復合型稀土添加劑對剛玉系高溫自潤滑材料組織結構與性能的影響＊

陳 平 殷海榮

（陜西科技大學 西安 710021）

復合型稀土添加劑對剛玉系高溫自潤滑材料組織結構與性能的影響＊

陳 平 殷海榮

（陜西科技大學 西安 710021）

借助于XRD、SEM、AFM等的測試結果，系統的研究了稀土氧化物添加劑對剛玉系高溫自潤滑材料組織結構與性能的影響。結果表明：復合型稀土添加劑可改善和優化其組織結構，起到細化晶粒，促進致密化作用，可有效地提高材料高溫摩擦狀態下的強度、韌性和蠕變能力，促進表層結構的有利轉變，形成納米結構層，出現流體動力潤滑，使摩擦磨損進一步降低，呈現出良好的高溫自潤滑性能。

稀土氧化物 致密化 自潤滑

前言

剛玉材料由于其自潤滑性能優良、工藝成熟和耐高溫而成為高溫自潤滑材料研究和應用的熱點之一［1］，已在許多領域中得到了廣泛的應用。利用添加劑改善剛玉瓷體結構的研究已有不少報道［2］，而關于復合型稀土氧化物添加劑對自潤滑陶瓷結構與性能影響的詳細研究報道較少。筆者通過引入復合型稀土氧化物添加劑、在不同燒成制度下對比研究材料的顯微結構與摩擦性能的關系，以改善和優化材料的顯微結構，提高其力學性能，為研制高性能、高溫自潤滑材料提供參考。

1 實驗

1．1 樣品制備

為了探討稀土氧化物添加劑對剛玉陶瓷顯微結構及性能的影響關系，并考慮材料強度和韌性的要求［3］，實驗以99氧化鋁瓷（組成配方A）為基體，采用在基體中加入適量的稀土氧化物以改善其顯微結構，以便制備出性能優良的剛玉系高溫自潤滑陶瓷。為此，在前期實驗研究的基礎上，在配料中加入Mg F2、Y2O3、Zr O2等氧化物（組成配方B）見表l。將配料經混合、制漿并注漿成形后，分別置于高溫電爐中常壓燒結和熱壓氣氛爐中熱壓燒結。燒成制度為1 600℃（常壓），1 480℃（熱壓），保溫1 h，自然冷卻至室溫。燒結后的樣品按不同性能測試的國家標準要求進行尺寸加工和外形加工，即得到所需樣品。

表1 剛玉系陶瓷的化學組成（質量%）Tab．1 Chemical composition of corundum ceramics（%）

1．2 性能測試

將樣品按國家標準方法分別進行密度、抗彎強度、斷裂韌性、彈性模量、顯微硬度等力學性能測試，其結果如表2所示。

表2 剛玉系陶瓷的力學性能測試Tab．2 Detemined results of corundum ceramics

2 結果分析及討論

2．1 復合型稀土氧化物添加劑對顯微結構的影響

用X射線衍射儀對樣品進行了晶相分析。分析結果表明，在兩種燒成制度下，剛玉系陶瓷主晶相均為剛玉相，但剛玉的結晶程度和發育特點完全不同。A試樣在熱壓條件下剛玉的峰值和結晶程度明顯比常壓下的高（見圖1），且晶體中無其它雜相，單一的剛玉相發育良好。說明熱壓燒結對A試樣作用明顯，A試樣對熱壓環境相較敏感。B試樣在熱壓和常壓條件下，剛玉的峰值和結晶程度表面上沒有明顯的變化（見圖2），熱壓條件下的結晶程度稍好一些，但晶相中的雜相比B試樣要多，其中固熔體相發育良好，說明添加劑對B試樣中剛玉的生長發育影響明顯，有抑制剛玉晶體長大和產生固熔體的雙重作用，B試樣對熱壓環境相不敏感。

圖1 A試樣的XRD譜線Fig．1 XRD pattern of A specimen

圖2 B試樣的XRD譜線Fig．1 XRD pattern of B specimen

A試樣在常壓狀態下顯微結構的特征表現為：主晶相剛玉為板狀和棒狀，粒徑為3～5μm，同時含有8%～10%的氣孔，氣孔較大且分布不均勻，特別是在氣孔中的剛玉有異常長大的現象（見圖3）。而熱壓燒結狀態下的A試樣剛玉形貌表現為棒狀、板狀和層狀（見圖4），粒徑為2～4μm，分布較均勻，含有一定量的氣孔，但氣孔率比常壓狀態小，且孔徑小，分布稍均勻，氣孔中仍存在剛玉異常長大的現象。B試樣在常壓下顯微結構的特征表現為：主晶相剛玉為細晶化的粒狀，顆粒粒徑為3～5 μm，分布較均勻，氣孔率為3%～5%，氣孔孔徑為3～5 μm，分布較均勻，氣孔中并無明顯的剛玉異常長大現象。熱壓燒結下的B試樣剛玉形貌表現為棒狀、板狀和層狀，一維生長特征明顯，粒徑為2～3μm，表面光滑，分布較均勻，同時，高溫下形成的固熔體呈層狀或似層狀填充在氣孔中或覆于剛玉表面，瓷體中也含有小于3%的氣孔，氣孔相的特征是含量少，孔徑小，分布均勻。

由于在A試樣中加入MgF2，高溫下Mg2＋與Al2O3形成Mg Al2O4尖晶石，附著在剛玉微晶表面，阻礙了剛玉的長大，特別是熱壓條件下異常長大的現象得到了較好的抑制，其僅在氣孔中有一定的發育。B試樣除加入Mg F2，還引入了復合型稀土氧化物，優化和改善材料的顯微結構，一方面MgF2形成的尖晶石抑制了剛玉的進一步長大；另一方面在Zr O2與Al2O3兩相的接觸晶界上析出了分解趨勢較小的第三相——固熔體Y0．15Zr0．85O1．93，其分布較均勻，在晶界上起釘扎作用，阻礙晶界遷移并抑止剛玉晶粒異常長大，使晶粒細化，固熔體的形成也使晶格中空穴濃度增加，導致晶體內部擴散的加速，增快了氣孔消失的速度。在熱壓條件下，剛玉的結晶學方向基本上垂直于外部施壓的方向，受外力方向的控制；正是由于微晶生長過程中受外力的作用，使剛玉發育成為一維小尺寸的棒狀、板狀和層狀，該結構對于高溫自潤滑材料來說是較為有利的。因此，復合型Y2O3、Zr O2稀土氧化物引入到Al2O3中可以誘發陶瓷致密化的進行，改善陶瓷力學性能和自潤滑性能。

通過試樣斷面顯微結構分析發現（見圖5、圖6），添加Y2O3、Zr O2等復合添加劑的剛玉陶瓷的斷裂方式大多為沿晶斷裂，而單組分的剛玉瓷的斷裂方式基本為沿晶斷裂和穿晶斷裂，可見復合型稀土氧化物的加入改變了試樣的斷裂方式，增強了剛玉晶體的晶界，相鄰的晶粒的晶格大多相互匹配，連接力增強，導致了晶粒的顯著強化和晶界強度的明顯提高。同時，在外壓的作用下，穩定的Zr O2的存在，致使剛玉晶粒呈片晶狀，且成層排列。形成這種狀況的原因是：①剛玉晶體由于添加了稀土氧化物表現出較低的應變能，隨著燒結的進行，相變在試樣中產生了較大的內應力和熱應力，為了減少相鄰晶粒間的應變能，晶粒經常選擇各向異性的生長形狀，而片晶狀、板晶狀結構被認為是有利于減少應變能；②燒結過程中伴隨著γ－Al2O3→α－Al2O3相變的擴散，在γ－Al2O3小顆粒之間和空洞中存在著Zr O2，在發生相變過程中受到Zr O2的影響，相變的界面移動將避開大的Zr O2顆粒而包裹小的Zr O2顆粒，在不同的方向非一致地生長，從而形成片晶狀的α－Al2O3晶粒，小尺寸片晶狀外形有利于提高材料的高溫自潤滑性能。

圖3 A試樣的SEM斷面照片（常壓）Fig．3 SEM micrographs of A specimen

圖4 A試樣的SEM斷面照片（熱壓）Fig．4 SEM micrographs of A specimen

圖5 B試樣的SEM斷面照片（常壓）Fig．5 SEM micrographs of B specimen

圖6 B試樣的SEM斷面照片（熱壓）Fig．6 SEM micrographs of B specimen

2．2 顯微結構對力學性能和高溫自潤滑性能的影響

根據Griffith微裂紋理論，從能量平衡觀點出發，裂紋擴展的條件是材料內儲存的彈性應變能的減小要大于或等于開裂形成2個新表面所需增加的表面能。與理論結合強度σ相比較可以看出，要制備高強度材料的措施是：E（彈性模量）和γ（表面能）要大，裂紋尺寸要?。?］。在本研究中，材料的主晶相為剛玉，剛玉的E和γ比一般材料大得多，只要控制好微裂紋長度，就能提高材料力學性能。在熱壓燒結過程中引入的復合型Y2O3、Zr O2稀土氧化物，有效的阻止了剛玉晶粒的異常長大，使該材料具有良好的強度尺寸效應；另外，根據陶瓷強度與氣孔率及晶粒尺寸的關系可知，氣孔率大，特別是閉氣孔就會形成裂紋增殖源，增大裂紋擴展速率，使機械性能變差；降低氣孔率，會使晶粒變得細、密、勻，減少裂紋和阻止裂紋擴展，可以得到高強度陶瓷材料，其它如彈性模量和斷裂韌性等性能也具有相同規律。廣泛發育有片晶狀的剛玉晶體，對基體起到了強韌化作用，一方面，當裂紋擴展進入基體時，片晶狀的晶粒通過裂紋橋接、釘扎、偏轉等機制，達到增韌作用；另一方面以Y2O3作穩定劑使部分穩定的Zr O2固熔體的形成，相變機制的發育進一步起到增韌作用。同時分布均勻的粒狀Zr O2彌散相的存在又起到了強化增韌的效果，正是這些不同尺度的多極增韌機制的協同作用，使得該材料具有較高的斷裂韌性。Sr O、BaO、Mn O2的加入能起到使瓷體結構致密，促使特征結晶學方向的形成和廣泛促進固熔體形成的作用，這表明剛玉系陶瓷中引入復合型添加劑可以有效改善和優化其顯微結構，提高力學性能。

影響陶瓷材料摩擦磨損特性的內部因素分為力學性能和顯微結構。目前對摩擦特性的研究大多數是從其力學性能參數進行分析的，建立了多種陶瓷摩擦模型及推導公式，韌性是研究最多的與磨損率有著最顯著關系的內部因素。通過顯微結構和高溫磨損機理分析可知，剛玉陶瓷的高溫自潤滑性能是源于它的高溫塑性變形和低的導熱系數［5～6］。通過AFM測定了剛玉材料表面的摩擦力分布狀況，其摩擦力和摩擦系數分布較均勻（見圖7）。利用自制的測試系統，檢測了室溫～1 200℃的剛玉陶瓷磨損表面的摩擦系數，有3種不同組織結構，其摩擦系數呈現規律的變化（見圖8）。米結構層。其磨損主要受塑性變形和再結晶控制。這種光滑平整的微細結構表面的形成，一方面使單位摩擦面間的有效接觸點顯著增加，摩擦應力的分布更趨均勻；另一方面，材料表面的結構由微米向納米轉變，具有自修復功能，導致材料的強度、韌性和高溫塑性變形能力顯著增強。1 200℃時材料的磨損主要是韌性斷裂和軟化變形，摩擦表面的局部溫度超過了剛玉陶瓷發生高溫蠕變的溫度，摩擦表面處于軟化狀態。摩擦應力迅速被表面軟化層的塑性變形吸收，出現流體動力潤滑，導致摩擦系數的進一步減小，同時復合型稀土氧化物從組織結構和物相組成上提高了剛玉材料的平面應變斷裂韌性常數KIC，KIC≥KI（應力場強度因子），使剛玉材料在高溫條件下仍具有較高的韌性和自潤滑能力。因此，復合型稀土氧化物的引入，改善和優化了陶瓷顯微結構及力學性能，使剛玉既具有片晶狀的層狀結構，又具有相變增韌和彌散增韌的機制，有效的提高了高溫狀態下剛玉晶體的強度、韌性、蠕變能力和高溫自潤滑性能，為研制高性能自潤滑材料提供了一條有效途徑。

3 結論

圖7 B試樣表面的摩擦力分布圖Fig．7 Frictional force distribution graph of B specimen

圖8 B試樣的摩擦系數與溫度的關系Fig．8 Friction coefficient vs temperature of B specimen

在400℃以前，剛玉表現出明顯的剛性特征，材料的磨損主要是由裂紋擴展產生的脆性破壞。這些裂紋成核和擴展存在熱力學位壘，而能量的積聚需要時間。然而在摩擦過程中每個剛玉單體動態加載的應力作用時間很短，使裂紋成核和擴展沒有充分時間去完成，達不到斷裂所需能量，同時剛玉晶體的片晶狀，僅導致極個別單體斷裂破碎而形成磨屑，由于晶界密度高，磨屑經反復摩擦后形成細小顆粒物理粘附于表面，極易隨表面下裂紋的有限擴展而剝離。所以摩擦系數隨溫度升高而略有增大，材料結構仍為微米結構。在400℃以后，摩擦系數隨溫度升高而逐步降低；1 000℃時材料表現為塑性變形，摩擦磨損顯著降低，摩擦系數變小。此時摩擦熱使表面溫度迅速上升，達到塑性狀態，在表層的片狀剛玉結構中形成高濃度位錯網絡，造成了剛玉晶體層間的滑動和位移，在摩擦應力作用下發生動態再結晶，進而在表面形成納

1）剛玉材料中引入復合型稀土氧化物，可改善和優化其組織結構，起到細化晶粒、促進致密化的作用。

2）剛玉材料的顯微結構對其強度和斷裂韌性等力學性能影響較大，復合型稀土氧化物可有效提高材料高溫摩擦狀態下的強度、韌性和蠕變能力。

3）剛玉材料的高溫摩擦磨損機理顯著依賴于材料結構，磨損機理逐漸由脆性斷裂過渡到塑性變形和再結晶。Y2O3可促進表層結構的有利轉變，形成納米結構層，出現流體動力潤滑、使摩擦磨損進一步降低，呈現出良好的高溫自潤滑性能。

1 Meng Junhu，Lu Jinjun，et al．Transferring behavior and tribological properties of solid lubricants at the interfaces of Ni－Cr alloy／Si3N4Tribo－couples．Rare Metal Materials and Engineering，2004，33（7）：714～717

2 Zhao Yuncai，Xiao Hanning，et al．Friction and wear behavior of aluminous silicate glass－ceramics．Tribology，2004，24（1）：11～15

3 Yao Weihua，Tang Zilong，et al．Preparation of nanosized yttria stabilized zirconia powders by phase－transfer－separation process．Rare Metal Materials and Engineering，2003，32（8）：666～669

4 Li Yueying，Liu Yongbing，et al．Friction and wear behavior of Al2O3·SiO2particle Al matrix composites．Materials Science and Technology，2003，11（2）：140～143

5 Li Dunfang，Sun Jialin．Tribological behavior of zirconia toughed alumina sliding in acid and alkali solutions．Materials Protection，2003，36（3）：12～14

6 Li Xiuyan，Tang Bin，et al．Ion－nitrided Ti6Al4V without hydrogen and its wearing performance．Rare Metal Materials and Engineering，2003，32（7）：506～509

Effect of Rear－Earth Oxide Composite Additives on the Microstructure and Properties of Al2O3－Based Self－Lubricating Materials

Chen Ping，Yin Hairong（Shaanxi University of Science ＆Technology，Xi＇an，710021）

The effects of rare－earth oxide additives on the microstructure and properties of Al2O3－based self－lubricating materials were systematically studied by means of XRD，SEM and AFM．The experimental results indicate that rare－earth oxide composite additives can modify the materials microstructure，reduce the crystal size and make the body more compact，effectively improve the intensity，toughness and creep resistance under frication condition at high temperature，and it can promote the transformation of surface structure to nanophase－structural layer，exhibit hydrodynamic lubrication so that friction and wear behaviors decreased obviously and the materials possess favorable self－lubricating properties at high temperature．

Rear－earth oxide；Densification；Self－lubrication

TQ174．74

：B

：1002－2872（2012）09－0012－04

陜西省教育廳專項科研計劃項目（項目編號：06JK355）。

陳平（1963－），本科，副教授；研究方向為新型陶瓷材料、結構。