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无润滑条件下氮化硅全陶瓷轴承材料的摩擦磨损性能研究

氮化硅,载荷,转速,摩擦系数,摩擦热

无润滑条件下氮化硅全陶瓷轴承材料的摩擦磨损性能研究

王志爽^{1 *}，李颂华^1,2，孙 健¹，隋阳宏¹

（1. 沈阳建筑大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110168；

2. 沈阳建筑大学 高档石材数控加工装备与技术国家地方联合工程实验室，辽宁 沈阳 110168）



摘要：轴承是工业领域的关键基础件，素有“装备的关节”之称，而陶瓷轴承由于其高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀、自润滑等优点，更加广泛应用于各种极端工况。近年来，随着陶瓷材料成为最有广泛前景的材料之一，越来越多的学者对此展开研究：通过在陶瓷基体中添加不同成分或改变不同配比的方式对其物理力学性能和耐磨性进行研究、对陶瓷在不同润滑条件下的磨损机理进行研究等，但关于外部因素对陶瓷磨损规律的研究还不是很完善，因此本文探究了载荷和转速对陶瓷磨损规律的影响，并从摩擦热的角度进行了解释。

基于氮化硅全陶瓷轴承的自润滑性，笔者通过球-盘旋转模拟氮化硅全陶瓷轴承在无润滑条件下陶瓷球和陶瓷内外圈沟道的摩擦磨损，进行载荷和转速的单因素试验：①转速为600r/min，载荷为15N、30N、45N、60N、75N ②载荷为30N，转速为200 r/min、400 r/min、600 r/min、800 r/min、1000 r/min。试验时间均为30min，试验过程中使用FLIR热像仪记录温升变化。试验后通过超景深电子显微镜测量陶瓷球磨损球缺的直径和陶瓷盘磨损的体积，进而计算磨损率；用扫描电子显微镜（SEM）对陶瓷球进行表面形貌分析，并确定不同因素下的磨损机理；用X射线衍射仪（XRD）对磨屑进行化学成分分析，确定化学磨损的影响。结果表明，在载荷单因素下，平均摩擦系数随载荷增加由0.84降低到0.61，接触点温度由103℃上升到213℃；在转速单因素下，平均摩擦系数随转速增加先急剧升高然后略有降低，在600 r/min时达到峰值0.79，接触点温度随转速增加而增加，由50℃升高至161℃。随着载荷增加，实际微接触点的面积和数量增加，同时随着磨损进行，宏观接触面积也会增大，另外摩擦热也因此急剧升高，使接触表面塑性增加，最终导致摩擦系数减小。滑动速度对摩擦力的影响主要取决于摩擦热状况，随着摩擦热的升高，摩擦系数增加，但当摩擦热使材料软化时，摩擦系数降低。在200 r/min时接触点温度为50℃，不足以使接触表面发生塑性变形，所以摩擦系数先急剧增加，当600 r/min时接触点温度达到145℃，对接触表面塑性变形有一定影响，所以之后摩擦系数略微减小。

本次研究揭示了干摩擦条件下载荷和转速对摩擦系数和摩擦热的影响规律以及摩擦热与摩擦系数之间的影响规律，为后续继续研究和完善外部因素对陶瓷磨损规律的影响提供了参考和帮助。

关键词：氮化硅；载荷；转速；摩擦系数；摩擦热