陳 威， 王 奎， 李 玲

(1.陜西科技大學(xué) 機電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021; 2.哈爾濱飛機工業(yè)集團有限責(zé)任公司 質(zhì)量適航部理化試驗室， 黑龍江 哈爾濱 150066)

0 引言

隨著陸地資源的日益枯竭，人們愈多的把目光投向資源豐富的海洋世界.由于海水是一種復(fù)雜交互的環(huán)境介質(zhì)，因此，對海洋裝備的用材要求及其苛刻，尤其是海洋裝備中關(guān)鍵摩擦副的用材[1-3].目前，應(yīng)用于海洋裝備關(guān)鍵摩擦副的材料主要由高分子材料、金屬材料和陶瓷材料組成.但聚合物材料因自身吸水塑化引起的硬度下降導(dǎo)致其磨損率增大以及工作精度的降低制約著其進一步應(yīng)用[4].由于金屬用材的非單一性，導(dǎo)致在海水強電解液中產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，影響零件的工作效率和使用壽命[5].氮化硅陶瓷具有高的強度、硬度、耐熱性、耐磨性以及優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性而廣泛應(yīng)用于海洋裝備關(guān)鍵摩擦副材料[6,7].

王旭東等[8]研究了氮化硅陶瓷材料在干摩擦條件下及水潤滑條件下的摩擦磨損性能，研究表明，水潤滑條件下氮化硅摩擦因數(shù)和磨損率均最小，分別為0.11和6×10-5g/m，并且摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的增加而減小.周芳[9]研究了水潤滑條件下氮化硅陶瓷材料定載變速的摩擦磨損性能，結(jié)果表明，當(dāng)載荷為2.4 N，速度為0.4 m/s時，獲得最小摩擦因數(shù)0.018.陶軍[10]研究了水潤滑環(huán)境下氮化硅和氧化鋯與CFRPEEK對摩時的摩擦學(xué)性能，研究表明，氮化硅的摩擦因數(shù)和磨損率均優(yōu)于氧化鋯，分別為0.002 7和1.75×10-5mm3/m.高義民等[11]研究了氮化硅與白口鑄鐵配副在蒸餾水環(huán)境下的摩擦磨損性能，結(jié)果顯示，由于鑄鐵中碳化物剝落形成剝落坑，氮化硅磨屑富集到剝落坑中，在水環(huán)境下氧化水解后形成硅膠保護膜，從而使配副的摩擦因數(shù)低至0.02，磨損率幾乎為零.Liu等[12]研究了氮化硅與316不銹鋼在海水環(huán)境下的摩擦學(xué)性能，研究表明，海水環(huán)境下摩擦配副的摩擦因數(shù)和磨損率都極其低，這歸因于氮化硅與水摩擦反應(yīng)生成二氧化硅，二氧化硅在海水中可聚合成硅膠，摩擦配副表面形成了硅膠保護膜，使其具有較低的摩擦因數(shù)和磨損率.根據(jù)前人學(xué)者的研究可知，氮化硅在水環(huán)境中表現(xiàn)出了較好的摩擦磨損性能，對其在水環(huán)境工程領(lǐng)域中有著重要的應(yīng)用價值，但可加工性限制了氮化硅在工程領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，尤其是制約了其在海洋裝備關(guān)鍵摩擦副材料中的進一步應(yīng)用[13].

相關(guān)學(xué)者研究表明，將一定量的固體潤滑劑六方氮化硼加入到氮化硅中可以改善其可加工性能[14].Yuan B等[15]研究了不同含量hBN的加入對Si3N4-hBN復(fù)相陶瓷加工性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)hBN的含量為40%時，復(fù)相陶瓷材料體現(xiàn)出良好的可加工性能.Cho M W等[16]研究了通過熱壓燒結(jié)制備的Si3N4-hBN復(fù)相陶瓷的微加工特性，研究表明，隨著hBN含量的增加，斷裂韌性緩慢提高，獲得良好的加工性能.Wang R G等[17]研究了Si3N4-hBN復(fù)相陶瓷的物理力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)hBN含量達到25%時，該復(fù)合陶瓷具有較好的加工性能.

本課題組前期研究將固體潤滑劑六方氮化硼加入到氮化硅中亦可改善其摩擦學(xué)性能[18,19]，主要成果為：Si3N4與Si3N4-hBN復(fù)相陶瓷在水潤滑環(huán)境下摩擦?xí)r，配副的摩擦因數(shù)隨hBN含量的增加而顯著降低，當(dāng)hBN含量增加至20%時，摩擦因數(shù)降至0.01，Si3N4-hBN的磨損率接近于零.同時還研究了Si3N4-hBN與Fe-B配副在水潤滑介質(zhì)條件下的摩擦學(xué)特性，研究表明，配副的摩擦因數(shù)均低于0.1，磨損率均低于10-6mm3/Nm數(shù)量級.這與前人學(xué)者的研究結(jié)果相一致，也進一步證明了Si3N4-hBN復(fù)相陶瓷材料在水環(huán)境中具有良好的摩擦磨損性能.

迄今為止，關(guān)于Si3N4-hBN復(fù)相陶瓷在海水環(huán)境中摩擦學(xué)性能的報道較少.為此，本文結(jié)合Si3N4-hBN復(fù)相陶瓷材料優(yōu)異的摩擦學(xué)性能和良好的可加工性能，主要研究了Si3N4-hBN復(fù)相陶瓷與Ti6Al4V配副在海水環(huán)境中的摩擦學(xué)性能，旨在彌補Si3N4-hBN復(fù)相陶瓷在海洋摩擦學(xué)的空白.

1 試驗部分

1.1 試驗材料及制備

基本原料采用純度為99.99%、α相大于94%、平均粒徑為0.3μm的Si3N4粉末和純度為99.6%、平均粒徑為0.5μm的hBN粉末，并以純度大于99.5%、平均粒徑為1μm的Al2O3和Y2O3為燒結(jié)助劑，占總體積分?jǐn)?shù)的10%，利用設(shè)備型號為WT-ZR-20T的真空熱壓燒結(jié)爐(工藝：溫度1 800 ℃、壓力30 MPa、保溫保壓30 min)來制備hBN含量分別為0、5 vol.%、10 vol.%、20 vol.%和30 vol.%的Si3N4-hBN復(fù)相陶瓷材料.采用金剛石砂輪切割機將上述制備的純Si3N4和Si3N4-hBN復(fù)相陶瓷材料切割成兩種長方體試樣，尺寸分別為5 mm×5 mm×20 mm和5 mm×6 mm×12 mm，前者用于性能測試，后者用于配副摩擦磨損實驗.金屬盤試樣為市面購買的Ti6Al4V(TC4)棒料，經(jīng)過線切割加工后得到尺寸為44 mm(直徑)×6 mm(厚度)的圓盤，供后續(xù)試驗使用.

用240目、400目、800目和1200目的水砂紙打磨上述制備得到的Si3N4-hBN復(fù)相陶瓷銷試樣和Ti6Al4V金屬盤試樣，在打磨的過程中需要注意將水砂紙置于玻璃板上以保證試樣表面打磨的平整度，順著一個方向進行打磨，并且每換一種目數(shù)的砂紙都要將試樣旋轉(zhuǎn)90 °再繼續(xù)進行打磨，直至試樣表面紋路整齊并光滑.在打磨平整的盤試樣表面噴金相拋光劑，再利用P-1型金相拋光機對其表面進行拋光，使Ra≤0.8μm，隨后使用KQ-250DE型超聲波清洗器清洗試樣，烘干并稱重.

1.2 介質(zhì)環(huán)境

本文所涉及的介質(zhì)環(huán)境為海水，即研究了海水環(huán)境對Si3N4-hBN復(fù)相陶瓷材料與Ti6Al4V鈦合金配副的摩擦磨損性能影響.海水介質(zhì)環(huán)境是按照 ASTM D 1141-98 標(biāo)準(zhǔn)配制的(表1顯示了海水的主要成分)，其鹽度為 3.5%.配制過程是將自來水靜置一周，使水中的氯氣等雜質(zhì)性氣體充分揮發(fā)，在100 mL的靜置自來水中加入3.5 g海鹽，攪拌溶化即可得到鹽度為3.5%的海水.

表1 海水的化學(xué)成分

1.3 試驗方法

由于海水柱塞泵和海水液壓傳動系統(tǒng)中的一些摩擦副大多都是面-面接觸.因此，在型號為MMW-1的立式萬能摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損試驗，采用上銷下盤的配副方式，試驗載荷：20 N，試驗轉(zhuǎn)速：1 000 r/min，試驗時間：20 min.上試樣為Si3N4-hBN復(fù)相陶瓷材料，尺寸為5 mm×6 mm×12 mm的長方體，下試樣為Φ44 mm×6 mm的TC4鈦合金圓盤.試驗中，使上下試樣始終處在介質(zhì)環(huán)境當(dāng)中，試驗后，對樣品進行清洗，烘干并稱重.摩擦因數(shù)通過立式萬能摩擦磨損試驗機進行讀取，由稱重法獲取試樣的磨損量Δm，進而根據(jù)公式(1)計算出試樣的磨損率Vm.

(1)

式(1)中：Vm表示體積磨損率，mm3/Nm，Δm表示磨損質(zhì)量損失，mg，N表示試驗載荷，N，S表示滑動距離，m，ρ表示材料密度，g/cm3.

試驗中所得到的數(shù)據(jù)均為3次平行實驗的平均值，采用掃描電子顯微鏡(SEM)來觀察分析材料的磨損形貌；同時采用EDS能譜儀對摩擦表面的元素分布進行定性分析并且對摩擦表面膜的元素分布進行定性分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 Si3N4-hBN復(fù)相陶瓷材料的物理力學(xué)性能

對熱壓燒結(jié)的Si3N4-hBN復(fù)相陶瓷材料試樣，采用排水法測量密度和開口氣孔率，維氏硬度計測量硬度，三點彎曲法測量抗彎強度，壓痕法測量斷裂韌性.由圖1(a)可知，隨著hBN含量增加，Si3N4-hBN復(fù)相陶瓷材料的密度及相對密度呈下降趨勢，因此，Si3N4-hBN復(fù)相陶瓷材料的物理性能呈下降趨勢；由圖1(b)可知，隨著hBN含量增加，Si3N4-hBN復(fù)相陶瓷材料的彎曲強度、維氏硬度和斷裂韌性都呈下降趨勢，氣孔率呈上升趨勢，因此，Si3N4-hBN復(fù)相陶瓷材料的力學(xué)性能同樣呈下降趨勢.

(a)物理性能

(b)力學(xué)性能圖1 熱壓燒結(jié)的Si3N4及Si3N4-hBN 復(fù)相陶瓷材料的物理力學(xué)性能

2.2 Si3N4-hBN復(fù)相陶瓷材料在海水環(huán)境中的摩擦學(xué)性能

在研究材料摩擦表面的摩擦學(xué)性能時，摩擦因數(shù)和磨損率都是評價摩擦學(xué)性能的重要指標(biāo)之一[20].

圖2顯示了海水環(huán)境下Si3N4-hBN復(fù)相陶瓷銷試樣與TC4鈦合金盤試樣配副摩擦的摩擦因數(shù)柱狀圖.由圖2可知，隨著hBN含量的增加，摩擦因數(shù)波動幅度較為平穩(wěn)，呈現(xiàn)出先下降再上升再下降的趨勢.當(dāng)hBN含量為5%和10%時，摩擦因數(shù)低于純氮化硅的摩擦因數(shù)；當(dāng)hBN含量為20%和30%時，摩擦因數(shù)高于純氮化硅的摩擦因數(shù).這表明，在此工況下，一定量的hBN可改善摩擦配副之間的摩擦因數(shù).當(dāng)hBN含量為5%時，摩擦因數(shù)最低，值為0.411，表明了在SN5處具有良好的摩擦學(xué)性能.

圖2 海水環(huán)境下Si3N4-hBN復(fù)相陶瓷 與TC4配副摩擦的摩擦因數(shù)柱狀圖

圖3顯示了海水環(huán)境下與TC4盤試樣配副的Si3N4-hBN復(fù)相陶瓷銷試樣(如圖3(a)所示)和TC4盤試樣(如圖3(b)所示)的磨損率柱狀圖.由圖3可知，當(dāng)hBN含量為5%時，銷試樣(5.58×10-6mm3/Nm)和盤試樣(2.5×10-4mm3/Nm)的磨損率均最低，表明了在Si3N4-5 wt.% hBN處具有良好的摩擦學(xué)性能.

(a)Si3N4-hBN復(fù)相陶瓷銷試

(b)TC4盤試樣圖3 海水環(huán)境下Si3N4-hBN復(fù)相陶瓷與 TC4配副摩擦的磨損率柱狀圖

圖4顯示了海水環(huán)境下與TC4配副的Si3N4-hBN復(fù)相陶瓷銷試樣的摩擦表面形貌圖和EDS圖譜.由圖4可知，隨著hBN含量的增加，陶瓷銷試樣表面粘附層的面積呈由小到大再變小的趨勢.結(jié)合點“1”處EDS(如圖4(b)所示)分析可知，SN0銷試樣的摩擦表面存在大量的金屬粘附層，屬于典型的粘著磨損形貌.SN10、SN20和SN30銷試樣摩擦表面粘附層面積明顯減小，剝落坑明顯增多，由此判斷，此時的磨損機理主要是粘著磨損和腐蝕磨損.當(dāng)hBN含量為5%時，陶瓷銷試樣摩擦表面存在大量平整的粘附層物質(zhì)并且?guī)缀鮿兟淇虞^少，這可能歸因于試驗過程中陶瓷銷基體中的hBN被試驗力擠出，形成了剝落坑，產(chǎn)生的磨屑在剝落坑處被拖拽，填充了剝落坑，而hBN在一定條件下能與水反應(yīng)生成具有潤滑作用的產(chǎn)物，從而改善了摩擦配副的摩擦因數(shù)，同時也降低了粘著磨損的程度.

(a)SN0 (b)點“1”處EDS

(c)SN5 (d)SN10

(e)SN20 (f)SN30 圖4 海水環(huán)境下與TC4配副的Si3N4-hBN 復(fù)相陶瓷銷試樣的摩擦表面形貌圖和EDS圖譜

圖5顯示了海水環(huán)境下與Si3N4-hBN復(fù)相陶瓷配副的TC4盤試樣的摩擦表面形貌圖.由圖5可知，與SN0配副的盤試樣表面存在著明顯的犁耕作用，隨著hBN含量的增加，犁耕作用明顯減弱，當(dāng)hBN含量為5%時，與之配副的TC4盤試樣表面無明顯犁溝，并且觀察到表面有黑斑物質(zhì)，初步猜測可能是摩擦過程中生成了具有潤滑作用的表面膜.

(a)SN0/TC4 (b)SN5/TC4

(c)SN10/TC4 (d)SN20/TC4

(e)SN30/TC4圖5 海水環(huán)境下與Si3N4-hBN復(fù)相陶瓷 配副的TC4盤試樣的摩擦表面形貌圖

為了進一步確認(rèn)與SN5配副的TC4盤試樣表面生成的物質(zhì)，對其放大7000倍進行了EDS點掃和線掃分析.圖6顯示了與SN5配副時TC4盤試樣的EDS圖.由圖6(a)可見，點2黑斑處物質(zhì)包含有Ti、Al、V、Fe、Si、Cl、Na、Mg和大量的O元素，其中Ti、Al、V和Fe元素來源于TC4鈦合金盤，Si元素來源于SN5陶瓷銷試樣，Cl、Na和Mg來源于海水，由于該處O含量極高，表明了黑斑物質(zhì)是由一些氧化物和氫氧化物組成.同時，又對黑斑物質(zhì)進行了EDS線掃處理，如圖6(b)所示，黑斑處Ti和Al元素的含量急劇下降，同時Fe和O的含量急劇上升，進一步表明該處生成了具有一定潤滑作用的氧化物和氫氧化物.

(a)與SN5配副時TC4盤試樣放大7 000倍的EDS點掃圖

(b)與SN5配副時TC4盤試樣放大7 000倍的EDS線掃圖圖6 與SN5配副時TC4盤試樣 放大7 000倍的EDS圖

由于TC4鈦合金在空氣中極易氧化，在摩擦過程中該處富含了大量O元素，表明了黑斑處生成了具有一定保護作用的TiO2膜；同時，黑斑處富含的Al元素急劇下降，F(xiàn)e和O的含量急劇上升，表明該處生成了一定量的Fe2O3和Al(OH)3；根據(jù)相關(guān)參考文獻[21-26]報道，在摩擦過程中，摩擦表面真實的接觸狀態(tài)是點-點接觸，這種接觸狀態(tài)在摩擦過程中會產(chǎn)生極端的高溫，也是導(dǎo)致摩擦化學(xué)反應(yīng)能否發(fā)生的一個關(guān)鍵因素，即高閃點溫度.海水環(huán)境下，Si3N4-hBN在高閃點溫度的激發(fā)下易發(fā)生如下相關(guān)氧化反應(yīng)：

(2)

結(jié)合本課題組前期工作可推斷出，該黑斑物質(zhì)是由SiO2、TiO2、Fe2O3、Al(OH)3和Mg(OH)2物質(zhì)組成的具有一定潤滑作用的黑色表面膜.

3 結(jié)論

(1)海水環(huán)境，20 N、1 000 r/min條件下，一定量的hBN的加入可改善Si3N4-hBN復(fù)相陶瓷材料的摩擦學(xué)特性，并且當(dāng)hBN含量為5%時，摩擦配副的摩擦因數(shù)和磨損率均最低，表明了Si3N4-5wt.% hBN具有良好的摩擦學(xué)性能.

(2)海水環(huán)境，20 N、1 000 r/min條件下，Si3N4-5wt.% hBN與Ti6Al4V(TC4)摩擦副的摩擦因數(shù)和磨損率最低，這歸因于TC4盤試樣摩擦表面生成了SiO2、TiO2、Fe2O3、Al(OH)3和Mg(OH)2等物質(zhì)組成的具有潤滑作用的黑色表面膜.