氮化硅陶瓷球与轴承钢的微动摩擦磨损特性与损伤行为研究

Si₃N₄陶瓷球具有高承载、轻质、减振降噪以及化学性质稳定等特点,作为滚动体广泛用于高速高精密轴承中. 针对轴承球与滚道间的微动摩擦磨损行为,以不同烧结工艺制备的具有不同烧结助剂配方的Si₃N₄陶瓷球为研究对象,开展其与轴承钢的微动摩擦磨损试验,分析比较了Si₃N₄陶瓷球烧结工艺和助剂配方对摩擦状态与损伤程度的影响. 结果表明:无润滑条件下,5AlEr和3AlY助剂配方的Si₃N₄陶瓷球具有更稳定的摩擦状态和更低的磨损程度;提高气压烧结温度可缓解微动损伤行为,降低损伤程度;热等静压工艺的引入虽然进一步缓解磨损行为,但总体减弱了Si₃N₄陶瓷球的耐磨性能,从而为轴承用Si₃N₄陶瓷球制备工艺的优化提供依据. 并进一步揭示了Si₃N₄陶瓷球摩擦损伤、剥落和疲劳裂纹的损伤行为与磨粒磨损、黏着磨损和疲劳损伤,以及摩擦化学反应相结合的损伤机制.      

三维双连续铜/石墨自润滑复合材料的构筑及其摩擦磨损性能研究

以聚氨酯海绵为三维连续网络结构模板,采用浸渍法在聚氨酯海绵骨架表面均匀涂敷石墨浆料构筑具有三维连续网络结构的石墨骨架,然后在石墨骨架中填充铜合金粉,经排胶-热压烧结工艺制备石墨相和金属铜呈三维双连续复合型结构的铜/石墨自润滑复合材料. 研究考察了三维双连续复合结构对材料承载能力和抗冲击破坏能力的影响,并探究了材料在重载作用下的摩擦磨损行为. 结果表明:通过三维双连续结构设计,能够有效改变石墨相的富集状态和分布形式,并借助连续金属铜基体的高承载作用,显著提升材料在重载作用下的减摩抗磨性能. 在180 N载荷下与轴承钢相对摩擦时,块体663铜合金和均相铜/石墨复合材料均出现急剧磨损并与摩擦配副发生“卡咬”现象,其中块体663铜合金与配副由于“卡咬”严重而停止试验,均相铜/石墨复合材料的磨痕深度达1.38 mm. 然而,具有三维双连续结构的铜/石墨复合材料的摩擦系数可保持约在0.12左右,磨痕深度为0.16 mm,展现出优异的长时间耐磨损性能,磨损率约为5.3×10?6 mm3/(N?m). 同时,该结构设计能够大幅减少石墨相与金属铜间的弱界面数量,并有效利用连续石墨相对裂纹传播路径的“歧化”引导和金属铜对扩展裂纹的钝化作用,使复合材料在保持铜合金高承载的同时显著提升材料的抗冲击破坏能力. 具有三维双连续结构的铜/石墨复合材料的抗弯强度可与块体663铜合金比拟,高达372±38 MPa,是均相铜/石墨复合材料抗弯强度的2.0倍左右. 此外,具有三维双连续结构的铜/石墨复合材料还具有更加优异的抗外载冲击破坏能力,其冲击韧性高达32.8±3.1 J/cm2,比均相铜/石墨复合材料的冲击韧性提高了11.1倍,甚至比块体663铜合金的冲击韧性高出2.2倍.      

Cu663合金表面石墨-铜三维复合润滑层的构筑与摩擦学性能研究

借助激光微加工技术,将柔性石墨纸加工成规则排列的多孔结构,利用多孔柔性石墨纸在Cu663合金表面构筑石墨-铜三维复合润滑层结构. 分别考察了表面石墨-铜三维复合润滑层在干摩擦和海水腐蚀环境下的摩擦学性能,并揭示了摩擦磨损机理和腐蚀机理. 结果表明:该三维复合润滑层结构具有优异的自润滑性能,且通过改变纹理图案和尺寸参数可有效调控其摩擦学性能. 当Cu663合金表面三维复合润滑层石墨表面密度为50%时,干摩擦条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.14 ± 0.01和(5.10 ± 1.33) ×10?6 mm3/(Nm),相较于无润滑层的Cu663样品摩擦系数0.53和磨损率(2.97 ± 0.57) ×10?4 mm3/(Nm)分别降低73%和2个数量级. 在海水腐蚀环境中,表面石墨-铜三维复合润滑层的铜与石墨纸界面产生微弱电极,对三维复合润滑层的腐蚀摩擦性能起到至关重要的作用.      

氧化铝/石墨-硫酸钡层状复合材料的摩擦学性能及润滑机理

将石墨和硫酸钡按一定比例复合作为弱界面层，通过铺层-冷压-放电等离子烧结工艺制备了Al₂O₃/Graphite-BaSO₄层状复合材料. 考察了复配润滑剂的组分对层状复合陶瓷在室温至800 ℃连续加热过程中自润滑性能的影响规律，并通过磨损表面分析探讨了其在宽温域下的协同润滑机制. 结果表明:通过复配在室温和中高温度段具有优异自润滑性能的固体润滑剂，并借助仿贝壳材料独特的层状结构特征，可有效改善氧化铝陶瓷在不同温度段的摩擦学性能，进而实现材料在较宽温度范围内的连续润滑. 基于润滑相组分优化的复合材料在室温至800 ℃温度范围内与Al₂O₃栓对摩时的摩擦系数可保持在0.28~0.48之间，比块体Al₂O₃陶瓷/Al₂O₃栓摩擦副的摩擦系数降低了近60%.      

纸基摩擦材料与不同含碳量钢配副之间的摩擦学性能及其失效机理研究

采用湿法成型辅助热压工艺制备了纸基摩擦材料. 分别考察了纸基摩擦材料在无油状态和富油状态下与不同碳含量钢配副材料的摩擦适配性，并通过磨损表面形貌分析和探讨了其在无油状态下的失效机理. 结果表明:在无油状态下，随配副材料硬度增高，纸基摩擦材料的摩擦系数下降，摩擦稳定性提升，磨损率降低，高硬度的65Mn钢与纸基摩擦材料的适配性较好. 纸基摩擦材料在无油状态下主要表现为由疲劳裂纹引发的纤维脱粘与拔出导致的材料失效. 在富油状态下，配副材料的硬度对纸基摩擦材料的摩擦性能无显著影响，润滑油膜和摩擦膜的形成能有效减轻对配副材料的微观切削作用，从而抑制材料的磨损.