可能用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣門導(dǎo)管的陶瓷基石墨復(fù)合材料的往

1、可能用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣門導(dǎo)管的陶瓷基石墨復(fù)合材料的往復(fù)式摩擦磨損特性p.j. blau", b. dumonta, d.n. braskia, t. jenkinsa, e.s. zanoriab, m.c. long c doak ridge national laboratory, p.o. box 2008, oak ridge, tn 37831-6063, usa caterpillar, peoria proting ground, peoria, il 61656-1895, usa ccaterpillar, technical center, peoria, il 6

2、1656-1875, usa摘要：在一定范用的溫度，正常負(fù)載，速度和潤(rùn)滑條件下對(duì)從鑄鐵，氮化硅和氮化硅/12.5% （體 積分?jǐn)?shù)）石墨復(fù)合材料氣門導(dǎo)管上切f的樣品進(jìn)行往復(fù)平球?qū)嶒?yàn)。這項(xiàng)工作的冃的是 確定陶瓷復(fù)合材料是否會(huì)在表而產(chǎn)生一層有益的潤(rùn)滑膜，成為口潤(rùn)滑材料。440c型不 銹鋼被用作配合端而材料。利用機(jī)加工實(shí)驗(yàn)使樣品的表而粗糙度和磨痕方向與實(shí)際氣 門導(dǎo)管孔相似。為了與陶瓷復(fù)合材料對(duì)比，還對(duì)鑄鐵和氮化硅基體材料進(jìn)行了測(cè)試。同時(shí)對(duì)氮化硅基體材料上的石墨粉末進(jìn)行測(cè)試，以確定哪種摩擦行為對(duì)能在最有利的 悄況下被觀察到。結(jié)合摩擦磨損數(shù)據(jù)和表而化學(xué)分析證實(shí)，當(dāng)前的復(fù)介材料在耐磨的 同時(shí)，氮化硅本身對(duì)潤(rùn)

3、滑性沒有任何提高。通過光學(xué)檢測(cè)，掃描電子顯微鏡，或表而 化學(xué)分析，沒有獲得有利石墨薄膜形成滑動(dòng)誘導(dǎo)的證據(jù)。在本實(shí)驗(yàn)中，用于此種復(fù)合 材料的石墨破碎成細(xì)顆粒，未能形成潤(rùn)滑膜，所得結(jié)果不排除發(fā)展其他具有自潤(rùn)滑性 能的陶瓷復(fù)合材料的可能性。關(guān)鍵詞:摩擦；磨損；石墨；陶瓷基復(fù)合材料；氮化硅；白潤(rùn)滑材料1引言由支撐基體包裹住分散的一個(gè)或多個(gè)較軟的潤(rùn)滑物質(zhì)的白潤(rùn)滑復(fù)合材料己在摩擦應(yīng)用領(lǐng)域 獲得了大范圍的使用。取決于具體應(yīng)川，棊體材料的范圍可以從相對(duì)較軟的聚合物到碘陶瓷。同 樣地，潤(rùn)滑物質(zhì)可以是軟金屬，聚合物，或其它非金屬。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)效率超過42%,是推動(dòng)下 一代節(jié)能型汽車和卡車的領(lǐng)先內(nèi)燃機(jī)選項(xiàng)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)

4、可受益丁使川如陶瓷，輕質(zhì)金屬合金和復(fù) 合材料等先進(jìn)的摩擦材料，進(jìn)一步提高其能源效率和性能。除了座閥，滾了軸承，水泵密封件, 以及渦輪增壓器轉(zhuǎn)了，氣門導(dǎo)管是這些新材料可能的摩擦辭損應(yīng)川。為了減少柴油發(fā)動(dòng)機(jī)因脫離 氣門導(dǎo)管進(jìn)入燃燒室的汕產(chǎn)牛的排放，氣門導(dǎo)管和氣門桿之間的間隙被減小。因此，液休潤(rùn)滑劑 變得難以被供應(yīng)到氣門桿中，利用不必依賴氣門導(dǎo)管孔供油穩(wěn)定就能具冇良好潤(rùn)滑質(zhì)量的材料成 為制造氣門桿和氣門導(dǎo)管的理想材料。此前的研究對(duì)含有12.5%體積分?jǐn)?shù)的石墨纖維的連續(xù)纖維陶瓷復(fù)合材料（cfcc）和傳統(tǒng)鑄 鐵氣門導(dǎo)管合金，以及沒有添加固體潤(rùn)滑劑的陶瓷基體材料的往復(fù)滑動(dòng)摩擦磨損性能進(jìn)行了比較。 美國(guó)能源

5、部門的能源項(xiàng)fi將這種cfcc材料作為氣門導(dǎo)管的候選材料進(jìn)行開發(fā)。為了更好地了 解在滑動(dòng)過程中，cfcc材料是否會(huì)在接觸面上形成一層石墨薄膜，我們單獨(dú)在基質(zhì)材料上做了 實(shí)驗(yàn)，商用石墨粉末的潤(rùn)滑作用就如同在一些復(fù)合材料中使用的那種松散纖維。為了探索cfcc nj*能帶來的好處而又不忽視特性的重要趨勢(shì)，在一定范圍的負(fù)荷，速度， 潤(rùn)滑狀態(tài)和溫度狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試。在干燥和履帶附帶有柴汕發(fā)動(dòng)機(jī)汕的情況下分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和表 面化學(xué)分析。在可控的實(shí)驗(yàn)條件下，利用一定范圍的載荷，速度和潤(rùn)滑狀態(tài)對(duì)三種氣門材料的摩 擦磨損性能進(jìn)行對(duì)比，并確定該cfcc在滑動(dòng)接觸屮形成的光滑薄膜的程度。如果cfcc在這 些實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的

6、試驗(yàn)屮展現(xiàn)了良好的特性，便會(huì)計(jì)劃更多在發(fā)動(dòng)機(jī)條件下的研究。表1列出了不同類型石墨覆蓋面典型的滑動(dòng)摩擦系數(shù)門句。從該數(shù)據(jù)得cfcc形成冇效的石 墨潤(rùn)滑膜時(shí)摩擦系數(shù)為0.050.15。其屮的關(guān)鍵技術(shù)問題為cfcc材料在商業(yè)應(yīng)用時(shí)潤(rùn)滑膜的 穩(wěn)泄性和持久性。williams等介紹碳石墨材料對(duì)不銹鋼的摩擦磨損特性表現(xiàn)出磨合行為，導(dǎo)致 在游離摩擦幣損條件下，鋼上形成和不斷補(bǔ)充緩沖傳遞層。磨介期中，在穩(wěn)定的傳遞層建立z前， 高石墨材料的初期磨損比無石墨材料迅速。由于穩(wěn)定的傳輸層存在對(duì)保持良好的摩擦性能有至關(guān) 重要的作用，現(xiàn)在的研究興趣在于能否形成類似的碳纖維-氮化硅復(fù)合材料。以往的研究已經(jīng)表明使用石墨潤(rùn)滑劑

7、減少陶瓷及陶瓷金屬z間摩擦的可行性。例如，liu和 xue在室溫條件下利用cr鋼和含有025%（體積分?jǐn)?shù)）石墨四方氧化鉗多品（tzp）陶瓷基復(fù)合材 料滑動(dòng)分別進(jìn)行往復(fù)球-平板試驗(yàn)。隨著石墨含量增加至24.4% （體積分?jǐn)?shù)），摩擦系數(shù)大約 從0.56的降低到0.30。石墨含量略低時(shí)復(fù)合材料的磨損率小幅下降，然后當(dāng)石墨含量超過15% （體積分?jǐn)?shù)）時(shí),摩擦系數(shù)顯著增加。在gangopadhyay和jahanmi嚴(yán)較早的一組實(shí)驗(yàn)中,對(duì)石 墨-氮化硅復(fù)合材料以及其他組合進(jìn)行銷-環(huán)實(shí)驗(yàn)，將陶瓷針樣品鉆孔并填充石墨來建立符合特性 模型。環(huán)是aisi 52100型號(hào)鋼。在有較高摩擦力的磨合期間，含有石墨的傳遞

8、層在氮化硅上形 成，便得其擁有約0.17的恒定滑動(dòng)摩擦系數(shù)。.當(dāng)接觸區(qū)域的石墨超過20%面積分?jǐn)?shù)吋，才能從 石墨氮化硅符合材料屮獲得最人收益。當(dāng)石墨的面積白分?jǐn)?shù)較高時(shí)（40%）,氮化硅與鋼環(huán)摩 擦的磨損率要么基本保持不變，要么升高。另一方而，隨著石墨的面積分?jǐn)?shù)從0到近50%,鋼 環(huán)的磨損率略有下降。隨后，gangopadhyay等切在其綜述文章中再次提到這項(xiàng)工作。這些早期 工作揭示了自潤(rùn)滑陶瓷在推動(dòng)柴汕發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)屮發(fā)揮作用的潛力。這里要解決問題是一個(gè)特定的 cfcc是否會(huì)具有低摩擦磨損性能；如果會(huì)的話，碳膜在其屮發(fā)揮了什么作用？表1石墨材料上各種材料的摩擦系數(shù)refmatenalstestco

9、olnccsavengemaxunump)copper on natunl xbdipscurecfrocmnf bowdn-lebta007graphite dales岬pvitmpicopper on fibrous ceylon gnphiterecftocmmg bowden>l4btn ippnrw017copper on compacted unnl fhle graphiterecrocausf bawdw-leben ippnnn013blself-mated hriih'<g3plutic carboniambi mt flmgflii 50*e rebt

10、nt tanudm005-010him-50 tod steel on carbon tnphterecrocminf bau-ca-flm. 45 ± 10soil0.17028nuterul$(ll gades)rebtne busudsn141m-50 tool steel oo carbon gnphterecfrocanof bau-ca-fim 45 士 10%007010obwmateruhfll padest m 150c synthetic oikmobd 115w.5o) silicon mtnde nbd 100 on carton griphite auter

11、ubd! grtdet)rebtn tenudxn*recrocitxaf ziua flm 45110% rebtnv tesmdxn00701s029hisilicon mtnde t)pe nbd 100 oarecrocitutf zuabflm. 45 ± ios006010013carbon paphxte autetuls (11 p>de$). in 150 c ontheac oil (mobil 115w-5o)rebtne tesmdsn(5|stiunlm jteei type «u0c on gnphitemkto-frxtkq ippmtm

12、 stroke*015-01$fouvy-ttroke b>ugflm dmce 68±3*« rebtrve huuity【51stamlesi steel440c on mphxtemkto-fixtmastroke-008-0.17powder-covered ahxmmumh*-stxoie. ballgflm drxe w ± !* rebove teao血y2材料將amoco p-75石墨纖維（75%石墨化）約占12.5% （體積分?jǐn)?shù)）的cfcc混入多晶，細(xì) 顆粒熱等靜壓氮化硅基體小，以期產(chǎn)牛出一種白潤(rùn)滑材料。這種材料的典型顯微組織如圖1所示。

13、基于以前的研究結(jié)果，cfcc纖維類型和組成的選擇不僅取決于摩擦磨損性能，同時(shí)也關(guān)注熱膨 脹系數(shù)和材料加工性能這里描述的一些試驗(yàn)使用石墨粉（1651毫米，0.7毫米級(jí)）或松散的 p-75石墨纖維gs-44樣品，以研究這些潤(rùn)滑材料單獨(dú)存在基體材料屮的影響。從柴汕發(fā)動(dòng)機(jī)氣門導(dǎo)管中心割卞部分做為磨損樣品，作為表面平直的實(shí)驗(yàn)平面。如圖2所 示，實(shí)驗(yàn)方向與磨面方向垂直。為了滿足樣品表面粗糙度的要求,需要測(cè)量實(shí)際氣門導(dǎo)管孔的表 面粗糙度。在橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的機(jī)加工和檢測(cè)研究小心設(shè)置表面磨削參數(shù)，對(duì)樣品進(jìn)行磨削, 使平面實(shí)驗(yàn)的衣面粗糙度接近實(shí)際導(dǎo)管孔（表2）。cfcc樣品的衣而磨痕如圖3所示。圖1 cfcc材

14、料的光學(xué)顯微照片基體的半透明令我們看見一些近表面的纖維。亮區(qū)是傾斜照明圖像中凹坑的邊緣。normal forceflat area grindingsectionslidingdirectionstroke length圖2本研究中所用球-平面實(shí)驗(yàn)的幾何示意圖圖3未磨損cfcc中纖維出現(xiàn)在表面區(qū)域的磨痕和顆粒視場(chǎng)表2材料440c stainless steel (a)cast iron (gray)gsm4 (b) (matrix matcnal)cfcc (b)(gs«44/ 12.5% cp)density (g/cnp)7.687.33.2coefficient of then

15、ual expansion 仃0 "/c)10.110.5 (d)3.4elastic modulus (gpa)200117(a)310poisson's ratio0280.17(c)0.260.26surface finish 5 n load studiesafbma grade 10r、= 0.38 jim& = 0.45 p.n)surface finish, higher-load testsafbma grade 10r. = 0.35 士 0.05 urnr. = 0.35 ± 0.05r. = 0.35 士 0.05 |im(a) pro

16、perties from the asme handbookmetal properties. mcgraw-hill (1954).(b) properties data obtained from .*kllicd$igiul ceramic components. torrance. ca (1997).(c) properties data reported ui ornl repon tm/8959. oak ridge xatioiul laboratoiy (1983).(d) data from m.c. long. caterpillar technical center.

17、peona. il3實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃瓦^程木研究使用了兩種往復(fù)平球試驗(yàn)機(jī)，使其在各種條件下運(yùn)行。氣門導(dǎo)管孔實(shí)際的側(cè)向載荷 沒有對(duì)靠的資料可查。因此，選擇載荷來產(chǎn)生可測(cè)量屛損量的試樣，并產(chǎn)生類似于發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試時(shí) 觀察到的陶瓷閥氣門導(dǎo)管樣品磨損特性。早期的工作由美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一個(gè)低載荷 (5n)往復(fù)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。這臺(tái)機(jī)器在一個(gè)固定的球下來回移動(dòng)平面樣殆臺(tái)。設(shè)計(jì)這個(gè)5n載荷的 實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)在室溫卜，關(guān)于gs-44和cfcc中石墨和石墨在水中的摩擦的彫響。另外，松散的 p-75石墨纖維分散在gs-44表而，用以和商業(yè)石墨粉末進(jìn)行比較。隨示的實(shí)驗(yàn)在一種商用機(jī)器上進(jìn)行，它能固定平面樣品，讓球來回移動(dòng)。這項(xiàng)實(shí)

18、驗(yàn)研究了 更高的法向載荷，更高的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率和溫度的彫響。在前期和后期工作當(dāng)中，滑塊均使用 9.525mm直徑的aisi型440c不銹鋼球。aisi 400c的標(biāo)準(zhǔn)成分,以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì),碳含量為 0.95-1.2%,猛含量為1%,硅含量為1%,磷含量為0.04%,硫含量為0.003%,鋸含量為16-18%, 鉗含量為0.75%,余量為鐵。而440c不銹鋼通常并不用作氣門材料，在某種意義上說，它類似 于鍍cr氣門桿，因?yàn)樗鼈冇蓄愃频拇T度并且被銘氧化物保護(hù)膜覆蓋。表3列出了實(shí)驗(yàn)條件。摩擦數(shù)據(jù)由安裝在低載荷試驗(yàn)機(jī)上的球保持架和在較高的負(fù)載機(jī)器的 扁平試樣臺(tái)上的力傳感器獲得°通過球狀樣品磨痕

19、直徑計(jì)算出每單位載荷的體積損失率和距離減 小值，進(jìn)血計(jì)算出球狀樣品的磨損率。通過屛損溝槽接觸輪廓計(jì)算得出，除鑄鐵以外的其他樣品 的磨損率表現(xiàn)出相似的單位(talysurf 1(), rank taylor-hobson, leicester, uk;2mm尖端半徑)。鑄 鐵樣品具有更深的磨痕，并用具有更大深度范圍的激光表面測(cè)繪儀器進(jìn)行測(cè)量(rodenstock, rm 600, munich, germany)。表3本實(shí)驗(yàn)和前期研究中使用的實(shí)驗(yàn)條件概述preliminary、tudyciutcnt studymachinereciprocating, ball-ou-flat. built a

20、t ornlreciprocating, bali-on-flat. plmr model te-77 machinesurrounding enviroiunentair. %rh - 70-74air. %rh -40-60ball material and diameter440c stainless steel. 9.525 nini440c stainless steel. 9.525 nininormal force (n)5.025 to 200stroke length (nun)10 nuns nunoscillation &equcncy (hz)0.55. 10.

21、 20sliding distance (km)0.00030.026 to 18.0lubricationnone loose graphite powder, loose p-75 caxbon fibers graphite powder in water sae 30 dievel oilnone looy gnphitc powekr.sae 30 diesel oiltcinpcnntrcs(°c)room tempemture (73)room teinpemtiuc ( 23). 150. 175measurementsaverage kinetic friction

22、 coefficient: wear rate of the ballavenge kinetic fiiction coefficient: wear rates of both the ball and flat4結(jié)果4. 1摩擦結(jié)果載荷為5n,在各種介質(zhì)存在的環(huán)境中進(jìn)行440c在gs-44基體上滑動(dòng)的短期實(shí)驗(yàn)，滑動(dòng)摩擦系 數(shù)（m）如圖4所示。每點(diǎn)代表三次實(shí)驗(yàn)的平均值。30秒后，干燥的石墨粉末和干燥的碳纖維得 到了類似的結(jié)果。使用添加到蒸憎水屮的碳纖維，摩擦系數(shù)增加一倍，gs44在無潤(rùn)滑條件下進(jìn) 行實(shí)驗(yàn)時(shí)，摩擦系數(shù)再次加倍ocfcc的扁平樣品在干燥和加潤(rùn)滑油或其他相似條件卜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)， 最終

23、摩擦系數(shù)分別達(dá)到0.60±0.02和0.11土0.01。因此，cfcc在干燥條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)比無潤(rùn)滑 gs-44的摩擦略高，說明加入碳纖維沒啟明顯的益處。汕潤(rùn)滑條件下的cfcc具有與用干燥0.7mm 石墨粉末潤(rùn)滑的gs-44相似的摩擦系數(shù)。440c ball, 5.0 n. 0.5 hz, 10 mm stroke圖4載荷為5n時(shí)的前期摩擦數(shù)據(jù)（p為摩擦系數(shù)）表4給出了在更惡劣條件下得到的穩(wěn)定摩擦數(shù)據(jù)。結(jié)果如表5所示。除油潤(rùn)滑條件下的cfcc 實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)只有一個(gè)滑動(dòng)距離，表屮的每個(gè)值是三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值。在人多數(shù)情況下, 摩擦系數(shù)在磨合期z后穩(wěn)定。但是，對(duì)于gs-44 （id=

24、8）,在實(shí)驗(yàn)過程中摩擦力冇小幅上漲。表4本研究中所使用的實(shí)驗(yàn)條件（所有實(shí)驗(yàn)的滑動(dòng)材料使用440c）id xwubevflat *p<ctm«n aiawrialnmnlxr of few*t<mp<rtntr« glubmaheacosliang diuanc* (hn>13roomoilcm uonoooc3foocndomoil343 jroomnoneoilcaw uonloomnoocjjroomooml63nooc1wtrots3isonone02vs3150dodc1j!50immxia aj02?*19catf uonoil113oil

25、11ctcc1itsoilbcfccieml14ctcc11”oilafcr cam-uxm spccmiai%. the amount of near was 9 hxs< dui (he juratioa of tbc km iln (he uajmf anunct weve reduced ¥fot tbc cfcc loago t«%l* nuuiing to try io qtuntify tw aiikuibi of 駅s of 4m fkt %|wcan<b表5 plint te-7實(shí)驗(yàn)的摩擦磨損數(shù)據(jù)idfli(、呻iiueuflat vpcuir

26、tn ucm rauball 4x4u1mu wcai ratedurnbcfcocflktent(x10-a j/cnui”1cast iron0 62 ±002isono< dctectibk*gs-m0 5s±001oot dctccubk*123cfcc0 63±001ooc dctecume. 24cast iron0 <s 土 0034<0not dctccubk*soz0w±0030«9.16cfcc0u ±0011.3cmt ifg0&±0024woo< d«

27、1;ct>bl<a8g$>440 4* to0«f2 detccume.5.7cfcc0 5 ± 0 03imx <ktecubk¥610cast iron0 23 ± 0 01!5?doc dctccublc*11os-440.125 ±0005doc dcrccubkb0.612cfcc0.120 ±0.05do( dct«ubk1.1ucfcc0 120± 00051214cfcc0.100 ±0005oocdetccuue¥1.1*oval shape of tb

28、e wear $car invalicbfed the wear volume “kubtioa method11 wear amount no< meismable with standard prohlomctnc method'the firutioa coefficient decrtavcd front 0 4* to 0 52 with the didin* diitmkc4for the ctcc aaothcx test was done with a pohshed specuucu tbc *.vc» rate of tbc fla： spc;suc

29、& -aas xucaswablc. 0.44 x 10" 6 uiux5/(n xn). md waslc%* than that obcauicd 4t room teuipcrjhuc tbc ball wc« rate wa% 4 * x io"# oun'/(n m). a little dua m loom tempcfitutc如圖5所示，cfccfi合材料的摩擦系數(shù)比為gs-44略高。對(duì)于這兩種材料，在室溫下，摩擦 力隨著負(fù)載和速度的增加而增加。對(duì)于鑄恢，我們發(fā)現(xiàn)負(fù)載或速度對(duì)其沒有影響。在t燥條件, 載荷為100n吋，cfcc和gs

30、-44的摩擦系數(shù)都相對(duì)較高(p=0.88和0.83)。在這兩種條件下，較髙 的溫度使英摩擦系數(shù)降低至0.5。然而，在室溫下施加25n和100n的法向力時(shí)，cfcc具冇較gs-44 高的摩擦力，這與我們?cè)?n載荷的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的特征相同。當(dāng)實(shí)驗(yàn)在含油條件下進(jìn)行吋，摩擦系數(shù)(p)降低到典型邊界潤(rùn)滑的值(片0)。對(duì)于cfcc, 即使滑動(dòng)距離高達(dá)18公里，摩擦力也沒冇隨著滑動(dòng)距離的變化產(chǎn)生很大變化。-u oo uotse1.00.80.60.40.20.0 zqs25n . 5hz. dry. room t 100n. 10hx, dry. room t 100n. 10hz. dry.t “oc 2o

31、on. 2ohz, oil.t179cc9 0cast-ir on gs-44 cfcc圖5各種實(shí)驗(yàn)條件下鑄鐵、gs-44和cfcc材料平均穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)的比較4. 2磨損結(jié)果440c球在低載荷條件f與cfcc摩擦，440c球在無潤(rùn)滑和油潤(rùn)滑條件卜滑動(dòng)的幣損率分別為i9.2x10'6?09.3xl0-6mm3/ (nm)o高載荷條件下磨損率見表5。除了 12, 13和14號(hào)實(shí)驗(yàn),每個(gè)值 都代表三次實(shí)驗(yàn)的平均值。如圖6所示，鑄鐵磨損率始終超過陶瓷。事實(shí)上，鑄鐵在滑動(dòng)吋會(huì)產(chǎn)牛很深的溝槽，因此必 須減少每次實(shí)驗(yàn)所滑動(dòng)的距離。在100n載荷下，汕減少了鑄鐵50%的磨損率，使其與在t燥條件 下承載

32、25n載荷時(shí)的磨損率相似。如圖7所示，原加工紋理被具有“嚴(yán)重金屬磨損”特征的大量 塑性變形所磨掉。50015.0cast-irongs44cfccagainst cast-iron against gs-44 against cfcc003000o o2enr5ee 9.o0llell00 oo2o oo o3 s(upn?5ew 9aol)圖6各種實(shí)驗(yàn)條件下球和平面樣品磨損率的比較圖7鑄鐵磨痕的邊緣細(xì)節(jié)視圖磨損區(qū)域的延展特征表明金屬磨損嚴(yán)重。原始表面粗糙度在磨痕區(qū)域外右下方可見。gs-44和cfcc磨損太少，以至于在大多數(shù)情況下，它們的磨損量是無法測(cè)量的。但是，在 室溫條件下,當(dāng)法向力為10

33、0n時(shí),cfcc的磨損率是gs-44的兩倍(分別為1.3x106和0.6x10飾n?/ (n-m) ) o即使總滑動(dòng)距離在達(dá)到18公里，油也冇效地防止了cfcc的顯著幣損。磨損后cfcc 接觸面的能雖:散射x射線分析(edxa)表明s和6的存在可能來口柴油的中的添加劑。mg可能 是來占氮化硅小燒結(jié)助劑，無潤(rùn)滑磨損面的分析也證實(shí)了這一點(diǎn)。兩個(gè)陶瓷表面粗糙度測(cè)雖結(jié)果實(shí)驗(yàn)z前和z后獲得的。對(duì)于100n載荷干燥條件下的實(shí)驗(yàn)， 因?yàn)橥裹c(diǎn)被磨削截?cái)?，而低點(diǎn)被磨屑填滿，gs-44表面在實(shí)驗(yàn)后變得更加光滑(ra=0.05pm)o對(duì) 于cfcc,有相反的現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)后，cfcc表面更加粗糙(ra=0&am

34、p;pm)。這可能是因?yàn)?斷裂的碳纖維被拉出而留下了較深的坑，因此造成了更高的粗糙度。所有實(shí)驗(yàn)條件下的cfcc樣品的掃描電子顯微鏡(sem)觀察(如圖張c)和俄歇電子能譜(aes)均未發(fā)現(xiàn)任何因滑動(dòng)產(chǎn)牛的碳膜的痕跡。由于柴汕屮的絕緣膜，沒有從cfcc的熱汕實(shí)驗(yàn)中得到預(yù)濺射結(jié)果。由于油殘余物的關(guān)系，碳膜的厚度為約140nmo在此前的關(guān)于在潤(rùn)滑條件 下，ti(cn)相對(duì)1045鋼滑動(dòng)的報(bào)告中得到了類似結(jié)果叫 在那種情況下,檢測(cè)到了90nm的碳薄膜屮，報(bào)告了與我們所測(cè)相似的摩擦系數(shù)(m=0.12到0.16,取決于速度和法向力)。圖8在三個(gè)條件下實(shí)驗(yàn)的cfcc材料的磨損區(qū)(a) 在室溫?zé)o潤(rùn)滑條件下，局

35、部材料被磨掉實(shí)驗(yàn)編號(hào)：3；(b) 加熱無潤(rùn)滑條件下試驗(yàn)編號(hào)：6；(c) 熱油條件實(shí)驗(yàn)編號(hào)：14我們從cfcc和gs-44在干燥條件卜產(chǎn)牛的軌道上觀察到了球上的金屈轉(zhuǎn)移(fe和cr)。根據(jù) edxa,在潤(rùn)滑條件下，這種轉(zhuǎn)移大大減少。在干熱條件卜觀察到的非均勻?qū)?圖9b和圖l()b)。 基于鬲含量的fe和o,我們認(rèn)為這層包括由鐵的氧化物(f®o3或feqj和硅酸鹽組成的機(jī)械混 合物。此斑片狀層似乎并沒有覆蓋表面露出的石墨纖維。在圖9b的屮心，我們可以觀察到一個(gè)碎 片陷入了孔洞中，這個(gè)碎片主要包含o, fe和cr的金屬氧化物，但沒有硅酸鹽。440c球相對(duì)鑄鐵滑動(dòng)的磨損率幾乎可以忽略，其已被

36、由鑄鐵形成的個(gè)橢圓形所保護(hù)（在滑動(dòng)方向上的尺寸短）。與此相反，相對(duì)陶瓷材料滑動(dòng)的球的磨痕總是圓形和扁平。圖9高溫、無潤(rùn)滑條件下的球（a,光學(xué)）和扁平cfcc樣品（b, sem）的磨損表面形貌圖10高溫、無潤(rùn)滑條件下的球（a,光學(xué)）和扁平gs-44樣品（b, sem）的磨損表面形貌440c球在所有條件下的磨損均比陶瓷扁平樣品更迅速，除了最低載荷，球相對(duì)與cfcc滑動(dòng) 磨損率比和對(duì)于gs-44滑動(dòng)時(shí)略高。這種特征的原因不完全清籠；但是，可能是因?yàn)槭w維移 除時(shí)留下的凹坑邊緣對(duì)球有研磨切削作用，從而稍微超出了gs-44平滑表面的燃損率。在干熱條件下，磨損槽在球上沿滑動(dòng)方向形成（圖9a和圖10a）,

37、但其中一些似乎被從扁平 試樣轉(zhuǎn)移非均勻膜包覆。edxa顯示，這層薄膜包含o, fe, cr和si,可能是fe和cr的氧化物， 以及sio2。在室溫、干燥的實(shí)驗(yàn)條件下觀察到了背轉(zhuǎn)移物質(zhì)，不是以片狀薄膜的形式，而是以嵌入溝槽的顆粒的形式出現(xiàn)。在熱油實(shí)驗(yàn)中沒有觀察到向球轉(zhuǎn)移，但是它們的磨損率較cfcc和gs-44在t燥，25n載荷低。4.3 gs-44上的石墨薄膜的摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果正如前文所指出的，其他的實(shí)驗(yàn)確定了如果在gs44上形成了一層石墨潤(rùn)滑層，將會(huì)得到多 低的摩擦系數(shù)。因此，在一系列實(shí)驗(yàn)中有意地引入粉末狀石墨，見表6。特別地，較厚的薄膜， l-2mm厚（實(shí)驗(yàn)1720）的薄膜的摩擦系數(shù)同它們的比較

38、見表1。表6在室溫、石墨粉末潤(rùn)滑條件下440c相對(duì)gs-44滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果id numberlubricationnormal force (n)oscillation fiequcncy (hz)sliding distance (mfkinetic friction coefficient bcluvior15none255110meady-state “ 0.55 土 0.0116thin laycrb255480.28 ± 0.04 dunng the first 90$ then 0.52 土 0.0217thick layerb25526steady sute “ = 0.

39、22 土 0.0218none100101000stedy state “ = 0.83 土 0.0319thin layer100101920.62 土 0.08 diinng the first 6 min then 0.8 土 0.0220thick layer1001045stedy state “ = 0.19 土 0.02atlie friction behavior during these different tests induced to change tlie sliding & stance from one test to the otherbtlie 

40、9;thin' layer is estimated to be several microns thick and thick* hyer is estimated to be a few mm thick.橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)窣的實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的低載荷（5n）實(shí)驗(yàn)結(jié)果和plintte-77實(shí)驗(yàn)機(jī)下進(jìn)行的更 高載荷的摩擦結(jié)果一致。無論在低載荷還是高載荷下，摩擦力均隨為石墨層厚度的增加而降低。 低摩擦系數(shù)，0.2只存在在實(shí)驗(yàn)過程中的最初幾分鐘里（如17和20號(hào)實(shí)驗(yàn)的5分鐘里）。低摩擦 系數(shù)與樣站上傳輸層的形成有關(guān)。事實(shí)上，圖11a和圖lib所示的sem和edxa結(jié)果證明了球上形 成了一層保護(hù)膜

41、。該薄膜含冇大量的c以及含量很低的0和si。參照樣品上的斑片狀脆性薄膜包 含鐵氧化物，硅酸鹽和石墨的混合物。gangopadhyay等報(bào)告了類似的膜結(jié)構(gòu)和組成。其他作者 發(fā)現(xiàn)貝有更低的摩擦系數(shù)（尸0.05）的自潤(rùn)滑陶瓷，但得到的這些值只適用于短時(shí)間的實(shí)驗(yàn)和 水潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)。在一定條件范圍內(nèi)的平均摩擦系數(shù)的趨勢(shì)如圖12所示。(a)7s80(b)1280076802660oo000000007.008.00kev圖11能量色散x射線能譜(a) 在室溫條件下，在覆蓋有石墨粉末的gs-44 ±摩擦的球樣品;(b) 在室溫條件下實(shí)驗(yàn)的gs-44表面的石墨薄膜gs-44gs-44 + graphit

42、e cfcc8 6 4 2 o o o o luoo匸00。uowj圖12在一定范圍的實(shí)驗(yàn)條件下實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的平均摩擦系數(shù)的趨勢(shì)5討論由于比鑄鐵硬得多，在所冇條件下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，gs-44和cfcc相對(duì)440c滑動(dòng)時(shí)的耐像性 均比鑄鐵好很多。440c磨進(jìn)鑄恢內(nèi)，但其木身沒有造成什么磨損。通過edxa,我們發(fā)現(xiàn)鑄鐵表 而存在少量氧化物，但塑性變形的力學(xué)效應(yīng)，再加上表而疲勞和微裂紋占整個(gè)磨損過程的主導(dǎo)地 位。無論何種實(shí)驗(yàn)條件，不銹鋼均比gs-44或cfcc的磨損更加迅速。使用柴油可以減少這四種 實(shí)驗(yàn)材料的摩擦磨損，盡管滑動(dòng)距離達(dá)到18km,也能保持很好的作用。在用石墨粉末潤(rùn)滑gs-44的實(shí)驗(yàn)中，由于在

43、扁平狀樣詁表而形成了-層片狀的承載薄膜，摩 擦力降低到了一個(gè)較低的值。掃描電鏡顯微照片的圖像分析表明，陶瓷表面約60%被薄膜覆蓋。 同樣，山于形成含有人量碳的薄膜，440c配合端而的磨損降低。試圖利用此效果中所遇到的問 題是要能夠保持i古i體潤(rùn)滑劑的穩(wěn)定供應(yīng)。為了觀察薄膜的形成，我們需要在摩擦系數(shù)開始增加吋 盡快停止實(shí)驗(yàn)。如果在發(fā)生這個(gè)變化時(shí)繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將難以發(fā)現(xiàn)薄膜形成的證據(jù)。單獨(dú)改變棊 體材料無法改善cfcc材料的摩擦性能。石墨顆粒的加入意在捉供一層界而膜以協(xié)助承載和潤(rùn)滑 表而，從而減少磨損。但是，在本研究的條件下，似乎沒有足量的可剪切的石墨來執(zhí)行此功能。 相反，在微觀結(jié)構(gòu)中，我們觀察到

44、填冇石墨的空洞邊緣的研磨作用。比起直接簡(jiǎn)單地涂抹在表面 上，我們建議以石墨增強(qiáng)材料斷裂代替，加入第三體來加強(qiáng)機(jī)械混合界而層，通過增加法向力來 提高摩擦系數(shù)。在t熱測(cè)試的條件下，滑塊表而光滑，存在低剪切強(qiáng)度的傳遞層的滑動(dòng)而的保護(hù) 地的cfcc和gs-44的摩擦系數(shù)降低。skopp等i報(bào)告了類似的觀察結(jié)果。在這項(xiàng)研究中，由于形 成了允許部分塑性變形的保護(hù)膜，整體式氮化硅在400°c吋的磨損比室溫吋低。在干熱滑動(dòng)條件下，在cfcc上形成的薄膜的鐵（和俗）的氧化物較在室溫條件下山石眾潤(rùn) 滑所觀察到的機(jī)械混合薄膜屮的氧化物和碳多。相較于室溫，在150°c條件下摩擦化學(xué)活性提高， 低剪

45、切強(qiáng)度的碎屑層的形成增強(qiáng)。然而，在原位形成的薄膜的面積百分率較由石墨粉末潤(rùn)滑的 gs-44的60%低，其結(jié)果為它的摩擦系數(shù)沒有g(shù)s-44低。正如在介紹中所提到的，石墨以各種天然的和合成的形式表現(xiàn)出的一系列的摩擦特性。出版 物曾報(bào)告過門叫在我們?cè)缙诘难芯垮灿^察到過這些特性?；诠に嚨目紤]和一系列早期專門 的研究，選擇amoco p-75石墨纖維加入主體復(fù)合材料中。在這里所研究的復(fù)合材料，與其沿表 面涂覆，不如將其破碎成粉末以進(jìn)行潤(rùn)滑。此外，即使石墨纖維作為固體潤(rùn)滑劑能夠表現(xiàn)良好, 但氮化硅基體完全可能因磨掉得不夠快而無法為滑動(dòng)面提供石墨。但是，如果基體材料磨損得足 夠快，能夠?yàn)榛瑒?dòng)面提供石墨，

46、那么發(fā)動(dòng)機(jī)中氣門桿和氣門導(dǎo)管的間隙將會(huì)增氏得過大，基于漏 油的考慮，這是無法接受的。考慮到上述因素，目前的研究結(jié)果表明用多晶氮化硅替換柴汕機(jī)氣門導(dǎo)管的cfcc材料沒有 令人信服的摩擦學(xué)好處。6結(jié)論準(zhǔn)備三種材料的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣門導(dǎo)管的側(cè)面磨削平面，將440c鋼球置于其上進(jìn)行往復(fù)式球- 平而實(shí)驗(yàn)。這三種材料分別為鑄鐵、氮化硅和氮化硅/12.5% （體積分?jǐn)?shù)）石墨復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)在 一定范圍的溫度、法向載荷、速度和潤(rùn)滑條件下進(jìn)行。同吋在氮化硅材料上使用商業(yè)石眾潤(rùn)滑劑 來進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)，以確定在自潤(rùn)滑復(fù)介材料中的石墨相能夠覆蓋并冇效地潤(rùn)滑接觸面的最冇利情 況下，能夠觀察到哪種摩擦特性。1結(jié)合表而化學(xué)分析和摩

47、擦磨損數(shù)據(jù)可以得岀，目詢的復(fù)合材料具有比鑄鐵更好的耐磨性, 但其并未提供比單獨(dú)氮化硅基體更優(yōu)秀的潤(rùn)滑性。2. 沒有通過光學(xué)檢查，掃描電子顯微鏡，或表而化學(xué)分析得出因滑動(dòng)引起的有益石黑薄膜形 成的相關(guān)證據(jù)。這項(xiàng)結(jié)果對(duì)于潤(rùn)滑和非潤(rùn)滑條件下的實(shí)驗(yàn)均可靠。3. 將表面含冇石墨粉末的氮化硅材料和440c鋼接觸，使其產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，石 墨潤(rùn)滑劑表現(xiàn)出典型的低摩擦特性，但效果沒有持續(xù)多久，當(dāng)這種瞬吋薄膜消失時(shí),摩擦系數(shù)便 開始增高。4. 盡管設(shè)備在設(shè)計(jì)上存在差異，兩個(gè)不同往復(fù)試驗(yàn)機(jī)結(jié)果均顯示氮化硅和陶瓷復(fù)介材料具冇 相同的摩擦趨勢(shì)。5. 在我們的實(shí)驗(yàn)條件下,復(fù)合材料中所使用的石黑纖維種類并沒有捉

48、供所需要的潤(rùn)滑效果, 但這些結(jié)果并不排除開發(fā)其他貝有口潤(rùn)滑特性的陶瓷復(fù)合材料的可能性。在這類材料的發(fā)展中， 選擇合適的潤(rùn)滑相含量、形態(tài)和性能，使其能夠提供減緩基體磨損的特性是非常重要的。聚合物 復(fù)合材料在商業(yè)應(yīng)用上的成功衣明，有效的白潤(rùn)滑材料是可以被制造出來的，但陶瓷這種比摻入 潤(rùn)滑材料更難的特性使這種材料更難以設(shè)計(jì)。這項(xiàng)研究得到了山美國(guó)能源部工業(yè)技術(shù)辦公索，連續(xù)陶瓷纖維復(fù)合材料項(xiàng)目的部分支持，根 據(jù)與洛克希徳馬丁公司能源研究部的de-ac05-96or22464合同進(jìn)行。作者想表達(dá)h己對(duì)橡樹嶺 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的rick lowden的感謝，感謝他在這項(xiàng)研究進(jìn)行過程中的指導(dǎo)和意見。1 h.c. yeh, m.h. haselkorn, application for a carbon fiber reinforced silicon nitride diesel engine valve guide, phase i final report, report no. doe/ce