DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2002.01.027

稀土和Mo₅Si₃强韧化MoSi₂材料的磨粒磨损特性

张厚安刘心宇陈平唐果宁

中南大学材料科学与工程系

湘潭工学院机械工程与自动化系

湘潭工学院机械工程与自动化系长沙410083.湘潭工学院机械工程与自动化系

湘潭411201

长沙410083

摘要：

在M 2型摩擦磨损试验机上考察了MoSi2 , RE/MoSi2 和Mo5Si3 /MoSi2 等 3种材料在干摩擦条件下与氧化铝砂轮对摩时的磨粒磨损性能 , 运用扫描电子显微镜和定点探针观察与分析了其磨损表面形貌 , 并对材料的磨损机理进行了探讨。结果表明 :3种材料均具有较好的抗磨粒磨损特性 ;磨损机理主要为微切削、表面氧化和疲劳微断裂 ;第二相稀土和Mo5Si3 在一定程度上降低了基体的耐磨性 , 主要归因于表面氧化生成膜的不同性质。

关键词：

MoSi2;稀土;Mo5Si3;磨粒磨损;磨损机理;

中图分类号： TB34

收稿日期：2001-03-26

Abrasive wear behaviors of MoSi₂ reinforced by rare earth and Mo₅Si₃ under dry friction

Abstract：

The abrasive wear behaviors of MoSi 2, rare earth/MoSi 2 and Mo 5Si 3/MoSi 2 materials in sliding against Al 2O 3 grinding wheel under dry friction were investigated by using an M 2 abrasion wear tester. A scanning electron microscope with electron microprobe analyzers was used for the analysis and determination of the wear mechanisms. The results show that the three materials have excellent abrasive wear resistance. The abrasive wear of the MoSi 2 matrix composites is governed by microcutting, oxidation on the surface and fatigue microcrack. The addition of rare earth or Mo 5Si 3 all increase the wear rate of MoSi 2, which is attributed to the resultant generation of the oxide film changing on the worn ceramic surfaces.

Keyword：

MoSi 2; rare earth; Mo 5Si 3; abrasive wear; wear mechanism;

Received： 2001-03-26

金属间化合物MoSi₂兼具金属和陶瓷双重特性, 其合成和性能的研究受到普遍关注 ^[1,2,3,4,5] 。在MoSi₂中加入第二相增强体是一种有效的强韧化方法 ^[6,7,8,9,10] 。然而关于第二相对MoSi₂材料的摩擦磨损性能的影响研究较少。 Hawk等 ^[11,12,13] 对比了MoSi₂与MoSi₂-Nb复合材料的耐磨性, 发现添加Nb后MoSi₂材料的耐磨性得到了明显改善, 磨损率与Al₂O₃和PS-ZrO₂材料的相当。 Pan等人 ^[14] 分析了SiC/MoSi₂基复合材料的磨粒磨损性能, 发现SiC颗粒的加入使单体MoSi₂的磨粒磨损率降低了约90%。稀土 (简称RE) 和Mo₅Si₃对MoSi₂材料也具有明显的强韧化作用 ^[15,16] , 但目前尚未见有关它们影响MoSi₂材料的摩擦磨损性能方面的报道。作者旨在讨论稀土和Mo₅Si₃等第二相在MoSi₂材料磨粒磨损过程中的作用, 并探讨磨损机理。

1 实验方法

1.1 样品制备

试样用MoSi₂, RE/MoSi₂ (RE含量为0.8%) 和Mo₅Si₃/MoSi₂ (Mo₅Si₃含量为12%) 为原料采用机械合金化工艺合成, 并经等静压和高温真空烧结成型 ^[10] , 其性能如表1所示。经金相砂纸磨光后的样品尺寸为d16 mm/d40 mm×10 mm; 偶件试样选用工业氧化铝砂轮 (16 mm/d50 mm×10 mm) , 主要成分Al₂O₃≥88%, 粒度为0.246 mm。

表1 材料的物理性能

Table 1 Properties of materials

Material	Hv/GPa	K_ⅠC/ (MPa·m^1/2)
MoSi₂	7.50	4.50
RE/MoSi₂	10.78	6.21
Mo₅Si₃/MoSi₂	9.23	5.75

1.2 摩擦磨损试验

采用M-2型摩擦磨损试验机, 在载荷200 N和室温 (25 ℃) 条件下进行干摩擦试验。下试样MoSi₂及其复合材料以200 r/min速度转动, 上试样氧化铝砂轮以180 r/min速度转动, 由于试样外径相差大于10%, 因而二者间形成滚动和滑动复合摩擦状态。每隔一定时间利用分析天平称量下试样的质量, 并根据试样摩擦磨损试验前后的质量损失计算出磨损率。采用KY2800型扫描电子显微镜和定点探针对试样磨损表面进行形貌观察和成分分析。

2 结果与分析

2.1 摩擦磨损性能

MoSi₂, RE/MoSi₂和Mo₅Si₃/MoSi₂ 3种材料与对磨件在干摩擦状态下对摩时 (对磨件为Al₂O₃砂轮, 粒度0.246 mm, 转速200 r/min, 摩擦力矩0.2 N/m) , 其质量磨损率与时间的关系如图1所示。从图1可以看出, 3种材料磨损率均随试验时间的延长而逐渐减小, 在240 min时趋于稳定, 且均表现出较好的耐磨性能; MoSi₂材料的磨损率最小 (约0.5 mg·min^-1) , 稀土和Mo₅Si₃第二相的加入则在不同程度上降低了基体材料的耐磨性, 相应的磨损率分别为1.19 mg·min^-1和0.69 mg·min^-1。对照表1可知, 该实验结果与一般材料的耐磨性 (1/W) 正比于材料的硬度 (H) 和断裂韧性 (K_ⅠC) ^[11] (1/W∝K^3/4_ⅠC?H^1/2) 的结论不同, 李虎成等 ^[17] 在研究硼和稀土强韧化ZA27合金的摩擦磨损性能时也发现了类似现象。

图1 材料的磨损率曲线

Fig.1 Variations of wear rate of materials with test duration

2.2 磨损表面SEM和定点探针分析

MoSi₂, Mo₅Si₃/MoSi₂和RE/MoSi₂ 3种材料的磨损表面形貌SEM照片如图2所示。从图2 (a) 可以看出, 磨损表面沿磨削方向形成了许多细小的沟槽痕迹和凹坑, 表明发生了微切削磨损, 这是由于偶件Al₂O₃硬颗粒的磨粒磨损作用所致。图2 (b) , (c) 和 (d) 分别为MoSi₂, Mo₅Si₃/MoSi₂和RE/MoSi₂ 3种材料磨损表面放大后的SEM照片, 可见表面均分布有剥落的颗粒并存在微裂纹, 预示材料表面在硬颗粒的反复冲击作用下发生了疲劳损坏。

对图2中部分接触点进行电子探针分析结果如表2所示。对于处于剥落区附近的A点, Al (实际为Al₂O₃) 含量微弱, Mo与Si的摩尔比近似于各材料中的Mo和Si摩尔比, 说明次表层成分稳定; 对于接触区B点或C点则Al含量高, 反映了在对摩过程中发生了物质转移, 且Mo与Si之摩尔比也发生了明显变化:MoSi₂材料表面为4∶1, 而Mo₅Si₃/MoSi₂材料表面的Mo₅Si₃已退化为MoSi₂, RE/MoSi₂表面则为1∶1; 这表明在干摩擦条件下, 材料表面因摩擦热的作用已发生了化学反应, 不同反应膜的生成导致了材料表面性质的改变, 成为磨损表面疲劳失效程度的主要原因之一。从图2可明显看到, RE/MoSi₂表面裂纹最宽且深, MoSi₂的表面裂纹则最不明显, 因而表现出如图1 所示的不同程度的磨损率。

图2 二硅化钼基复合材料的磨损表面形貌

Fig.2 SEM micrographs of worn surfaces of MoSi₂ matrix composites (a) —Surface wear; (b) —MoSi₂; (c) —Mo₅Si₃/MoSi₂; (d) —RE/MoSi₂

表2 图2中A, B, C点电子探针结果

Table 2 Electron microprobe analyzers results of A, B and C dot in Fig.2

Point	Composition				Experimental parameter
Point	x (Mo) /%	x (Si) /%	x (Al) /%	x (RE) /%	V/keV	t/s	α/ (?)
Fig.2 (b)	27.36	63.50	9.40	-
Fig.2 (c)	38.39	58.35	3.26	-	20	62	19.49
Fig.2 (d)	27.36	63.50	9.40	-
Fig.2 (b)	11.64	47.85	40.51	-		20	62	19.49
Fig.2 (c)	22.85	47.70	29.45	-		20	62	19.49
Fig.2 (d)	24.15	23.91	51.07	0.87	20	62	19.49

综上所述, MoSi₂, Mo₅Si₃/MoSi₂和RE/MoSi₂ 3种材料与氧化铝砂轮在干摩擦条件下对摩时, 表现出较好的耐磨性能, 其磨粒磨损机理主要为微切削、表面氧化和疲劳微断裂。由于表面生成氧化膜的不同性质的差异, 第二相稀土和Mo₅Si₃的加入尽管提高了基体材料的硬度和断裂韧性, 但降低了材料的耐磨性能。