Cr3C2 與（W，Ti）C增強氧化鋁陶瓷的摩擦磨損性能

孫德明，許崇海，楊劉波，吳建軍

（1山東建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟南250101；2山東輕工業(yè)學(xué)院，濟南250100）

Cr3C2與（W，Ti）C增強氧化鋁陶瓷的摩擦磨損性能

孫德明1，許崇海2，楊劉波1，吳建軍1

（1山東建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟南250101；2山東輕工業(yè)學(xué)院，濟南250100）

采用熱壓燒結(jié)技術(shù)制備了Al2O3／Cr3C2／（W，Ti）C復(fù)合陶瓷材料，對其物理力學(xué)性能、摩擦磨損性能進行測試，用掃描電鏡（SEM）對其磨損表面進行觀察。結(jié)果表明：Al2O3／Cr3C2／（W，Ti）C陶瓷材料具有良好的綜合力學(xué)性能，在與硬質(zhì)合金YG8圓環(huán)的對磨中表現(xiàn)出較高的減摩抗磨性能，摩擦因子與磨損率較單相Al2O3降低近50%。對其磨損機理研究認(rèn)為，磨粒磨損為主要磨損機制，高的強度和韌性是其具有良好耐磨性能的主要原因。

氧化鋁；碳化鎢鈦；碳化鉻；摩擦磨損

Al2O3陶瓷以其優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的物理性能（如：高熔點、高強度、高硬度、高的抗蝕能力等），成為深受歡迎的陶瓷材料之一。但其本質(zhì)脆性降低了材料可靠度，限制了在更大范圍的應(yīng)用。為此，各國學(xué)者研究了許多強韌化方法，制備出了多種高性能的Al2O3陶瓷復(fù)合材料［1－5］。作者以Al2O3為基體，考慮Cr3C2和（W，Ti）C兩種顆粒對Al2O3的綜合強韌化，熱壓燒結(jié)制得 Al2O3／Cr3C2／（W，Ti）C復(fù)合陶瓷材料（簡稱ACW復(fù)合陶瓷材料），有效提高了氧化鋁陶瓷的力學(xué)性能［6－8］，本工作就其摩擦磨損性能進行研究。

1 實驗

1.1 材料制備

采用分析純Al（OH）3分解制得α－Al2O3，純度大于99%，粉末平均直徑小于1μm。所采用的（W，Ti）C和Cr3C2粉末純度均大于99%，平均粒徑約為1μm。在使用前采用稀HNO3和NaOH溶液加熱清洗，以減少雜質(zhì)含量?；旌戏勰┮詿o水乙醇為介質(zhì)用YG8硬質(zhì)合金球濕式球磨48h，真空干燥24h，在N2氣流中過篩，適當(dāng)預(yù)冷壓粉體，然后裝爐進行熱壓燒結(jié)。燒結(jié)溫度1500～1700℃，壓力28MPa，保溫保壓時間30～50min，保護氣氛為N2，隨爐冷卻。

1.2 性能測試

試樣經(jīng)過研磨拋光，尺寸為4mm×3mm×30mm，采用三點彎曲法測定材料的抗彎強度σf，跨距為20mm，加載速率為0.5mm／min。采用Vickers硬度計測定材料的顯微硬度HV，加載載荷為98N，持荷時間為15s。斷裂韌性KIC采用壓痕法測量。Al2O3及兩種ACW材料（ACW1，ACW2）性能指標(biāo)測試結(jié)果的平均值示于表1。

摩擦磨損實驗在MM－200型環(huán)塊磨損試驗機上進行，室溫干摩擦。摩擦副（磨輪）為硬質(zhì)合金YG8圓環(huán)，尺寸為φ（40－16）mm×10mm，硬度 HRA89，表面粗糙度Ra＝0.08μm。各摩擦力矩值均取對磨17min后的3min時間內(nèi)5個讀數(shù)的平均值，試樣磨痕寬度在JC10型讀數(shù)顯微鏡下測量。摩擦系數(shù)按下式計算：

磨損率定義為單位荷載單位磨程下磨損的寬度：

式（1）和（2）中：k為摩擦系數(shù)；F為摩擦力；P為試樣所受壓力負(fù)載；M為摩擦力矩；R為硬質(zhì)合金圓環(huán)外圓半徑；W″為磨損率；b為磨痕的寬度；s為摩擦磨損的行程；ω為硬質(zhì)合金圓環(huán)的轉(zhuǎn)動角速率（2πr／min）；t為摩擦磨損時間。

表1 陶瓷材料物理力學(xué)性能Table 1 Physical and mechanical properties of ceramics

2 結(jié)果與分析

2.1 荷載對摩擦磨損性能的影響

圖1為材料摩擦因數(shù)與載荷之間的變化關(guān)系，在200r／min轉(zhuǎn)速下，隨法向荷載的增大滑動摩擦因數(shù)均呈下降趨勢，荷載較小時下降幅度明顯，而在荷載較大時變化平緩。這是因為摩擦力的大小不僅取決于接觸面間分子的作用力，而且還取決于接觸面間粗糙微凸體的切削作用。實驗中摩擦力矩值是配對摩擦17min后的讀數(shù)，在較大荷載作用下，ACW復(fù)合材料與YG8硬質(zhì)合金摩擦副接觸面間各微凸體所受壓應(yīng)力加大，切削作用加大，同時接觸面兩邊脆性微凸體脆性斷裂幾率加大，使得材料脫落加劇，較短的時間內(nèi)導(dǎo)致接觸面間微凸體的數(shù)量迅速減少，接觸面間趨于光滑。此外，因摩擦?xí)r間不很長，溫度升高不明顯，黏著磨損發(fā)生幾率不大，綜合這兩方面的原因，大荷載下接觸面間磨合迅速，相同磨合時間后接觸面更光滑，摩擦因數(shù)更小。同單相Al2O3陶瓷相比，所研制的ACW復(fù)合材料滑動摩擦因數(shù)明顯減小，均在0.4～0.7之間，而Al2O3陶瓷的滑動摩擦因數(shù)為0.9左右，這同其他研究成果的結(jié)論一致［9］。

圖1 摩擦因數(shù)隨荷載的變化關(guān)系Fig.1 Variation between the friction coefficient and the load

圖2為200r／min轉(zhuǎn)速下對磨20min后的磨損率與荷載之間的關(guān)系曲線。磨損率均隨荷載的增大而降低，ACW復(fù)合材料的磨損率明顯低于Al2O3陶瓷。由于單相Al2O3陶瓷的強度和韌性較差，起始微凸體磨去之后，盡管接觸面逐漸光滑，摩擦因數(shù)不斷減小，但相對于強韌性好的ACW復(fù)合材料而言，其表面顆粒更容易繼續(xù)脫落或剝離，此外單相Al2O3陶瓷的晶粒較復(fù)合材料粗大，斷裂模式以晶間斷裂為主，這些均導(dǎo)致其接觸表面粗糙程度劣于ACW復(fù)合陶瓷材料，這就是單相Al2O3陶瓷摩擦因數(shù)和磨損率均較高的主要原因。

圖2 磨損率隨載荷的變化關(guān)系Fig.2 Variation between the wear rate and the load

2.2 磨損時間對摩擦磨損性能的影響

圖3為材料摩擦因數(shù)隨摩擦?xí)r間的變化關(guān)系，在100N荷載、200r／min轉(zhuǎn)速下，各試樣摩擦因數(shù)隨摩擦?xí)r間的延長均稍有上升，而ACW復(fù)合材料的摩擦因數(shù)趨向于一較窄的數(shù)值范圍，且明顯低于單相Al2O3陶瓷。結(jié)合摩擦磨損后材料的表面形貌（見圖4）可以做出如下解釋，隨著摩擦磨損的進行，材料接觸表面上的微凸體或磨粒間發(fā)生相互的切削、擠壓作用，表面的材料被不斷犁削、斷裂去掉，摩擦生熱引起的磨損表面溫度不斷上升，當(dāng)升溫到一定程度，黏著摩擦磨損開始產(chǎn)生作用，陶瓷材料較差的導(dǎo)熱性能使得黏著磨損的影響漸漸接近或超過犁削磨合的作用，從而導(dǎo)致摩擦因數(shù)不但不下降，反而稍有上升。因各ACW復(fù)合陶瓷材料的導(dǎo)熱性能區(qū)別不明顯，所以圖中摩擦因數(shù)逐漸趨向于一較窄的數(shù)值范圍。

圖5為對應(yīng)圖3磨損條件下的磨損率曲線，結(jié)果表明，盡管黏著摩擦使得摩擦因數(shù)有所升高，但是單位荷載單位磨程下的磨痕寬度是減小的，也就是說，盡管總的磨損量在增大，單位荷載單位磨程下的磨損卻在降低，不過下降的趨勢逐漸變緩。并且ACW復(fù)合陶瓷材料的磨損率趨向于一較窄的數(shù)值范圍，這一點與摩擦因數(shù)的變化特點相吻合。

圖5 磨損率隨時間的變化關(guān)系Fig.5 Variation between the wear rate and the wear time

2.3 磨損機制分析

從ACW復(fù)合陶瓷材料與YG8硬質(zhì)合金配副的摩擦磨損實驗結(jié)果來看，磨粒磨損在整個磨損過程中占主要地位，同時伴有疲勞磨損和黏著磨損。

根據(jù)ACW復(fù)合陶瓷材料的微觀結(jié)構(gòu)與斷裂模式研究［7］，其破壞形式以脆性斷裂為主，則依據(jù)Evans的經(jīng)典磨粒磨損計算模型［10］：

式中：V為磨損體積；k為與磨粒直徑及其分布狀況有關(guān)的參數(shù)；L為滑動磨程；P為施加的荷載；D為磨粒直徑；H為材料硬度；KIC為材料的斷裂韌性。由此可以看出，相對于單相Al2O3陶瓷來說，ACW復(fù)合陶瓷材料晶粒粒徑較小、斷裂韌性較高，因此在相同摩擦磨損條件下磨損體積較小，具有較高的耐磨損性能，這與實驗結(jié)果相一致。ACW復(fù)合陶瓷材料磨粒磨損的過程為當(dāng)兩種材料滑動表面接觸后，最初是微凸體與微凸體接觸，在法向和切向應(yīng)力的作用下，微凸體將產(chǎn)生變形，質(zhì)脆材料的彈性變形有限，很快會有裂紋在微凸體內(nèi)部或其周界處萌生，裂紋不斷擴展甚至并合，導(dǎo)致微凸體斷裂，從而產(chǎn)生相對光滑的表面，表觀上體現(xiàn)了摩擦因數(shù)的降低，法向荷載越大滑動速度越快，則摩擦因數(shù)降低得越快。

初始微凸體漸趨光滑后，兩表面間的接觸面積增大，切削作用相對降低，接觸面間的推碾循環(huán)作用逐漸加劇，疲勞磨損的幾率上升，與推碾力平行的表面層中逐漸形成裂紋，進一步加載使得裂紋擴展、相鄰裂紋連通，導(dǎo)致材料剝落形成磨屑。圖4中可看到有一些多與滑動方向垂直的裂紋，這是由陶瓷顆粒的脆性開裂和疲勞磨損引起的。隨著摩擦磨損的進行，摩擦生熱致使表面層溫度不斷上升，局部高溫產(chǎn)生塑性變形，摩擦配副間出現(xiàn)黏著點，溫度越高，黏著磨損作用越大。

3 結(jié)論

（1）復(fù)合陶瓷材料ACW具有較好的綜合力學(xué)性能，其抗彎強度和斷裂韌性明顯優(yōu)于單相Al2O3陶瓷。

（2）ACW復(fù)合陶瓷材料滑動摩擦因數(shù)明顯減小，在0.4～0.7之間，而單相Al2O3陶瓷為0.9左右。摩擦因數(shù)隨法向荷載的增大而降低、隨摩擦?xí)r間的延長而升高，變化趨勢均越來越緩慢。

（3）ACW復(fù)合陶瓷材料的磨損率隨法向荷載、磨損時間的增加均減小，且變化趨向平緩。主要磨損機制為磨粒磨損。

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Friction and Wear Behavior of Al2O3Ceramic Composite Materials Reinforced with Cr3C2and（W，Ti）C

SUN De－ming1，XU Chong－h(huán)ai2，YANG Liu－bo1，WU Jian－jun1
（1School of Materials Science ＆ Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2Shandong Institute of Light Industry，Jinan 250100，China）

Ceramic composite materials Al2O3／Cr3C2／（W，Ti）C were fabricated with hot－pressing sintering technique.The physical and mechanical properties were tested，the friction and wear behavior were studied，and the wear trace was investigated by scanning electron microscope（SEM）.Results indicate that the ceramic composite material Al2O3／Cr3C2／（W，Ti）C has good mechanical properties，good friction and wear resistance，and especially both the frictional factor and the wear rate decrease about 50%than the monolithic Al2O3ceramic.The main wear mechanism is the grain－abrasion，and the grain fracture is mostly brittle.The good flexural strength and fracture toughness improve the wear resistance of the ceramic composite material greatly.

alumina；tungsten titanium carbide；chromium carbide；friction and wear

TQ174

A

1001－4381（2012）02－0016－04

國家自然科學(xué)基金資助項目（51075248）；山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家科研獎勵基金資助項目（2008BS04037）

2011－02－18；

2011－11－20

孫德明（1969—），男，博士，教授，主要從事陶瓷模具材料的研究與開發(fā)，聯(lián)系地址：山東建筑大學(xué)材料學(xué)院（250101），E－mail：mingsdm＠sdjzu.edu.cn