氧化鋁陶瓷在腐蝕環(huán)境下的摩擦磨損性能

孟博，馬廉潔,，陳景強(qiáng)，周云光，譚雁清

(1.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，沈陽 110819；2.東北大學(xué)秦皇島分校 控制工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

氧化鋁(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)陶瓷因其在水潤(rùn)滑環(huán)境下具有較高的耐磨性和承載能力，被廣泛應(yīng)用在軸承等關(guān)鍵零件的摩擦副材料中[1]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已經(jīng)對(duì)水潤(rùn)滑陶瓷軸承的性能進(jìn)行了研究[2-3]。文獻(xiàn)[4]研究發(fā)現(xiàn)Si3N4陶瓷在水潤(rùn)滑條件下摩擦?xí)r表面發(fā)生了摩擦化學(xué)反應(yīng)，在表面形成一層膠狀潤(rùn)滑膜以有效降低擠壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力。此外，還有相關(guān)研究指出一旦形成流體動(dòng)力潤(rùn)滑水膜，可獲得非常低的摩擦因數(shù)，減少磨損和功耗。陶瓷在水潤(rùn)滑條件下的摩擦磨損性能是水潤(rùn)滑軸承發(fā)展的核心，但機(jī)床工況復(fù)雜惡劣，軸承在工作過程中經(jīng)常會(huì)有酸堿等腐蝕性物質(zhì)進(jìn)入軸承潤(rùn)滑腔，將作為潤(rùn)滑介質(zhì)的純水污染成具有腐蝕性的液體[5-7]，陶瓷軸承雖然具有耐磨、抗腐蝕的特性，但在摩擦過程中仍會(huì)受到影響而產(chǎn)生特殊的磨損現(xiàn)象。

現(xiàn)通過摩擦磨損試驗(yàn)得到不同水溶液潤(rùn)滑下Al2O3/Si3N4陶瓷摩擦副的摩擦因數(shù)和Al2O3陶瓷的磨損體積、表面磨損形貌,研究腐蝕環(huán)境對(duì)摩擦行為的影響，并分析其中的摩擦磨損機(jī)理，有利于擴(kuò)大水潤(rùn)滑陶瓷軸承在腐蝕環(huán)境下的應(yīng)用范圍，為提高陶瓷材料的摩擦磨損性能提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)材料與方法

使用NANOVEA摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，以球-盤接觸方式進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。φ6.5 mm的Si3N4陶瓷球?yàn)樯显嚇樱?0 mm×20 mm×5 mm的Al2O3陶瓷塊為下試樣，試驗(yàn)材料的主要性能見表1，Si3N4陶瓷的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性明顯高于Al2O3陶瓷，Al2O3陶瓷表面微凸體相對(duì)更易發(fā)生疲勞破壞，所以將Al2O3陶瓷塊作為磨損體進(jìn)行接觸表面的摩擦磨損分析。潤(rùn)滑介質(zhì)分別是pH值為3.5的HCl溶液、pH值為10.5的NaOH溶液和去離子水，用HCl溶液和NaOH溶液模擬受工作環(huán)境污染后的潤(rùn)滑介質(zhì)。

表1 試驗(yàn)材料的主要性能

Al2O3陶瓷塊經(jīng)表面研磨、拋光處理，以保證試樣表面粗糙度Ra值不大于1.0 μm，在無水乙醇中超聲清洗10 min，吹干后密封保存。

根據(jù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)性能和試驗(yàn)?zāi)康?，選取一些主要的試驗(yàn)參數(shù)，其中試驗(yàn)載荷為40 N，滑動(dòng)速度v分別為0.06，0.08，0.10 m/s，往復(fù)距離為10 mm，時(shí)間為60 min以確保試樣可以達(dá)到穩(wěn)定摩擦狀態(tài)。采用滴加的方式將潤(rùn)滑介質(zhì)加入到試樣上、下表面之間，并保持摩擦表面全程被潤(rùn)滑介質(zhì)覆蓋，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，磨損體積取其平均值。

摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)束，將試樣置于無水乙醇中超聲清洗10 min后吹干。使用3D激光共聚焦顯微鏡(DXS110)、3D激光測(cè)量顯微鏡(OLYMPUS OLS5000)和三維形貌儀(NANOVEA ST400)觀察Al2O3陶瓷塊磨損后的表面形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 摩擦因數(shù)

載荷為40 N時(shí)，摩擦副在3種不同的滑動(dòng)速度與潤(rùn)滑介質(zhì)下的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化如圖1所示。因前3 min為試驗(yàn)的預(yù)磨階段，圖中摩擦因數(shù)截取試驗(yàn)開始3 min后到試驗(yàn)結(jié)束。由圖可知，無論以何種溶液為潤(rùn)滑介質(zhì)，摩擦因數(shù)都隨滑動(dòng)速度的增加而降低。

圖1 不同滑動(dòng)速度與潤(rùn)滑介質(zhì)下摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線

當(dāng)滑動(dòng)速度達(dá)到0.10 m/s時(shí)，摩擦副的摩擦因數(shù)下降到0.100以下，這是由于以流體為潤(rùn)滑介質(zhì)時(shí)，滑動(dòng)速度越快，摩擦表面的微凸體接觸時(shí)壓強(qiáng)越小[7]，使?jié)櫥橘|(zhì)的成膜厚度增加，摩擦因數(shù)降低。圖1a和圖1c中以HCl溶液為潤(rùn)滑介質(zhì)時(shí)摩擦副的摩擦因數(shù)在進(jìn)入穩(wěn)定階段后仍出現(xiàn)較大幅度的突增，試驗(yàn)過程中出現(xiàn)短暫摩擦異響，這是因?yàn)樗嵝原h(huán)境更易使摩擦過程中出現(xiàn)較大塊的材料剝落(由多個(gè)晶粒和基質(zhì)組成)，剝落物需要逐漸被擠壓應(yīng)力和剪應(yīng)力分解，部分隨潤(rùn)滑介質(zhì)排出摩擦副。圖1b和圖1c中HCl溶液摩擦副的摩擦因數(shù)達(dá)到最低值一段時(shí)間后出現(xiàn)了小幅升高，這是因?yàn)樗嵝原h(huán)境更易造成Al2O3陶瓷因摩擦化學(xué)反應(yīng)加劇了表面破壞，摩擦表面的凹坑不斷增多使表面粗糙度增大并突破一個(gè)臨界值，表面粗糙度的增大會(huì)造成潤(rùn)滑不良使摩擦因數(shù)升高[8]。

以去離子水為潤(rùn)滑介質(zhì)時(shí)摩擦副的摩擦因數(shù)無論是前期快速磨合階段還是后期的穩(wěn)定磨損階段都比另外2種溶液波動(dòng)小，摩擦過程中沒有明顯的突增。圖1a和圖1b中去離子水潤(rùn)滑的摩擦因數(shù)曲線整體平滑，相對(duì)于酸性環(huán)境，去離子水可減少H+對(duì)Al2O3陶瓷的腐蝕，減少因摩擦化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的磨料磨損。故去離子水環(huán)境下的摩擦因數(shù)小于酸性環(huán)境。

以NaOH溶液為潤(rùn)滑介質(zhì)時(shí)摩擦副的摩擦因數(shù)最低。有研究指出，實(shí)現(xiàn)流體潤(rùn)滑的最小膜厚hmin與液體黏度η的關(guān)系為[9]

hmin∝η0.69，

(1)

NaOH溶液的黏度大于去離子水，實(shí)現(xiàn)流體潤(rùn)滑所需的膜厚較小，同時(shí)NaOH溶液可以與Al2O3發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)[10]，即

Al2O3+2NaOH+3H2O=2Na[Al(OH)4]。

(2)

文獻(xiàn)[11]報(bào)道了Si3N4在水潤(rùn)滑下的水解反應(yīng),即

Si3N4+6H2O=3SiO2+4NH3，

(3)

SiO2+2H2O=Si(OH)4。

(4)

NaOH溶液有利于摩擦表面生成鋁和硅的氫氧化物膜，這些氫氧化物膜具有較小的臨界剪切應(yīng)力[10]。摩擦因數(shù)與摩擦表面之間潤(rùn)滑膜的臨界剪切應(yīng)力成正比，因此NaOH溶液為潤(rùn)滑介質(zhì)時(shí)，摩擦副具有較低的摩擦因數(shù)。但在試驗(yàn)后期因磨屑過多，NaOH溶液黏度高使多余磨屑來不及排出摩擦表面，造成摩擦因數(shù)的波動(dòng)。

2.2 磨損體積

Al2O3陶瓷在3種潤(rùn)滑介質(zhì)潤(rùn)滑時(shí)，不同滑動(dòng)速度造成的磨損體積如圖2所示。由圖可知：無論以何種溶液為潤(rùn)滑介質(zhì)，當(dāng)滑動(dòng)速度為0.08 m/s時(shí)，磨損體積最小，此時(shí)水潤(rùn)滑的成膜效果最好，其中以去離子水為潤(rùn)滑介質(zhì)時(shí)可達(dá)到0.01 μm3以下，當(dāng)超過該滑動(dòng)速度，Al2O3陶瓷的磨損體積急劇上升；滑動(dòng)速度為0.10 m/s時(shí)的磨損體積約為0.06 m/s的10倍，在該滑動(dòng)速度下Al2O3陶瓷的磨損體積最大。原因?yàn)檫^快的滑動(dòng)速度使?jié)櫥橘|(zhì)來不及在摩擦表面成膜，造成潤(rùn)滑效果不佳，磨損體積增大。較大的磨損體積意味著零件表面破壞嚴(yán)重，不利于零件的長(zhǎng)時(shí)間工作。無論何種滑動(dòng)速度，HCl溶液為潤(rùn)滑介質(zhì)時(shí)Al2O3陶瓷的磨損體積比其他2種潤(rùn)滑介質(zhì)都有明顯增大，說明在HCl溶液中Al2O3陶瓷的腐蝕磨損比較嚴(yán)重。

圖2 試驗(yàn)后Al2O3陶瓷的磨損體積

摩擦副在NaOH溶液潤(rùn)滑時(shí)雖然摩擦因數(shù)比去離子水時(shí)更低，但滑動(dòng)速度相同時(shí)，Al2O3陶瓷的磨損體積明顯比在去離子水中的大，說明堿性環(huán)境有利于鋁和硅的氫氧化物產(chǎn)生，獲得更低的摩擦因數(shù)，但其中OH-的存在以及摩擦造成的溫升促進(jìn)摩擦化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行[12]，加劇了Al2O3陶瓷表面的磨損。

相同滑動(dòng)速度下，以去離子水為潤(rùn)滑介質(zhì)時(shí)Al2O3陶瓷的磨損體積最小。去離子水潤(rùn)滑環(huán)境中材料的磨損機(jī)理主要為疲勞磨損和磨粒磨損，試驗(yàn)結(jié)束后收集到的深灰色絮狀磨屑以該工況下的質(zhì)量最少，亦可驗(yàn)證此觀點(diǎn)。

2.3 磨損形貌

HCl溶液為潤(rùn)滑介質(zhì)時(shí)Al2O3陶瓷磨損后的表面形貌如圖3所示。圖3a中摩擦表面破壞嚴(yán)重，存在大量凹坑，這些凹坑是由于微凸體反復(fù)接觸摩擦?xí)r微凸體斷裂和晶粒拔出導(dǎo)致的。同時(shí)在酸性環(huán)境的影響下，Al(OH)3與Si(OH)4以及膠狀SiO2的生成受到抑制與破壞，缺乏這些物質(zhì)對(duì)表面的潤(rùn)滑作用，使摩擦更加劇烈。由于Al2O3陶瓷晶粒之間的燒結(jié)基質(zhì)主要包括Al2O3、少量堿金屬和堿土金屬氧化物，當(dāng)這些物質(zhì)被HCl溶液腐蝕后變得松散，使晶粒之間的連接強(qiáng)度降低，更易發(fā)生晶間斷裂，故圖3b中摩擦表面的晶粒分離度較高，凹坑內(nèi)晶粒斷層明顯。圖3c是摩擦表面的三維形貌，直觀體現(xiàn)了HCl溶液對(duì)摩擦表面破壞的加劇，該條件下造成的凹坑深度為10～40 μm。

圖3 HCl溶液潤(rùn)滑下Al2O3陶瓷磨損后的表面形貌

NaOH溶液為潤(rùn)滑介質(zhì)時(shí)，Al2O3陶瓷磨損后的表面形貌如圖4所示，由圖4a和圖4b可知，NaOH溶液為潤(rùn)滑介質(zhì)時(shí)Al2O3陶瓷表面凹坑和破損明顯少于HCl溶液潤(rùn)滑時(shí)的摩擦表面,摩擦表面形成了一層連續(xù)且致密的鋁的氫氧化物薄膜，在3種潤(rùn)滑介質(zhì)中，其成膜度最高。文獻(xiàn)[10]指出潤(rùn)滑膜可以提高摩擦表面的抗剪強(qiáng)度和降低摩擦因數(shù)，當(dāng)抗剪強(qiáng)度提高，摩擦因數(shù)降低時(shí)，由摩擦引起的塑性變形也將減小。這層鋁的氫氧化物受到擠壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力會(huì)轉(zhuǎn)化為層狀結(jié)構(gòu)，不僅使光滑區(qū)面積增加，也避免已經(jīng)因晶粒拔出產(chǎn)生的凹坑使摩擦條件惡化。圖4c中顯示表面凹坑深度為5～20 μm。

圖4 NaOH溶液潤(rùn)滑下Al2O3陶瓷磨損后的表面形貌

去離子水為潤(rùn)滑介質(zhì)時(shí)， Al2O3陶瓷磨損后的表面形貌如圖5所示，圖5a中間部分為擠壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力最大的位置，出現(xiàn)了沿摩擦副運(yùn)動(dòng)方向因微犁削[13]導(dǎo)致的劃痕，通過多組試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，僅在去離子水潤(rùn)滑時(shí)可在表面觀測(cè)到該類摩擦機(jī)理。摩擦表面大塊凹坑的數(shù)量比其他2種潤(rùn)滑介質(zhì)大幅減少，但在圖5b中可見大量由疲勞磨損造成小而深的剝落,晶粒分離度不明顯，說明仍有鋁和硅的氫氧化物薄膜起潤(rùn)滑和減摩作用。通過圖5c所示的三維形貌可知相對(duì)于腐蝕溶液，水潤(rùn)滑環(huán)境下Al2O3/Si3N4摩擦副摩擦后得到的表面粗糙度最小。

圖5 去離子水潤(rùn)滑下Al2O3陶瓷磨損后的表面形貌

3 結(jié)論

1)當(dāng)載荷為40 N，滑動(dòng)速度為0.06～0.10 m/s，摩擦?xí)r間為60 min時(shí)，Al2O3/Si3N4陶瓷摩擦副在3種不同潤(rùn)滑介質(zhì)中摩擦因數(shù)順序?yàn)棣蘃Cl>μH2O>μN(yùn)aOH。

2)相同工況下，Al2O3陶瓷在3種不同潤(rùn)滑介質(zhì)中的磨損體積順序?yàn)閃HCl>WNaOH>WH2O。當(dāng)滑動(dòng)速度為0.08 m/s時(shí)，Al2O3陶瓷的磨損體積最小，此時(shí)潤(rùn)滑介質(zhì)的成膜效果最好，潤(rùn)滑效果最佳。受試驗(yàn)條件所限，所測(cè)滑動(dòng)速度與工程實(shí)際情況存在偏差，研究結(jié)果存在一定的局限性。

3)HCl溶液為潤(rùn)滑介質(zhì)時(shí)Al2O3陶瓷表面的破壞程度最高。摩擦過程中，HCl溶液會(huì)腐蝕破壞Al2O3陶瓷燒結(jié)基質(zhì)，降低晶粒之間的連接強(qiáng)度，造成大量晶粒拔出和磨粒磨損。同時(shí)酸性環(huán)境抑制鋁和硅的氫氧化物產(chǎn)生，從而導(dǎo)致摩擦表面不能有效成膜，使水潤(rùn)滑效果降低，磨損加劇。

4)NaOH溶液因含大量OH-，促進(jìn)了鋁和硅的氫氧化物在摩擦副表面成膜，使摩擦表面光滑，有效降低了摩擦因數(shù)，但由于其引起的腐蝕作用，摩擦副的表面質(zhì)量仍然低于在去離子水中潤(rùn)滑的情況。