中国有色金属学报 2003,(01),132-135 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2003.01.024

预氧化处理对碳化硼陶瓷纳米磨损性能的影响

王零森 吴芳

中南大学粉末冶金国家重点实验室,五邑大学化学与环境工程系 长沙410083 ,江门529020

摘 要：

用点接触显微镜在纳米尺度上研究了碳化硼材料的磨损特性 ,考察了热压碳化硼及经 10 73K预氧化处理 1h的两种试样的磨损深度随载荷、磨损次数、扫描速度等的变化关系。结果表明 :未经预氧化的碳化硼试样的磨损深度很小 ,而经过预氧化处理的碳化硼试样的磨损深度远远大于未经氧化的试样 ;两者的磨损深度均随载荷的增加而显著增加 ;未经氧化的碳化硼试样由于其在纵向上的结构是均匀的 ,磨损深度随磨损次数的增加呈线性增加 ,经氧化处理的碳化硼试样的磨损深度随磨损次数的增加呈现两段线性关系 ,可推断表层的H3 BO3 膜厚度为 12 0～ 14 0nm ;这两种试样的磨损深度均与扫描速度无明显关系

关键词：

碳化硼;纳米摩擦;磨损深度;预氧化;

中图分类号： TQ174.67

作者简介：王零森(1938),男,教授;

收稿日期：2002-03-24

基金：国家“九五”科技攻关项目 (98A2 811);

Influence of pre-oxidation treatment on nano wear properties of boron carbide ceramic

Abstract：

The wear characteristics of boron carbide without and wit h pre-oxidation at 1 073 K for 1 h were investigated with point contact micros cope (PCM). The results show that boron carbide without pre-oxidation possesses excellent wear resistant capability. On the contrary, the wear depth of oxidize d sample is much more deeper than that of without pre-oxidation one. For both s amples, with and without pre-oxidation, the wear depth increases remarkably as the normal load rises, and the scanning speed has no notable effect on wear dept h. The wear depth of the sample without oxidation increases linearly with scanni ng cycles, inferring that the sample is uniform longitudinally. The relation bet ween the wear depth and scanning cycles on oxidized sample infers that the thic kness of H 3BO 3 surface film is about 120-140 nm.

Keyword：

boron carbide; nano tribology; wear depth; pre -oxidation;

Received： 2002-03-24

碳化硼是一种有着许多优良性能的重要的特种陶瓷。 通过粉末冶金的方法制取耐磨、 耐腐蚀的碳化硼器件, 在许多领域取得了良好的应用效果 ^[1,2,3] 。 例如, 碳化硼器件用作气动滑阀、 热挤压模、 原子能发电厂冷却系统的轴颈轴承; 用作陶瓷气体涡轮机中的耐腐蚀、 耐摩擦器件; 喷砂嘴及高压喷水切割的喷嘴等; 碳化硼对铁水稳定, 导热性好, 可以用作机械工业连续铸模; 由于碳化硼材料能抗强酸腐蚀和抗磨损, 可用作火箭发动机燃料的流量变送器轴尖。 碳化硼材料耐磨性能极好, 它的宏观磨损量用体积损失或质量损失的方法都不易测出 ^[4,5] 。 纳米摩擦学是一个很新的学科领域 ^[6] , 有关碳化硼纳米摩擦、 磨损的研究, 国内外尚未见报导。 本文作者用点接触显微镜在纳米尺度上研究了碳化硼材料的磨损特性, 考察了热压碳化硼及经1 073 K预氧化处理1 h后的两种试样的磨损深度随载荷、 磨损次数、 扫描速度等的变化关系。

1实验

1.1试样制备

实验所用试样为热压碳化硼材料。 热压条件为: 温度2 273～2 473 K; 压力30～40 MPa; 保温保压时间约100 s。 所得碳化硼试样的性能参数如表1所示。 在进行纳米磨损实验前, 试样经粒度<1 μm的金刚石粉精研至宏观表面粗糙度R_a < 0.2 μm, 用蒸馏水反复洗净后, 置于丙酮中用超声波清洗器处理300 s后, 再在蒸馏水中煮沸10 min, 取出置于空气中干燥待用。

表1 热压碳化硼的基本性能

Table 1 Properties of hot-pressed boron carbide

Density /(kg·m-3)	Bending strength/MPa	Knoop hardness/GPa	Grain size/μm	Porosity /%
2 500～2 510	510～520	29.5～30.0	<1	<0.1

在研究碳化硼材料的宏观摩擦性能时, 文献 [ 7, 8, 9, 10] 发现用预氧化法处理碳化硼材料, 使其上生成H₃BO₃/B₂O₃膜, 可降低碳化硼的摩擦因数。 因此本文采用与文献 [ 7, 8] 相同的预氧化处理方式, 即将上述热压碳化硼试样置于马弗炉中, 在空气中于1 073 K氧化1 h, 冷却至室温后在相对湿度为40%～50%的空气中放置24 h , 得到经预氧化处理的碳化硼试样, 然后进行纳米磨损实验。

1.2实验方法

本实验用点接触显微镜(point contact microscope, PCM)进行纳米磨损实验, 其结构示意图如图1所示。 PCM就是摩擦力显微镜演变而成的微观磨损试验机。 探针为三棱锥体金刚石, 锥顶角60°～80°, 针尖圆弧半径为100 nm。

磨损实验的步骤是: 首先在极轻载荷(0～500 nN)作用下, 用探针对试样表面5 000 nm×5 000 nm范围内扫描, 得到试样磨损前的表面状况; 然后在较重载荷下刻划表面, 金刚石探针在20～300 μN作用下对基片表面进行磨损, 通过控制探针运动轨迹, 可以实现反复多次磨损运动; 最后测量磨损实验后的表面形貌, 比较磨损实验前后试样表面形貌数据, 得到磨损深度。

图1 点接触显微镜示意图

Fig.1 Schematic diagram of PCM

2结果和讨论

2.1载荷对磨损深度的影响

载荷的大小是纳米磨损实验中决定磨损深度的重要因素。 实验条件为: 扫描速度30 μm/s, 步距30 nm, 磨损次数3次。 图2所示为未氧化的碳化硼的磨损深度和载荷之间的关系, 图3所示为经过预氧化的碳化硼磨损深度和载荷之间的关系。

由图2和图3可见, 在其它条件相同的情况下, 磨损深度随载荷的增加而增加。 未经氧化的碳化硼材料的磨损很小, 这是由于碳化硼的硬度高, 耐磨性好; 而经过预氧化的碳化硼由于表面氧化生成氧化膜, 氧化膜的硬度较低 ^[7,8] , 其磨损比B₄C要多得多。

2.2磨损次数对磨损深度的影响

实验条件为: 扫描速度30 μm/s, 步距30 nm, 分别在载荷为50 μN和100 μN下得到两种样品分别磨损1, 3, 5, 8, 10次的磨损深度。图4、 图5分别给出了两种样品在不同载荷下磨损深度与磨损次数(扫描次数)的关系。

由图4可知, 当其它条件相同时, 碳化硼材料的磨损深度随磨损次数线性增加。 这是因为此处纳米磨损实验的机理是犁削, 即金刚石探针将材料逐层剥落。 碳化硼材料沿厚度方向是均质的, 所以每次行程磨去相同厚度的材料。 而从图5可以看出, 经预氧化的碳化硼材料, 磨损深度与磨损次数间明显呈两种不同斜率的分段线性关系, 在前120～140 nm磨损速率大于140 nm后的磨损速率, 这说明材料的性质在厚度方向是非均质的。 材料的最表层为H₃BO₃膜, 其下为B₂O₃ ^[11,12] 。 H₃BO₃的硬度低于B₂O₃的硬度, 显然, 表层最易磨损的是H₃BO₃膜。 由图5推测其厚度为120～140 nm。 据文献 [ 13] , 于1 073 K氧化5 h的碳化硼材料的表面氧化层厚度约为10 μm, 同时, 氧化时间从0.5 ～5 h对氧化层的厚度无明显影响。 本实验中为1 073 K氧化1 h, 估计氧化层深度至少达到微米级。 磨损实验中最大磨损深度约为200 nm, 还未能穿透B₂O₃膜层达到碳化硼基体, 图5中磨损深度140 nm后的磨损斜率介于H₃BO₃磨损斜率和碳化硼磨损斜率之间, 也与这一推断吻合。

图2 未经预氧化的碳化硼磨损深度和载荷的关系

Fig.2 Relation between wear depth and loading force on B₄C sample without pre-oxidation

图3 经预氧化的碳化硼磨损深度和载荷的关系

Fig.3 Relation between wear depth and loading force on B₄C sample pre-oxidized

图4 未经预氧化的碳化硼磨损深度和扫描次数的关系

Fig.4 Relation between wear depth and scanning cycles on B₄C sample without pre-oxidized

图5 经预氧化的碳化硼磨损深度和扫描次数的关系

Fig.5 Relation between wear depth and scanning cycles on B₄C sample pre-oxidized

2.3扫描速度对磨损深度的影响

实验条件为: 步距30 nm, 载荷100 μN, 扫描次数 1次, 得到两种样品分别在扫描速度为10, 30, 50, 80 nm/s的磨损深度。 图6给出了两种样品磨损深度与扫描速度的关系。

由图6可见, 在本实验条件下, 扫描速度对磨损深度没有明显的影响。 这可能是因为这两种试样的磨损对探针扫描速度不敏感, 当然扫描速度过大时会造成扰动, 使其它实验条件难于控制 ^[5] , 故不宜选用过大的扫描速度。

图6 扫描速度与磨损深度的关系

Fig.6 Relation between wear depth and scanning speed

3结论

1) 未经预氧化的碳化硼试样, 耐磨性能很好, 实验条件下的磨损深度仅为几纳米至十几纳米: 而经过预氧化处理的碳化硼试样, 由于表面生成H₃BO₃/ B₂O₃膜, 磨损深度远远大于未经氧化的试样, 达几十纳米至200 nm。 两者的磨损深度均随载荷的增加而显著增加。

2) 由于未经氧化的碳化硼试样的结构在纵向上是均匀的, 其磨损深度随磨损次数的增加呈线性增加; 经氧化处理的碳化硼试样的磨损深度随磨损次数的增加呈现两段线性关系, 可推断表层的H₃BO₃膜厚度为120～140 nm。 这两种试样的磨损量均与扫描速度无明显关系。

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