BNsample

(roomtemperature,100N,30min)图3　O’2BN试样磨损表面形貌SEM照片及组成的EDS图谱(室温,100N,30min)

Fig5　Temperaturedependenceofbendingstrength

间由范德华力结合,易于滑动.在空气、氢气和惰性介质中对其进行润滑性能测试的试验结果表明:在室温至1250℃的温度范围内,BN比二硫化钼、氧化锌和石墨等几种常用固体润滑剂有更好的润滑效果,尤其在900℃以下的温度下使用更为理想[10].所以,在较低温度下,O’2Sialon2BN复合材料中的BN会起一定的自润滑作用,同时在较高温度下铁的氧化产物也将起一定的自润滑作用.

2ofO’BNsampleinair

图5　O’2BN试样抗折强度与温度的关系

材料󰃗普碳钢摩擦副的磨合期长达20min,并且在磨合期内的摩擦系数很不稳定;经过磨合期后摩擦系数

稳定在0.82左右.

2b.　O’BN同普碳钢对摩时的主要磨损机理为

粘着磨损和磨粒磨损.

2Sialon2c.　O’BN复合材料具有较高的强度、硬度和断裂韧性,这是其具有良好的抗磨性能的主要

原因之一.

3　结论

2Sialon2a.　在室温干摩擦条件下,O’BN复合

1摩　擦　学　学　报

Tribologists,Tokyo,1990,6572662.

第22卷

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-Sialon-BNCompositeSlidingFrictionandWearBehaviorofO’

againstSteelatAmbientCondition

ZHENQiang

1,2

1

,LIWen2chao2,DINGWei2zhong

(1.ShanghaiEnhancedLaboratoryofFerrometallurgy,Shanghai200072,P.R.China;

2.UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,P.R.China)

2Sialon2Abstract:ThefrictionandwearbehaviorofO’BNunderdryslidingagainstamildsteelatroom2SialontemperaturewascomparativelyexaminedwithanSRVoscillatingfrictionandweartesterbyusingO’sampleasthereference.Themicrostructureandwornsurfacemorphologyofthecompositewereanalyzed

2Sialon2withascanningelectronmicroscope.TheresultsshowthatO’BNhadbetterwear2resistancethan2Sialon,whichwasrelatedtothehighstrength,hardnessandfracturetoughnessofthecompositeandtheO’

2Sialon22Sialonintheself2lubricatingactionofBNintheO’BN.ThedominantwearmechanismsforO’slidingagainstthesteelwereadhesionandabrasivewear,andtheadhesionandabrasionwearwasabatedfor

2Sialon2O’BNcompositeslidingagainstthesamecounterpart,becauseofthebettermechanicalpropertiesofthelatterandtheself2lubricatingactionofBN.

2Sialon2Keywords:O’BN;composite;frictionandwearbehavior;wearmechanism

Author:ZHENQiang,male,bornin1967,Ph.D.,AssociateProfessor,E2mail:qiangzhen@ihw.com.cn.