水润滑条件下陶瓷类复合材料摩擦学性能的研究

摘要

由于用水作机械传动摩擦副的润滑介质在许多方面比用油更具有优越性，水润滑技术自20世纪70年代以来得到了广泛的研究和应用。水润滑技术的关键问题是正确选择水润滑条件下的摩擦副对偶材料。陶瓷材料在水中具有优异的摩擦学性能，因此陶瓷摩擦副是水润滑技术研究的重点，但是陶瓷材料的脆性是其难以克服的缺点，使它们的应用受到了限制。陶瓷类复合材料由陶瓷和金属复合而成，兼具金属和陶瓷材料的特点，在水润滑方面具有较高的潜力。
　　 本文研究的主要内容是探讨WC-Co硬质合金和Ti(C,N)基金属陶瓷这两种陶瓷类复合材料水润滑条件下的摩擦学性能。利用球-盘式摩擦磨损试验机进行滑动摩擦实验，以Si3N4陶瓷球为上试样，分别以Ti(C,N)盘、WC盘、Si3N4盘和316不锈钢盘为下试样组成滑动摩擦副。
　　 本论文以去离子水润滑为主，同时又选取了3％NaCl溶液和无水乙醇这两种液体作为润滑液，用来与在去离子水中的润滑条件进行对比分析。其中，3％NaCl溶液用来模拟海水中的润滑环境，选用无水乙醇的目的是将摩擦副与水分离，通过摩擦副在没有发生水合反应时的表现来分析水在摩擦过程中所起的作用。
　　 观察了滑动摩擦副在去离子水、3％NaCl溶液、无水乙醇中的摩擦性能和磨损情况。并将不同载荷，不同滑行速度下的结果进行对比，分析了不同摩擦阶段的磨痕表面变化。通过光学显微镜和非接触式表面三维微观形貌仪观察了磨痕形貌。
　　 研究结果表明：Si3N4球/Ti(C,N)盘和Si3N4球/WC盘这两对摩擦副在水润滑条件下经过较长时间的磨合后摩擦因数都能够降低到0.01以下，进入流体润滑状态。3％NaCl溶液中的Na+离子会影响摩擦过程，使摩擦因数的降低幅度变小，在部分实验条件下无法进入流体润滑状态。在无水乙醇中，四种摩擦副的摩擦因数曲线基本保持水平不会降低，说明水的润滑作用是摩擦因数降低的主要因素。两种陶瓷类复合材料在不同的润滑液、载荷和滑行速度下的耐磨性都比Si3N4盘好，具有优异的水润滑性能。
　　 水润滑条件下Si3N4球/Ti(C,N)盘摩擦副在高速低载、高速高载时能够进入流体润滑状态，低速时摩擦因数只降低少许。说明滑行速度提高时，水润滑效果会更加明显，且摩擦副具有较高的承载能力。由于Ti(C,N)材料具有较高的硬度和良好的耐腐蚀性，使得在大多数条件下摩擦副都具有最小的总磨损量，且高载时盘的磨损量与低载荷时相比反而降低。推测其磨合过程为：盘表面的金属及其氧化层被缓慢去除，之后内部陶瓷层被抛光，待摩擦化学反应产生的润滑膜在表面充分积累摩擦因数便会降低。由于Ti(C,N)基金属陶瓷材料由七种化学成分复合而成，这些复杂的化学物质可能对润滑膜的形成过程有负面的影响，所以产生的润滑膜量比Si3N4球/WC盘摩擦副要少。
　　 水润滑条件下Si3N4球/WC盘摩擦副在高速低载、高速高载以及低速低载时都能够进入流体润滑状态。磨损机理为摩擦化学磨损，磨损产物粘着在盘的磨痕上，使盘有较小的磨损量，载荷增大时盘的磨损量降低，显示出优异的耐磨性。推测磨合过程与Si3N4/Si3N4摩擦副类似：抛光效应使表面变光滑，Si3N4与水之间的摩擦化学反应使其表面产生润滑膜从而降低摩擦，而且高载时能产生更多的润滑膜取得更好的降摩效果。低速时也能够进入流体润滑状态，具有较好的适应性。

目录

文摘

英文文摘

图清单

表清单

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 研究背景及意义

1.3 水润滑技术的特点和存在的问题

1.3.1 水润滑技术的特点

1.3.2 水润滑存在的问题

1.4 目前常用的几种水润滑摩擦副材料

1.4.1 铁梨木[7,15]

1.4.2 橡胶材料[20,22]

1.4.3 工程塑料[18,24,25]

1.4.4 陶瓷材料[22][26-29]

1.5 水润滑陶瓷材料国内外研究现状

1.5.1 陶瓷材料的水润滑性能

1.5.2 陶瓷表面工程及其水润滑研究

1.5.3 对陶瓷类复合材料的研究

1.6 本文的主要内容及意义

第二章 实验方法

2.1 实验样品的制备

2.1.1 样品的材料

2.1.2 样品的尺寸及加工方法

2.2 实验装置

2.2.1 自制摩擦磨损试验机简介

2.2.2 实验样品的固定

2.2.3 实验环境

2.3 实验方案的确定

2.3.1 前期的实验摸索

2.3.2 最终实验方案

2.4 磨痕的体积测量和形貌分析

2.4.1 球的磨痕体积的测量

2.4.2 盘的磨痕体积的测量

2.4.3 磨痕的形貌分析

2.5 本章小结

第三章 去离子水润滑时的摩擦学性能

3.1 实验条件：速度200mm/s，载荷5N

3.1.1 摩擦性能分析

3.1.2 磨损性能分析

3.2 不同载荷下的摩擦磨损

3.2.1 摩擦性能分析

3.2.2 磨损性能分析

3.3 不同速度下的摩擦磨损

3.3.1 摩擦性能分析

3.3.2 磨损性能分析

3.4 材料在实验不同阶段的磨损和表面形貌

3.5 本章小结

第四章 3%NaCl溶液润滑时的摩擦学性能

4.1 实验条件：速度200mm/s、载荷5N

4.1.1 摩擦性能分析

4.1.2 磨损性能分析

4.2 不同载荷下的摩擦磨损

4.2.1 摩擦性能分析

4.2.2 磨损性能分析

4.3 不同速度下的摩擦磨损

4.3.1 摩擦性能分析

4.3.2 磨损性能分析

4.4 本章小结

第五章 无水乙醇润滑时的摩擦学性能

5.1 实验条件：速度200mm/s、载荷5N

5.1.1 摩擦性能分析

5.1.2 磨损性能分析

5.2 不同载荷下的摩擦磨损

5.2.1 摩擦性能分析

5.2.2 磨损性能分析

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文主要工作和结论

6.2 后续工作展望

参考文献

致谢

在校期间的研究成果及发表的学术论文

攻读硕士学位期间发表(录用)论文情况

攻读硕士学位期间参加科研项目情况