孙德明，许崇海，杨刘波，吴建军

（1山东建筑大学 材料科学与工程学院，济南250101；2山东轻工业学院，济南250100）

Cr3C2与（W，Ti）C增强氧化铝陶瓷的摩擦磨损性能

孙德明1，许崇海2，杨刘波1，吴建军1

（1山东建筑大学 材料科学与工程学院，济南250101；2山东轻工业学院，济南250100）

采用热压烧结技术制备了Al2O3／Cr3C2／（W，Ti）C复合陶瓷材料，对其物理力学性能、摩擦磨损性能进行测试，用扫描电镜（SEM）对其磨损表面进行观察。结果表明：Al2O3／Cr3C2／（W，Ti）C陶瓷材料具有良好的综合力学性能，在与硬质合金YG8圆环的对磨中表现出较高的减摩抗磨性能，摩擦因子与磨损率较单相Al2O3降低近50%。对其磨损机理研究认为，磨粒磨损为主要磨损机制，高的强度和韧性是其具有良好耐磨性能的主要原因。

氧化铝；碳化钨钛；碳化铬；摩擦磨损

Al2O3陶瓷以其优良的化学稳定性和优异的物理性能（如：高熔点、高强度、高硬度、高的抗蚀能力等），成为深受欢迎的陶瓷材料之一。但其本质脆性降低了材料可靠度，限制了在更大范围的应用。为此，各国学者研究了许多强韧化方法，制备出了多种高性能的Al2O3陶瓷复合材料［1－5］。作者以Al2O3为基体，考虑Cr3C2和（W，Ti）C两种颗粒对Al2O3的综合强韧化，热压烧结制得 Al2O3／Cr3C2／（W，Ti）C复合陶瓷材料（简称ACW复合陶瓷材料），有效提高了氧化铝陶瓷的力学性能［6－8］，本工作就其摩擦磨损性能进行研究。

1 实验

1.1 材料制备

采用分析纯Al（OH）3分解制得α－Al2O3，纯度大于99%，粉末平均直径小于1μm。所采用的（W，Ti）C和Cr3C2粉末纯度均大于99%，平均粒径约为1μm。在使用前采用稀HNO3和NaOH溶液加热清洗，以减少杂质含量。混合粉末以无水乙醇为介质用YG8硬质合金球湿式球磨48h，真空干燥24h，在N2气流中过筛，适当预冷压粉体，然后装炉进行热压烧结。烧结温度1500～1700℃，压力28MPa，保温保压时间30～50min，保护气氛为N2，随炉冷却。

1.2 性能测试

试样经过研磨抛光，尺寸为4mm×3mm×30mm，采用三点弯曲法测定材料的抗弯强度σf，跨距为20mm，加载速率为0.5mm／min。采用Vickers硬度计测定材料的显微硬度HV，加载载荷为98N，持荷时间为15s。断裂韧性KIC采用压痕法测量。Al2O3及两种ACW材料（ACW1，ACW2）性能指标测试结果的平均值示于表1。

摩擦磨损实验在MM－200型环块磨损试验机上进行，室温干摩擦。摩擦副（磨轮）为硬质合金YG8圆环，尺寸为φ（40－16）mm×10mm，硬度 HRA89，表面粗糙度Ra＝0.08μm。各摩擦力矩值均取对磨17min后的3min时间内5个读数的平均值，试样磨痕宽度在JC10型读数显微镜下测量。摩擦系数按下式计算：

磨损率定义为单位荷载单位磨程下磨损的宽度：

式（1）和（2）中：k为摩擦系数；F为摩擦力；P为试样所受压力负载；M为摩擦力矩；R为硬质合金圆环外圆半径；W″为磨损率；b为磨痕的宽度；s为摩擦磨损的行程；ω为硬质合金圆环的转动角速率（2πr／min）；t为摩擦磨损时间。

表1 陶瓷材料物理力学性能Table 1 Physical and mechanical properties of ceramics

2 结果与分析

2.1 荷载对摩擦磨损性能的影响

图1为材料摩擦因数与载荷之间的变化关系，在200r／min转速下，随法向荷载的增大滑动摩擦因数均呈下降趋势，荷载较小时下降幅度明显，而在荷载较大时变化平缓。这是因为摩擦力的大小不仅取决于接触面间分子的作用力，而且还取决于接触面间粗糙微凸体的切削作用。实验中摩擦力矩值是配对摩擦17min后的读数，在较大荷载作用下，ACW复合材料与YG8硬质合金摩擦副接触面间各微凸体所受压应力加大，切削作用加大，同时接触面两边脆性微凸体脆性断裂几率加大，使得材料脱落加剧，较短的时间内导致接触面间微凸体的数量迅速减少，接触面间趋于光滑。此外，因摩擦时间不很长，温度升高不明显，黏着磨损发生几率不大，综合这两方面的原因，大荷载下接触面间磨合迅速，相同磨合时间后接触面更光滑，摩擦因数更小。同单相Al2O3陶瓷相比，所研制的ACW复合材料滑动摩擦因数明显减小，均在0.4～0.7之间，而Al2O3陶瓷的滑动摩擦因数为0.9左右，这同其他研究成果的结论一致［9］。

图1 摩擦因数随荷载的变化关系Fig.1 Variation between the friction coefficient and the load

图2为200r／min转速下对磨20min后的磨损率与荷载之间的关系曲线。磨损率均随荷载的增大而降低，ACW复合材料的磨损率明显低于Al2O3陶瓷。由于单相Al2O3陶瓷的强度和韧性较差，起始微凸体磨去之后，尽管接触面逐渐光滑，摩擦因数不断减小，但相对于强韧性好的ACW复合材料而言，其表面颗粒更容易继续脱落或剥离，此外单相Al2O3陶瓷的晶粒较复合材料粗大，断裂模式以晶间断裂为主，这些均导致其接触表面粗糙程度劣于ACW复合陶瓷材料，这就是单相Al2O3陶瓷摩擦因数和磨损率均较高的主要原因。

图2 磨损率随载荷的变化关系Fig.2 Variation between the wear rate and the load

2.2 磨损时间对摩擦磨损性能的影响

图3为材料摩擦因数随摩擦时间的变化关系，在100N荷载、200r／min转速下，各试样摩擦因数随摩擦时间的延长均稍有上升，而ACW复合材料的摩擦因数趋向于一较窄的数值范围，且明显低于单相Al2O3陶瓷。结合摩擦磨损后材料的表面形貌（见图4）可以做出如下解释，随着摩擦磨损的进行，材料接触表面上的微凸体或磨粒间发生相互的切削、挤压作用，表面的材料被不断犁削、断裂去掉，摩擦生热引起的磨损表面温度不断上升，当升温到一定程度，黏着摩擦磨损开始产生作用，陶瓷材料较差的导热性能使得黏着磨损的影响渐渐接近或超过犁削磨合的作用，从而导致摩擦因数不但不下降，反而稍有上升。因各ACW复合陶瓷材料的导热性能区别不明显，所以图中摩擦因数逐渐趋向于一较窄的数值范围。

图5为对应图3磨损条件下的磨损率曲线，结果表明，尽管黏着摩擦使得摩擦因数有所升高，但是单位荷载单位磨程下的磨痕宽度是减小的，也就是说，尽管总的磨损量在增大，单位荷载单位磨程下的磨损却在降低，不过下降的趋势逐渐变缓。并且ACW复合陶瓷材料的磨损率趋向于一较窄的数值范围，这一点与摩擦因数的变化特点相吻合。

图5 磨损率随时间的变化关系Fig.5 Variation between the wear rate and the wear time

2.3 磨损机制分析

从ACW复合陶瓷材料与YG8硬质合金配副的摩擦磨损实验结果来看，磨粒磨损在整个磨损过程中占主要地位，同时伴有疲劳磨损和黏着磨损。

根据ACW复合陶瓷材料的微观结构与断裂模式研究［7］，其破坏形式以脆性断裂为主，则依据Evans的经典磨粒磨损计算模型［10］：

式中：V为磨损体积；k为与磨粒直径及其分布状况有关的参数；L为滑动磨程；P为施加的荷载；D为磨粒直径；H为材料硬度；KIC为材料的断裂韧性。由此可以看出，相对于单相Al2O3陶瓷来说，ACW复合陶瓷材料晶粒粒径较小、断裂韧性较高，因此在相同摩擦磨损条件下磨损体积较小，具有较高的耐磨损性能，这与实验结果相一致。ACW复合陶瓷材料磨粒磨损的过程为当两种材料滑动表面接触后，最初是微凸体与微凸体接触，在法向和切向应力的作用下，微凸体将产生变形，质脆材料的弹性变形有限，很快会有裂纹在微凸体内部或其周界处萌生，裂纹不断扩展甚至并合，导致微凸体断裂，从而产生相对光滑的表面，表观上体现了摩擦因数的降低，法向荷载越大滑动速度越快，则摩擦因数降低得越快。

初始微凸体渐趋光滑后，两表面间的接触面积增大，切削作用相对降低，接触面间的推碾循环作用逐渐加剧，疲劳磨损的几率上升，与推碾力平行的表面层中逐渐形成裂纹，进一步加载使得裂纹扩展、相邻裂纹连通，导致材料剥落形成磨屑。图4中可看到有一些多与滑动方向垂直的裂纹，这是由陶瓷颗粒的脆性开裂和疲劳磨损引起的。随着摩擦磨损的进行，摩擦生热致使表面层温度不断上升，局部高温产生塑性变形，摩擦配副间出现黏着点，温度越高，黏着磨损作用越大。

3 结论

（1）复合陶瓷材料ACW具有较好的综合力学性能，其抗弯强度和断裂韧性明显优于单相Al2O3陶瓷。

（2）ACW复合陶瓷材料滑动摩擦因数明显减小，在0.4～0.7之间，而单相Al2O3陶瓷为0.9左右。摩擦因数随法向荷载的增大而降低、随摩擦时间的延长而升高，变化趋势均越来越缓慢。

（3）ACW复合陶瓷材料的磨损率随法向荷载、磨损时间的增加均减小，且变化趋向平缓。主要磨损机制为磨粒磨损。

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Friction and Wear Behavior of Al2O3Ceramic Composite Materials Reinforced with Cr3C2and（W，Ti）C

SUN De－ming1，XU Chong－hai2，YANG Liu－bo1，WU Jian－jun1
（1School of Materials Science ＆ Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2Shandong Institute of Light Industry，Jinan 250100，China）

Ceramic composite materials Al2O3／Cr3C2／（W，Ti）C were fabricated with hot－pressing sintering technique.The physical and mechanical properties were tested，the friction and wear behavior were studied，and the wear trace was investigated by scanning electron microscope（SEM）.Results indicate that the ceramic composite material Al2O3／Cr3C2／（W，Ti）C has good mechanical properties，good friction and wear resistance，and especially both the frictional factor and the wear rate decrease about 50%than the monolithic Al2O3ceramic.The main wear mechanism is the grain－abrasion，and the grain fracture is mostly brittle.The good flexural strength and fracture toughness improve the wear resistance of the ceramic composite material greatly.

alumina；tungsten titanium carbide；chromium carbide；friction and wear

TQ174

A

1001－4381（2012）02－0016－04

国家自然科学基金资助项目（51075248）；山东省优秀中青年科学家科研奖励基金资助项目（2008BS04037）

2011－02－18；

2011－11－20

孙德明（1969—），男，博士，教授，主要从事陶瓷模具材料的研究与开发，联系地址：山东建筑大学材料学院（250101），E－mail：mingsdm＠sdjzu.edu.cn