玻璃陶瓷材料与轴承钢表面摩擦磨损的试验研究
2010-11-22作者：高春甫[1]； 白雪清[2]；鄂世举[1]
[1]吉林大学机械学院；[2]山西工程职业技术学院机电工程系
[1]吉林大学机械学院；[2]山西工程职业技术学院机电工程系
现代科学技术的迅速发展对材料的性能提出了更高的要求，玻璃陶瓷具有各种优良的综合性能，如热电性能、耐腐蚀性及生物相容性能等。更为重要的是，它可以用普通的金属切削刀具进行机械加工，因此，性能优良的玻璃陶瓷逐渐受到人们的重视。近年来，玻璃陶瓷广泛用于航天、军工、医疗、机械、电子等领域。目前，有关可加工玻璃陶瓷的研究大都集中在材料制备工艺及其性能控制等方面，随着玻璃陶瓷材料的广泛应用，玻璃陶瓷的摩擦磨损问题正逐步成为摩擦学领域中的研究热点之一，科技人员陆续开展了有关玻璃陶瓷的摩擦磨损性能的研究。本文作者以云母玻璃陶瓷(Fluoroph logop ite Glass Ceramics)与轴承钢(GCr15)为例，研究了2种材料组成的配副在不同载荷条件下的摩擦磨损特性，并探讨其磨损机制，以便对玻璃陶瓷的更广泛应用提供相关的试验数据。
1 试验
玻璃陶瓷的成分表达式通常为R2O- MgO-Al2O3-SiO2-F，其中R表示碱金属。试验选用的材料为氟金云母玻璃陶瓷，氟金云母玻璃陶瓷的弯曲强度大于等于108Mpa，冲击韧性大于等于3.8kJ/mm2，体积密度2.5~2.8g/cm3，适用温度-22~+1000℃，硬度HV258~273，热膨胀系数小于等于94×10-7K-1。配副金属材料轴承钢( GCr15)的硬度为HB660~755。本试验的仪器为MPX-2000型摩擦磨损试验机，配副采用盘销对摩的形式，氟金云母玻璃陶瓷加工成圆盘形状(φ39mm×5mm ), 轴承钢加工成悄形状(φ5mm×18mm )，试验条件为:转动速度370r/min，20#机油冷却，相对湿度43%一56%，室温，载荷ρ分别为50，100，150，200N。将盘表面与销端面接触，并浸润20#机油中，使配副在一定转速、一定载荷下对摩。记录摩擦力矩值数据，用TG328B型电光分析天平每隔30s测量试样磨损前后的质量损失，计算出相应的摩擦因数与磨损率。对于每种试验条件进行10次试验，计算均值。用4XB-C型金相显微镜观察和分析试样磨损表面形貌。
2 结果与讨论
2.1摩擦因数
玻璃陶瓷轴承钢在不同载荷下的摩擦因数如图1所示。摩擦因数、反映材料表面形貌、接触形式及载荷与滑动速度之间的相互作用关系。可以看出，随着磨损时间的增加，摩擦因数逐渐趋于稳定，Z后的平均摩擦因数数值在0.095左右波动。当载荷较低，p=50N时，磨擦因素相对较小，摩擦因素在0.06 ~ 0.08之间变动。当载荷较高，p为100，150，200N，摩擦因数比较稳定，在0.09~ 0.10之间波动。相对而言，轴承钢中较硬的质点压入玻璃陶瓷表面时，载荷的增大使得犁削作用增大，陶瓷盘表面产生清晰的“犁沟”，表面逐渐粗糙，从而导致了试样对摩时，摩擦因数增大。
1 试验
玻璃陶瓷的成分表达式通常为R2O- MgO-Al2O3-SiO2-F，其中R表示碱金属。试验选用的材料为氟金云母玻璃陶瓷，氟金云母玻璃陶瓷的弯曲强度大于等于108Mpa，冲击韧性大于等于3.8kJ/mm2，体积密度2.5~2.8g/cm3，适用温度-22~+1000℃，硬度HV258~273，热膨胀系数小于等于94×10-7K-1。配副金属材料轴承钢( GCr15)的硬度为HB660~755。本试验的仪器为MPX-2000型摩擦磨损试验机，配副采用盘销对摩的形式，氟金云母玻璃陶瓷加工成圆盘形状(φ39mm×5mm ), 轴承钢加工成悄形状(φ5mm×18mm )，试验条件为:转动速度370r/min，20#机油冷却，相对湿度43%一56%，室温，载荷ρ分别为50，100，150，200N。将盘表面与销端面接触，并浸润20#机油中，使配副在一定转速、一定载荷下对摩。记录摩擦力矩值数据，用TG328B型电光分析天平每隔30s测量试样磨损前后的质量损失，计算出相应的摩擦因数与磨损率。对于每种试验条件进行10次试验，计算均值。用4XB-C型金相显微镜观察和分析试样磨损表面形貌。
2 结果与讨论
2.1摩擦因数
玻璃陶瓷轴承钢在不同载荷下的摩擦因数如图1所示。摩擦因数、反映材料表面形貌、接触形式及载荷与滑动速度之间的相互作用关系。可以看出，随着磨损时间的增加，摩擦因数逐渐趋于稳定，Z后的平均摩擦因数数值在0.095左右波动。当载荷较低，p=50N时，磨擦因素相对较小，摩擦因素在0.06 ~ 0.08之间变动。当载荷较高，p为100，150，200N，摩擦因数比较稳定，在0.09~ 0.10之间波动。相对而言，轴承钢中较硬的质点压入玻璃陶瓷表面时，载荷的增大使得犁削作用增大，陶瓷盘表面产生清晰的“犁沟”，表面逐渐粗糙，从而导致了试样对摩时，摩擦因数增大。
图1 摩擦因数随磨损时间变化的关系曲线
2.2磨损率
表1 玻璃陶瓷盘的磨损率变化情况
图2 不同载荷条件下的玻璃陶瓷磨损率
图3 不同载荷条件下轴承钢磨损率
图2示出了在不同载荷条件下的玻璃陶瓷磨损率的变化范围，图3示出了在不同载荷条件下轴承钢磨损率的变化范围。图2和图3还显示了试验均值的情况下，每一种试验条件下测试数据的变动范围(其详细的测试数据如表1和表2所示，可以看出，图2中玻璃陶瓷材料的磨损率随着载荷的变化发生波动，磨损率的总平均值为0.352×10-3 g/min。同样，轴承钢的磨损率也随着载荷的变化发生波动。当载荷为150N时，对磨的2种材料均获得Z大的磨损率值。可见载荷对材料的磨损率有一定的影响。
表2 轴承钢销的磨损率变化情况
2.3磨损表面
图4不同载荷下与轴承钢对磨的玻璃陶瓷磨损表面形貌照片（150×）
图4示出了4种载荷条件下玻璃陶瓷盘磨损表面形貌。可以看出，陶瓷表面呈现出明显的犁沟，在200N载荷下玻璃陶瓷磨损表面的犁沟更加明显，犁沟深度也有所增加。随着载荷的增大，温度随之升高，玻璃陶瓷磨损表面逐渐出现明显的摩擦化学反应烧损现象，如图5所示。玻璃陶瓷所含的玻璃相和低熔点相发生摩擦化学反应，表面出现了明显的烧损现象，陶瓷表层的组织发生了变化。图6示出了200N载荷下轴承钢销的磨损表面，可以看出，轴承钢表面纹理整齐、细腻。与玻璃陶瓷相比，轴承钢的硬度较低，试验过程表现为磨料磨损。
图５
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图６
上述试验表明，当载荷升至100N以上以后，玻璃陶瓷的摩擦因素比较稳定，在0.095周围波动。对磨的陶瓷玻璃和轴承钢的磨损率存在波动，玻璃陶瓷和轴承钢磨损表面呈现出磨料磨损现象。当载荷达到200N时，随着载荷的增大，温度随之升高，玻璃陶瓷磨损表面逐渐出现明显的摩擦化学反应烧损现象。
3 结论
在玻璃陶瓷与轴承钢材料的盘销式摩擦磨损试验过程中，氟金云母玻璃陶瓷与轴承钢的平均摩擦因数为0.095。在低载荷条件下，摩擦因数比较稳定。对磨的玻璃陶瓷和轴承钢的磨损率存在波动，其对磨过程以磨料磨损为主。
3 结论
在玻璃陶瓷与轴承钢材料的盘销式摩擦磨损试验过程中，氟金云母玻璃陶瓷与轴承钢的平均摩擦因数为0.095。在低载荷条件下，摩擦因数比较稳定。对磨的玻璃陶瓷和轴承钢的磨损率存在波动，其对磨过程以磨料磨损为主。
《润滑与密封》 2007年第4期