氧化鋁陶瓷在腐蝕環境下的摩擦磨損性能

孟博，馬廉潔,，陳景強，周云光，譚雁清

(1.東北大學 機械工程與自動化學院，沈陽 110819；2.東北大學秦皇島分校 控制工程學院，河北 秦皇島 066004)

氧化鋁(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)陶瓷因其在水潤滑環境下具有較高的耐磨性和承載能力，被廣泛應用在軸承等關鍵零件的摩擦副材料中[1]。目前國內外學術界和工業界已經對水潤滑陶瓷軸承的性能進行了研究[2-3]。文獻[4]研究發現Si3N4陶瓷在水潤滑條件下摩擦時表面發生了摩擦化學反應，在表面形成一層膠狀潤滑膜以有效降低擠壓應力和剪切應力。此外，還有相關研究指出一旦形成流體動力潤滑水膜，可獲得非常低的摩擦因數，減少磨損和功耗。陶瓷在水潤滑條件下的摩擦磨損性能是水潤滑軸承發展的核心，但機床工況復雜惡劣，軸承在工作過程中經常會有酸堿等腐蝕性物質進入軸承潤滑腔，將作為潤滑介質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受到影響而產生特殊的磨損現象。

現通過摩擦磨損試驗得到不同水溶液潤滑下Al2O3/Si3N4陶瓷摩擦副的摩擦因數和Al2O3陶瓷的磨損體積、表面磨損形貌,研究腐蝕環境對摩擦行為的影響，并分析其中的摩擦磨損機理，有利于擴大水潤滑陶瓷軸承在腐蝕環境下的應用范圍，為提高陶瓷材料的摩擦磨損性能提供數據支撐。

1 試驗材料與方法

使用NANOVEA摩擦磨損試驗機，以球-盤接觸方式進行摩擦磨損試驗。φ6.5 mm的Si3N4陶瓷球為上試樣，20 mm×20 mm×5 mm的Al2O3陶瓷塊為下試樣，試驗材料的主要性能見表1，Si3N4陶瓷的抗彎強度和斷裂韌性明顯高于Al2O3陶瓷，Al2O3陶瓷表面微凸體相對更易發生疲勞破壞，所以將Al2O3陶瓷塊作為磨損體進行接觸表面的摩擦磨損分析。潤滑介質分別是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溶液模擬受工作環境污染后的潤滑介質。

表1 試驗材料的主要性能

Al2O3陶瓷塊經表面研磨、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。

根據摩擦磨損試驗機的技術性能和試驗目的，選取一些主要的試驗參數，其中試驗載荷為40 N，滑動速度v分別為0.06，0.08，0.10 m/s，往復距離為10 mm，時間為60 min以確保試樣可以達到穩定摩擦狀態。采用滴加的方式將潤滑介質加入到試樣上、下表面之間，并保持摩擦表面全程被潤滑介質覆蓋，每組試驗重復3次，磨損體積取其平均值。

摩擦磨損試驗結束，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 試驗結果與討論

2.1 摩擦因數

載荷為40 N時，摩擦副在3種不同的滑動速度與潤滑介質下的摩擦因數隨時間的變化如圖1所示。因前3 min為試驗的預磨階段，圖中摩擦因數截取試驗開始3 min后到試驗結束。由圖可知，無論以何種溶液為潤滑介質，摩擦因數都隨滑動速度的增加而降低。

圖1 不同滑動速度與潤滑介質下摩擦因數隨時間的變化曲線

當滑動速度達到0.10 m/s時，摩擦副的摩擦因數下降到0.100以下，這是由于以流體為潤滑介質時，滑動速度越快，摩擦表面的微凸體接觸時壓強越小[7]，使潤滑介質的成膜厚度增加，摩擦因數降低。圖1a和圖1c中以HCl溶液為潤滑介質時摩擦副的摩擦因數在進入穩定階段后仍出現較大幅度的突增，試驗過程中出現短暫摩擦異響，這是因為酸性環境更易使摩擦過程中出現較大塊的材料剝落(由多個晶粒和基質組成)，剝落物需要逐漸被擠壓應力和剪應力分解，部分隨潤滑介質排出摩擦副。圖1b和圖1c中HCl溶液摩擦副的摩擦因數達到最低值一段時間后出現了小幅升高，這是因為酸性環境更易造成Al2O3陶瓷因摩擦化學反應加劇了表面破壞，摩擦表面的凹坑不斷增多使表面粗糙度增大并突破一個臨界值，表面粗糙度的增大會造成潤滑不良使摩擦因數升高[8]。

以去離子水為潤滑介質時摩擦副的摩擦因數無論是前期快速磨合階段還是后期的穩定磨損階段都比另外2種溶液波動小，摩擦過程中沒有明顯的突增。圖1a和圖1b中去離子水潤滑的摩擦因數曲線整體平滑，相對于酸性環境，去離子水可減少H+對Al2O3陶瓷的腐蝕，減少因摩擦化學反應導致的磨料磨損。故去離子水環境下的摩擦因數小于酸性環境。

以NaOH溶液為潤滑介質時摩擦副的摩擦因數最低。有研究指出，實現流體潤滑的最小膜厚hmin與液體黏度η的關系為[9]

hmin∝η0.69，

(1)

NaOH溶液的黏度大于去離子水，實現流體潤滑所需的膜厚較小，同時NaOH溶液可以與Al2O3發生摩擦化學反應[10]，即

Al2O3+2NaOH+3H2O=2Na[Al(OH)4]。

(2)

文獻[11]報道了Si3N4在水潤滑下的水解反應,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力[10]。摩擦因數與摩擦表面之間潤滑膜的臨界剪切應力成正比，因此NaOH溶液為潤滑介質時，摩擦副具有較低的摩擦因數。但在試驗后期因磨屑過多，NaOH溶液黏度高使多余磨屑來不及排出摩擦表面，造成摩擦因數的波動。

2.2 磨損體積

Al2O3陶瓷在3種潤滑介質潤滑時，不同滑動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滑介質，當滑動速度為0.08 m/s時，磨損體積最小，此時水潤滑的成膜效果最好，其中以去離子水為潤滑介質時可達到0.01 μm3以下，當超過該滑動速度，Al2O3陶瓷的磨損體積急劇上升；滑動速度為0.10 m/s時的磨損體積約為0.06 m/s的10倍，在該滑動速度下Al2O3陶瓷的磨損體積最大。原因為過快的滑動速度使潤滑介質來不及在摩擦表面成膜，造成潤滑效果不佳，磨損體積增大。較大的磨損體積意味著零件表面破壞嚴重，不利于零件的長時間工作。無論何種滑動速度，HCl溶液為潤滑介質時Al2O3陶瓷的磨損體積比其他2種潤滑介質都有明顯增大，說明在HCl溶液中Al2O3陶瓷的腐蝕磨損比較嚴重。

圖2 試驗后Al2O3陶瓷的磨損體積

摩擦副在NaOH溶液潤滑時雖然摩擦因數比去離子水時更低，但滑動速度相同時，Al2O3陶瓷的磨損體積明顯比在去離子水中的大，說明堿性環境有利于鋁和硅的氫氧化物產生，獲得更低的摩擦因數，但其中OH-的存在以及摩擦造成的溫升促進摩擦化學反應的進行[12]，加劇了Al2O3陶瓷表面的磨損。

相同滑動速度下，以去離子水為潤滑介質時Al2O3陶瓷的磨損體積最小。去離子水潤滑環境中材料的磨損機理主要為疲勞磨損和磨粒磨損，試驗結束后收集到的深灰色絮狀磨屑以該工況下的質量最少，亦可驗證此觀點。

2.3 磨損形貌

HCl溶液為潤滑介質時Al2O3陶瓷磨損后的表面形貌如圖3所示。圖3a中摩擦表面破壞嚴重，存在大量凹坑，這些凹坑是由于微凸體反復接觸摩擦時微凸體斷裂和晶粒拔出導致的。同時在酸性環境的影響下，Al(OH)3與Si(OH)4以及膠狀SiO2的生成受到抑制與破壞，缺乏這些物質對表面的潤滑作用，使摩擦更加劇烈。由于Al2O3陶瓷晶粒之間的燒結基質主要包括Al2O3、少量堿金屬和堿土金屬氧化物，當這些物質被HCl溶液腐蝕后變得松散，使晶粒之間的連接強度降低，更易發生晶間斷裂，故圖3b中摩擦表面的晶粒分離度較高，凹坑內晶粒斷層明顯。圖3c是摩擦表面的三維形貌，直觀體現了HCl溶液對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溶液潤滑下Al2O3陶瓷磨損后的表面形貌

NaOH溶液為潤滑介質時，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溶液為潤滑介質時Al2O3陶瓷表面凹坑和破損明顯少于HCl溶液潤滑時的摩擦表面,摩擦表面形成了一層連續且致密的鋁的氫氧化物薄膜，在3種潤滑介質中，其成膜度最高。文獻[10]指出潤滑膜可以提高摩擦表面的抗剪強度和降低摩擦因數，當抗剪強度提高，摩擦因數降低時，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力和剪切應力會轉化為層狀結構，不僅使光滑區面積增加，也避免已經因晶粒拔出產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溶液潤滑下Al2O3陶瓷磨損后的表面形貌

去離子水為潤滑介質時， Al2O3陶瓷磨損后的表面形貌如圖5所示，圖5a中間部分為擠壓應力和剪切應力最大的位置，出現了沿摩擦副運動方向因微犁削[13]導致的劃痕，通過多組試驗發現，僅在去離子水潤滑時可在表面觀測到該類摩擦機理。摩擦表面大塊凹坑的數量比其他2種潤滑介質大幅減少，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滑和減摩作用。通過圖5c所示的三維形貌可知相對于腐蝕溶液，水潤滑環境下Al2O3/Si3N4摩擦副摩擦后得到的表面粗糙度最小。

圖5 去離子水潤滑下Al2O3陶瓷磨損后的表面形貌

3 結論

1)當載荷為40 N，滑動速度為0.06～0.10 m/s，摩擦時間為60 min時，Al2O3/Si3N4陶瓷摩擦副在3種不同潤滑介質中摩擦因數順序為μHCl>μH2O>μNaOH。

2)相同工況下，Al2O3陶瓷在3種不同潤滑介質中的磨損體積順序為WHCl>WNaOH>WH2O。當滑動速度為0.08 m/s時，Al2O3陶瓷的磨損體積最小，此時潤滑介質的成膜效果最好，潤滑效果最佳。受試驗條件所限，所測滑動速度與工程實際情況存在偏差，研究結果存在一定的局限性。

3)HCl溶液為潤滑介質時Al2O3陶瓷表面的破壞程度最高。摩擦過程中，HCl溶液會腐蝕破壞Al2O3陶瓷燒結基質，降低晶粒之間的連接強度，造成大量晶粒拔出和磨粒磨損。同時酸性環境抑制鋁和硅的氫氧化物產生，從而導致摩擦表面不能有效成膜，使水潤滑效果降低，磨損加劇。

4)NaOH溶液因含大量OH-，促進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，但由于其引起的腐蝕作用，摩擦副的表面質量仍然低于在去離子水中潤滑的情況。