ZrO2-Al2O3-石墨自润滑复合陶瓷的制备及组织性能研究

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ZrO2(Y2O3)-Al2O3复合陶瓷具有优异的机械性能和稳定的化学性能,但较差的摩擦学性能限制了其在摩擦领域中的应用。本文拟通过机械研磨(石墨球)法将均匀分散的细小石墨片引入ZrO2(Y2O3)-Al2O3复合陶瓷中,制成ZrO2(Y2O3)-Al2O3-graphite复合陶瓷,改善复合陶瓷摩擦学性能。同时该方法制备的石墨片可望获得较优性能的ZrO2(Y2O3)基自润滑复合陶瓷。本实验利用机械研磨法和直接掺粉球磨(石墨粉)法制备ZrO2(Y2O3)-Al2O3-graphite体系复合粉体,通过微波烧结制备复合陶瓷。测试相对密度、维氏硬度、断裂韧性、抗弯强度、摩擦系数及磨损率;分析物相、组织结构演变,探讨ZrO2(Y2O3)基复合陶瓷的摩擦磨损行为及磨损机制。结果表明:1)微波烧结前进行退火处理有助于避免裂纹和鼓泡的现象产生,退火工艺为烧结温度420oC且保温4h;2)ZrO2(Y2O3)-Al2O3-graphite体系自润滑复合陶瓷经过微波烧结1500°C且保温30min后均生成了新相ZrC,高硬度ZrC陶瓷有助于提高复合陶瓷的抗磨损能力;3)在不添加分散剂或表面活性剂条件下,机械研磨法制备ZrO2(Y2O3)-Al2O3-4wt.%graphite复合陶瓷摩擦学性能比直接掺粉球磨法制备ZrO2(Y2O3)-Al2O3-4wt.%graphite复合陶瓷摩擦学性能更优,其摩擦系数和磨损率分别是0.147和6.2×10-66 mm3/(N m);4)合理的球磨时间改善了机械研磨法制备ZrO2(Y2O3)基自润滑复合陶瓷的相对密度和力学性能,在球磨时间为24h时,综合性能相对较优;5)从耐磨损角度来说,当石墨含量x=3.2wt.%时,ZrO2(Y2O3)-Al2O3-3.2wt.%graphite复合陶瓷的综合性能较优,其相对密度、维氏硬度、断裂韧性、抗弯强度、摩擦系数和磨损率分别为93.14%,967 HV,6.39 MPa·m1/2,413.21 MPa,0.159和3.4×10-66 mm3/N m,该复合陶瓷的磨损率较ZrO2(Y2O3)-Al2O3复合陶瓷的磨损率降低了48.14%;6)ZrO2(Y2O3)-Al2O3复合陶瓷的磨损机制是犁沟和脆性断裂,球磨时间为0h和48h的ZrO2(Y2O3)-Al2O3-4wt.%graphite复合陶瓷的磨损机制由磨料磨损主导,球磨时间为2h的ZrO2(Y2O3)-Al2O3-4wt.%graphite复合陶瓷的磨损机制由微裂纹和磨料磨损主导,当石墨含量x=0.8,1.6,2.4和3.2wt.%,ZrO2(Y2O3)-Al2O3-xgraphite复合陶瓷的磨损表面有磨屑和不同程度的分层现象,在石墨含量为4wt.%时,ZrO2(Y2O3)-Al2O3-4wt.%graphite复合陶瓷的磨损表面存在连续致密的石墨转移膜,实现了自润滑效果。
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