简介概要

MoSi2/SiC配对副在不同载荷下的高温磨损性能研究

来源期刊：稀有金属2008年第4期

论文作者：张翠娟胡小平张厚安时存

关键词：二硅化钼; 磨损率机制; 高温磨损; 碳化硅;

摘要：在XP-5型高温摩擦磨损试验机上考察了MoSi2/SiC配对副在1000 ℃不同载荷下的摩擦磨损性能, 并用SEM扫描电镜对MoSi2和SiC的磨损表面进行了观察, 用X射线分析了MoSi2的磨损表面相组成.结果表明: MoSi2/SiC摩擦副在1000 ℃高温滑动时, 随载荷增大摩擦系数逐渐减小;40 N时MoSi2的磨损率达到极大值;随载荷的增大, MoSi2的主要磨损机制依次表现为粘着、研磨、疲劳断裂和氧化磨损等形式.20～50 N时, SiC出现磨损增重现象, 归因于氧化增重作用高于磨损失重作用.

稀有金属 2008,(04),429-432 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2008.04.018

MoSi₂/SiC配对副在不同载荷下的高温磨损性能研究

时存胡小平张翠娟

湖南科技大学先进材料制备与应用研究所

摘要：

在XP-5型高温摩擦磨损试验机上考察了MoSi2/SiC配对副在1000℃不同载荷下的摩擦磨损性能, 并用SEM扫描电镜对MoSi2和SiC的磨损表面进行了观察, 用X射线分析了MoSi2的磨损表面相组成。结果表明:MoSi2/SiC摩擦副在1000℃高温滑动时, 随载荷增大摩擦系数逐渐减小;40 N时MoSi2的磨损率达到极大值;随载荷的增大, MoSi2的主要磨损机制依次表现为粘着、研磨、疲劳断裂和氧化磨损等形式。20⁵0 N时, SiC出现磨损增重现象, 归因于氧化增重作用高于磨损失重作用。

关键词：

二硅化钼;磨损率机制;高温磨损;碳化硅;

中图分类号： TG148

收稿日期：2007-11-04

基金：国家自然科学基金 (50405041);2007年中南大学粉末冶金国家重点实验室开放基金资助项目;

Wear Behaviors of MoSi₂/SiC under Different Load at High Temperature

Abstract：

The frictional properties of molybdenum disilicide (MoSi2) against SiC under different loads at 1000 ℃ were investigated with XP-5 type High Temperature Friction and Wear Tester.Microphotographs of the worn surface and phase status of MoSi2 were observed and analyzed by means of SEM with EDS and X-ray diffraction method.The results showed that friction coefficient of sliding was reduced gradually with the increase of load for the friction couple of MoSi2/SiC at 1000 ℃.Wear rate of MoSi2 was the ultimate when the load was 40 N.With the increase of load, the mechanism of MoSi2 wear changed from the form of adhesion, abrasion to fatigue fracture and oxidation in sequence.When the load was in the range of 20 N to 50 N, the worn weight gain of SiC was increased, since the influence of oxidation on the weight gain was more obvious than that of wear.

Keyword：

MoSi2;wear mechanism;wear behavior at high temperature;SiC;

Received： 2007-11-04

MoSi₂因抗氧化能力和高的熔点 (2030 ℃) 而常被用来做1650 ℃以上高温氧化氛围中的发热元件。 20世纪50年代初, Maxwell等首次提出MoSi₂作为结构材料的设想, 然而该设想在当时并未引起材料界足够的重视。近20年来随着航天技术的不断进步, MoSi₂因其作为高温结构材料的巨大应用潜力, 已成为材料学者研究的热点, 许多学者对MoSi₂的合成、力学性能与氧化性能等方面进行了大量的研究 ^[1,2,3,4,5] 。 MoSi₂具有较高的硬度和弹性模量, 优异的高温抗氧化能力等特征, 有望成为一种新型的耐磨材料。 Hawk等 ^[6] 研究认为, MoSi₂在严重的两体磨粒磨损环境中具有极好的耐磨性, 且更适应复杂环境。关于MoSi₂耐磨性的已有研究主要集中在室温范围 ^[7,8,9] , 高温下MoSi₂的摩擦磨损性能研究鲜见报道。本文拟对MoSi₂/SiC配对副在1000 ℃的高温摩擦磨损行为进行研究。

1 实验

MoSi₂材料通过高温自蔓延 (SHS) 合成后, 经冷压 (压力约200 MPa, 保压1.5 min) 成型, 高温真空烧结 (烧结温度1500 ℃, 保温时间1 h) 而成, 其致密度可达95%以上 ^[10] , 外形尺寸为Φ 8 mm×18 mm, 硬度值为81.12HRA, 断裂韧性6.67 MPa·m^1/2, 试样表面经金相砂纸打磨抛光, 表面粗糙度R_a为0.4, 并以其作为磨损时的销试样。盘试样采用反应烧结SiC材料, 纯度为95%, 硬度为77.6HRA, 断裂韧性6.05 MPa·m^1/2, 表面粗糙度R_a为0.8。

采用销-盘式摩擦副, 磨损试验在XP-5型高温摩擦磨损试验机上大气环境干摩擦条件下进行。在相同的线速度 (0.126 m·s^-1) 下, 分别考察了载荷为10, 20, 30, 40和50 N时的摩擦磨损性能。磨损试样先经无水乙醇 (纯度99.7%) 清洗, 然后用精度为0.1 mg的电子天平称量。摩擦系数由试验机上的计算模块自动给出, 质量磨损率按质量损失量与时间的比值来计算。采用带有微探针 (EDS) 的KYKY-2800型扫描电子显微镜 (SEM) 及D8-Advance型全自动X射线衍射仪 (X-ray) 观察和分析磨损表面形貌及相组成。

2 结果与讨论

2.1 磨损率

30 N时MoSi₂磨损率随时间变化曲线如图1所示。整个曲线大致分为两个阶段, 第一小时内磨损率较大, 2～5 h磨损率趋于平稳, 保持在25 mg·h^-1左右, 为第一小时磨损率的1/3, 表明在开始摩擦的第一小时, 由于摩擦副接触表面凸凹不平, MoSi₂/SiC摩擦副处于跑合状态, 此时磨损率较大; 2 h之后为稳定磨损状态, 由于接触面相对光滑且高温摩擦过程中表面膜的形成, 磨损率维持在较低水平。

图2所示为MoSi₂与SiC对摩5 h后的磨损率随载荷变化的关系曲线。 MoSi₂的曲线分为2个阶段, 40 N之前, MoSi₂材料的质量磨损率随载荷的增大而增加, 40～50 N范围内, MoSi₂的质量磨损率有所降低, 但与同等条件下谭伟成等 ^[11] 所做的MoSi₂/Al₂O₃对磨副相比, MoSi₂的磨损率较小, 可见配对件的选择对材料的摩擦磨损性能具有较大的影响。 SiC对磨盘在10 N时为磨损失重, 且比MoSi₂的小; 在20～50 N时, 出现了磨损增重现象, 归因于氧化增重大于磨损失重的结果。

2.2 摩擦系数

配对副稳定期的摩擦系数关系曲线如图3所示。从图可见, MoSi₂/SiC摩擦副在1000 ℃, 0.126 m·s^-1时, 摩擦系数保持在0.25～0.6之间, 且整条曲线基本呈下降趋势, 载荷越大, 摩擦系数越低, 这与高温摩擦过程中摩擦副表面接触状态及由于高温环境和摩擦热的作用而形成的表面膜状态有关。

图1 30 N时MoSi2的磨损率随时间变化曲线

Fig.1 Wear rate of MoSi₂ vs time at 30 N

图2 MoSi2及SiC盘磨损率随载荷的变化

Fig.2 Wear rate of MoSi₂ and SiC vs load

2.3 磨损机制分析

图4所示为MoSi₂和SiC的磨损面XRD衍射谱图。由图可知, MoSi₂表面的相组成主要有: MoSi₂, Mo₅Si₃和SiO₂。由于实验在空气氛围内进行, 磨损过程中氧化现象不可避免, Mo₅Si₃和SiO₂正是MoSi₂高温氧化的结果; 而SiC表面相主要由SiC和SiO₂组成, 表明磨损进程中SiC表面也发生了氧化反应 ^[12,13] , 导致SiC增重。

MoSi₂磨损表面形貌如图5所示。 10 N时, MoSi₂表面粗糙 (图5 (a) ) , 表现出粘着磨损形貌, 对磨件SiC表面也出现明显粘着痕迹 (图6 (a) ) 。 EDS分析结果表明, C原子扩散到MoSi₂表面, 且Mo原子扩散到SiC表面。此时摩擦系数高, MoSi₂磨损率较低, SiC为磨损失重。

图3 MoSi2/SiC摩擦系数随载荷的变化

Fig.3 Friction coefficient of MoSi₂ against SiC vs load

图4 摩擦副的XRD谱

Fig.4 XRD patterns of sliding friction couple

当载荷增加至20N时, MoSi₂表面较平滑, 但粘着痕迹依然明显, 摩擦系数降低。比较图5 (a) 和 (b) 知, 载荷增大, 表层裂纹增多, MoSi₂的磨损率增大。

随着载荷的增大, MoSi₂表面表现出研磨和抛光的趋势。 30 N时磨损表面变得光滑, 只有非常轻微的磨痕, 归因于载荷加大使滑动碾压作用增强, 磨屑细化, 表面氧化层已不能稳定存在。从图4可以看出, 此时磨损表面以MoSi₂相为主, 这与图5 (c) 表面形貌相符合。摩擦系数继续降低, MoSi₂的磨损量缓慢增加。 40 N时, MoSi₂表面光滑但出现了疲劳裂纹和剥落坑, 此时材料的失效方式发展以疲劳断裂为主, MoSi₂的磨损量达到最大值。 SiC在40 N时的磨损表面形貌如图6 (b) 所示, 材料表面形成光滑的薄膜, 有利于降低摩擦系数。 EDS分析表明, 薄膜主要包含Si, Mo, O, C等元素, 从XRD图谱 (图4) 知, 其主要相为SiC和SiO₂, 这是材料表面发生复杂氧化反应的结果。且随载荷增大, SiC峰强降低, 表明氧化现象越严重, SiC氧化增重愈多, 当其超过因薄膜脱落而引起的磨损失重时, SiC出现磨损增重现象 (图2) 。图5 (e) 为50 N时MoSi₂的磨损表面形貌。从图可见, 表面已无明显的裂纹, 而在晶界处形成许多黑色的小岛。 EDS分析知其主要是富SiO₂相的物质, 它在晶界富集, 高温下具有自愈合作用, 阻止了裂纹的产生, 对摩擦表面起润滑作用, 因而MoSi₂的磨损率降低, 摩擦系数较低。