微珠陶瓷材料的摩擦磨损性能

乐 明 等：微珠陶瓷材料的摩擦磨损性能

第34卷第9期· 1099 ·

微珠陶瓷材料的摩擦磨损性能

乐 明，杨金龙，席小庆，黄勇

（清华大学材料科学与工程系，新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室，北京 100084）

摘要：由高温摩擦磨损试验研究了复合莫来石(22.6%硅酸锆，75%莫来石，2.4%碳酸钙，质量分数)、硅酸锆和氧化铝3种陶瓷微珠材料在干摩擦和水润滑条件下的摩擦磨损性能，并对其磨损机理进行了分析。结果表明：3种材料的磨损均随着负荷的增加而加剧；在同等载荷下，水润滑条件相对于干摩擦，复合莫来石和硅酸锆的磨损都有所降低，氧化铝磨损反而加剧。在低载荷下，微珠磨损机理主要是塑性变形和微裂纹，在较高载荷下，主要磨损机理是脆性剥落和磨粒磨损。

关键词：复合莫来石；硅酸锆；氧化铝；耐磨性；陶瓷微珠

中图分类号：TQ174 文献标识码：A 文章编号：0454−5648(2006)09−1106−06

WEAR RESISTANCE OF CERAMIC MICROBEADS

YUE Ming, YANG Jinlong, XI Xiaoqing, HUANG Yong

(State Key Laboratory of New Ceramics and Fine Processing, Department of Materials Science and Engineering,

Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract: The wear resistance and wear mechanism of three types of ceramic microbeads, mullite composite (22.6% zirconium sili-cate, 75% mullite, 2.4% calcium carbonate, in mass), zirconium silicate and alumina, were studied by a wear test under both dry and water lubrication conditions. The results show that the wear extent of the ceramics increases with the increase of the applied load. For water lubrication conditions compared with dry friction under same load, the wear of the mullite composite and zirconium silicate is mitigated but that of alumina increases. The main wear mechanism of the ceramics is plastic deformation and microcracks at lower loads, and brittlement stripping and grains pulling out at higher loads.

Key words: mullite composite; zirconium silicate; alumina; wear resistance; ceramic microbeads

陶瓷微珠硬度大，强度高，耐高温，耐磨性好，有利于提高研磨效率，减少原料污染，提高产品质量，因此陶瓷微珠作为一种优良的研磨介质得到广泛应用[1–3]。陶瓷微珠主要是指直径为0.1～3mm之间的陶瓷小球，它的制备方法主要有熔融法、滚动成型法、等静压成型法等。同一种材料制备的磨球，由于生产方法及工艺的不同，产品质量会有差异，耐磨性能也不同。胶态注射成型工艺是结合凝胶注模和注射成型技术实现水基非塑性浆料成型的新工艺[4–5]。采用胶态注射成型新工艺生产的陶瓷微珠，其球形度高，微观结构致密，坯体强度高，耐磨性好。目前，用该方法生产的复合莫来石、硅酸锆、氧化铝等材料的微珠已经得到了工业应用。为此，用复合莫来石、硅酸锆、氧化铝3种陶瓷微珠材料，进行摩擦磨损试验，观察其磨损特性，研究其磨损机理，并分别在干摩擦和水润滑条件下进行摩擦磨损实验，通过对比探索润滑对这3种材料摩擦磨损的影响。

1 实验

1.1 样品制备

实验所用复合莫来石、硅酸锆和氧化铝微珠的化学组成见表1。

收稿日期：2006–02–22。修改稿收到日期：2006–05–17。

基金项目：国家863计划(2001AA337060和2004AA33G110)资助项目。第一作者：乐明(1982～)，女，硕士研究生。

通讯作者：杨金龙(1966～)，男，教授。Received date: 2006–02–22. Approved date: 2006–05–17.

First author: YUE Ming (1982—), female, graduate student for master degree. Correspondent author: YANG Jinlong (1966—), male, professor.

E-mail: jlyang@.

第34卷第9期2006年9月

硅酸盐学报

JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY

Vol. 34，No. 9

September, 2006

乐 明 等：微珠陶瓷材料的摩擦磨损性能· 1107 ·第34卷第9期

表1 复合莫来石、硅酸锆、氧化铝微珠的化学组成Table 1 Chemical composition of mullite–zirconia, zirco-nium silicate and alumina

球形样品直径为10mm，圆片样品的直径为24 mm，高为8mm。陶瓷球和圆片均通过胶态注射成型工艺制成。成型工艺过程为：将陶瓷粉料、有机单体、去离子水和分散剂制备成浆料并充分球磨混合使陶瓷粉体均匀分散在溶剂中以形成均匀的陶瓷浆料。浆料真空除泡后加入催化剂和引发剂，将其注入自制的盛满油性介质的微珠塔(陶瓷球成型)或模具(陶瓷圆片成型)中，在一定温度下使浆料凝胶化。待浆料固化成型后清洗表面的油渍并干燥。干燥后的坯体经脱脂除去有机高分子物质，烧结后即可得到致密陶瓷制品。

然后对两者进行抛光处理，表面粗糙度为R a=0.5μm。再分别在丙酮和酒精中超声清洗20min，烘干待用。

1.2 实验方法

实验在SRV高温摩擦磨损试验机上进行，采用球–块对磨、点接触滑动摩擦方式。研磨实验的示意图见图1。考虑到陶瓷微珠作为研磨介质在搅拌磨中主要是自磨，实验用摩擦副采用与复合莫来石–复合莫来石、硅酸锆–硅酸锆、氧化铝–氧化铝相同的材料。法向负荷分别为5, 10, 15 N和20 N，振动频率为10Hz，单向行程为2mm，滑动速度为0.4m/s。实验采用干摩擦和去离子水润滑摩擦两种形式，实验时温度27℃，相对湿度为40%～50%。

图1 磨损实验示意图

Fig.1 Schematic diagram of wear test

摩擦磨损实验后，由表面形貌仪检测磨耗状况，表面形貌仪通过传感器与被测表面的接触测量表面粗糙度与波纹度，并根据数据绘制形貌图。然后用S−450扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)对磨痕进行观察。

2结果与讨论

图2给出复合莫来石随载荷增大磨痕的磨损面积、磨损深度和磨损宽度的变化情况。由图2可见：在干摩擦和水润滑时，复合莫来石的磨损体积均随载荷的增大而增大。但干摩擦时复合莫来石的磨损体积随载荷增大而急剧上升，即磨损体积呈陡变趋

图2 在不同载荷下复合莫来石的磨损特性

Fig.2 Wear properties of mullite composite under different loads F

Sample Material Chemical composition w/% Density/ (g·cm–3)

1 Mullite–zirconia 2.9

22.6% zirconium silicate, 75% mul-

lite,2.4% calcium carbonate

2 Zirconium

silicate 3.8

84.0% zirconium silicate, 11.0% mul-

lite,2.5% calcium carbonate, 2.5% silica

3.7

3 Alumina 95.0%

Al2O3, 3.0% calcium carbon-

ate,1% silica, 1% kaolin clay