氧化鋁陶瓷作為一種重要的典型結(jié)構(gòu)陶瓷材料，以Al203為主要原料，以剛玉（α-Al203）為主要礦物質(zhì)組成。氧化鋁是氧化物中較穩(wěn)定的物質(zhì)，具有機(jī)械強(qiáng)度高、硬度大、耐磨、耐高溫、耐腐蝕、高的電絕緣性與低的介電損耗等特點(diǎn)，它是發(fā)展比較早、成本低、應(yīng)用較廣的一種陶瓷材料，在航天、航空、發(fā)動(dòng)機(jī)耐磨部件、刀具等方面具有十分誘人的應(yīng)用前景。20多年的研究結(jié)果表明：氧化鋁陶瓷中Al203含量越高，綜合性能越好，耐磨性也越高，并且在濕磨條件下耐磨效果更為顯著。
眾所周知，磨損是產(chǎn)品失效的3種主要形式之一，即斷裂、腐蝕、磨損。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，能源的1/3～1/2消耗于摩擦與磨損。據(jù)美國材料政策委員會1977年測算，磨損造成年國民經(jīng)濟(jì)損失約150億美元。原西德統(tǒng)計(jì)因磨損造成的損失每年達(dá)100億馬克。我國對磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失尚缺乏精確的計(jì)算。因此，工業(yè)材料進(jìn)行廣泛應(yīng)用之前，其磨損性能的測試和評價(jià)具有現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)意義。
為了探究氧化鋁陶瓷在不同工況條件下的磨損機(jī)制，本研究作者設(shè)計(jì)了干摩擦、水潤滑和油潤滑3種潤滑條件下的氧化鋁摩擦磨損試驗(yàn)，研究了磨損試驗(yàn)后磨痕區(qū)域顯微組織。通過對其磨損機(jī)制的分析，可在應(yīng)用氧化鋁陶瓷時(shí)，提前改變其應(yīng)用工況以改變潤滑條件，減少其磨損帶來的危害；或者提前對某一種使用工況的氧化鋁陶瓷的磨損進(jìn)行粗略的評價(jià)。
1試驗(yàn)部分
1.1試驗(yàn)材料
實(shí)驗(yàn)材料為煤漿輸送管道氧化鋁陶瓷襯板，采用工業(yè)上應(yīng)用廣泛的95瓷，用美國Buehler公司生產(chǎn)的ISOMET1000精密切割機(jī)將試塊切割成10mm×10mm×l3mm大小的試樣若干。并將試樣按照潤滑介質(zhì)分為三組，每組試樣為3個(gè)。
1.2試驗(yàn)方法
1.2.1組分及物性分析
氧化鋁陶瓷試樣的物相分析采用X射線衍射分析儀。經(jīng)XRD物相分析（見圖1）可知，試樣的氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于97%。試樣的顯微硬度采用HV1000型顯微硬度計(jì)測量，載荷為9.8N，獲得的試樣平均顯微硬度為HV993.6。試樣的密度采用阿基米德排水法測量，獲得的材料平均密度為3.6477g/cm3。
1.2.2磨損性能測試
試樣的磨損試驗(yàn)采用國產(chǎn)的M200磨損試驗(yàn)機(jī)，摩擦副采用環(huán)塊式滑動(dòng)摩擦磨損的方式。摩擦副的材料同樣為純氧化鋁陶瓷95瓷）。分別采用干摩擦、油潤滑、水潤滑3種潤滑方式進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，對于水潤滑和油潤滑下的摩擦磨損試驗(yàn)，分別自制純凈水和潤滑油（15#機(jī)油）兩套滴漏設(shè)備，使液體能夠持續(xù)地滴漏至對磨處。用坐標(biāo)紙對摩擦曲線進(jìn)行記錄，進(jìn)而可以計(jì)算出摩擦因數(shù)。在SEM電子掃描電鏡下對磨痕寬度進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)定。
試驗(yàn)參數(shù)為：載荷196N，轉(zhuǎn)速200r／min，水潤滑下的水滴速度為2.6mL/min，油潤滑下的油滴速度為1.7mL/min，對磨時(shí)間為30min。
1.2.3顯微結(jié)構(gòu)觀察
首先在SEM下觀察氧化鋁陶瓷斷口形貌，對斷口處試樣的顯微組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以驗(yàn)證氧化鋁陶瓷試樣的質(zhì)量以及性能；然后將試樣表面進(jìn)行拋光處理，在SEM下進(jìn)行顯微組織結(jié)構(gòu)分析；較后將磨損試驗(yàn)后的所有試樣的磨損區(qū)域在SEM下進(jìn)行拍攝，并分析它們的顯微結(jié)構(gòu)，進(jìn)而討論不同潤滑條件對氧化鋁陶瓷磨損機(jī)制的影響。
2結(jié)果與討論
2.1磨痕寬度和摩擦因數(shù)
磨痰寬度的測量采用SEM掃描電鏡下的自動(dòng)標(biāo)尺功能，每個(gè)試樣分別在3個(gè)不同位置標(biāo)定尺寸并且取平均值。每組共有3個(gè)試樣，較終再取3個(gè)試樣的平均值，即為較終的磨痕寬度。
摩擦因數(shù)的計(jì)算采用下列公式：
μ=T/（Rp）
式中：T為力矩，N．cm；R為下試樣半徑，cm；p為載荷，N。
其中T可以通過坐標(biāo)紙和力矩尺來讀取，R由于下試樣的磨損需要每次測量，而p為固定值，為196N。
表l給出了不同潤滑方式下氧化鋁陶瓷磨痕寬度和摩擦因數(shù)的平均值，可知，氧化鋁基陶瓷材料在干摩擦、水潤滑和油潤滑3種不同摩擦介質(zhì)中的磨損量有很大差異，其中干摩擦下的試樣的磨損量較大，油潤滑下磨損量較低，磨痕較??；水潤滑能明顯降低磨損量，但也明顯高于油潤滑時(shí)。氧化鋁陶瓷的摩擦因數(shù)在油潤滑狀態(tài)下僅為0.1，水潤滑狀態(tài)下約為0.19，而在干摩擦狀態(tài)下為0.52，這說明氧化鋁陶瓷在有潤滑介質(zhì)條件下摩擦因數(shù)會大幅度降低，尤其是在油潤滑的狀態(tài)下。
2.2磨痕區(qū)域的顯微組織結(jié)構(gòu)
圖2，3分別示出了氧化鋁陶瓷斷口表面顯微組織結(jié)構(gòu)和拋光表面顯微組織結(jié)構(gòu)，可知該試樣的密實(shí)度較好，內(nèi)部缺陷較少，且氧化鋁相之間的結(jié)合較為緊密，綜合性能應(yīng)較為優(yōu)良。
圖4示出了干摩擦、油潤滑、水潤滑3種潤滑條件下氧化鋁陶瓷的磨損表面形貌。可知，不同潤滑介質(zhì)下磨痕形貌有很大差異，其中室溫干摩擦條件試驗(yàn)后的磨損形貌十分粗糙，表面堆積大量磨屑，基體組織拋光后仍凹凸不平；在水潤滑條件下，磨損后的磨痕區(qū)域較為光滑，脆性斷裂產(chǎn)生的孔洞均勻分布于基體之中，基體組織的形貌接近于拋光后的顯微組織；在油潤滑條件下，磨損后的磨痕形貌較為光滑，且脆性剝落更少，基體組織較接近于拋光后的顯微組織。
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在不同潤滑介質(zhì)條件下磨損情況差異的主要原因如下：
（1)在磨損過程中，摩擦所產(chǎn)生的磨屑被液體大量沖走，從而很大程度上減少了磨料磨損，降低磨損量。
（2)在磨損過程中，液體在一對摩擦副之間形成一層潤滑層，降低了摩擦因數(shù)，減小摩擦阻力，且表面切應(yīng)力減小，斷裂傾向小，故磨損量減少。而且油潤滑的效果要好于水潤滑的效果。
2.3磨損機(jī)制分析
2.3.1干摩擦條件下氧化鋁陶瓷材料的磨損機(jī)制
通過對磨損區(qū)域的顯微組織結(jié)構(gòu)的觀察與分析認(rèn)為，氧化鋁基陶瓷材料在干摩擦條件下的磨損機(jī)制為磨粒磨損和脆性剝落。
試樣與氧化鋁對磨環(huán)在對磨過程中，兩對磨表面的微凸體首先接觸，由于氧化鋁陶瓷顆粒硬度較高，在滑動(dòng)磨損過程中產(chǎn)生較高的表面切應(yīng)力。在壓應(yīng)力與表面切應(yīng)力的作用下，氧化鋁陶瓷表面的原始封閉性孔洞的四周會產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而在陶瓷的接觸表面及亞表面產(chǎn)生各種方向的微裂紋。微裂紋在持續(xù)的應(yīng)力作用下增殖并且拓展，裂紋首先沿著結(jié)合強(qiáng)度較低的晶界處開始拓展，使得與氧化鋁陶瓷基體結(jié)合力不強(qiáng)的陶瓷顆粒首先被拔出，即發(fā)生剝落（見圖5（a))。小的陶瓷顆粒逐漸剝落，導(dǎo)致試樣的表面出現(xiàn)許多孤立的大塊陶瓷顆粒。孤立的大塊陶瓷顆粒在更大的壓應(yīng)力及切向應(yīng)力作用下，會發(fā)生貫穿整個(gè)大顆粒的穿晶斷裂，從而使大顆粒逐漸斷裂成較小的顆粒。在試樣的磨損過程中，這種現(xiàn)象反復(fù)發(fā)生，產(chǎn)生了大量的磨屑，而磨損量也逐漸變大。這就是脆性斷裂的機(jī)制。
另外，在試驗(yàn)中也觀察到對磨表面處有大量的磨屑發(fā)生堆積（見圖5（b）），這些磨屑為脆性斷裂產(chǎn)生的氧化鋁陶瓷小顆粒。這些由氧化鋁小顆粒組成的磨粒在外加載荷的作用下，會對氧化鋁陶瓷基體產(chǎn)生磨粒磨損。脆性斷裂與磨粒磨損相互作用，產(chǎn)生劇烈的磨損。
2.3.2水潤滑和油潤滑條件下氧化鋁陶瓷材料的磨損機(jī)制
通過對磨損區(qū)域的顯微組織結(jié)構(gòu)的觀察與分析認(rèn)為，氧化鋁陶瓷材料在水潤滑和油潤滑條件下的磨損機(jī)制為較少的脆性剝落和輕微的磨粒磨損。
在液體潤滑條件下潤滑液體膜的形成，能夠減輕許多的外加載荷，從而使陶瓷材料的接觸表面在摩擦?xí)r受到的正向壓力得到較大的緩解；另外，潤滑膜還能降低摩擦?xí)r的摩擦因數(shù)，使陶瓷接觸表面的切向應(yīng)力大為減弱。因此，陶瓷材料對磨處的受力狀況得到很大的改善，材料內(nèi)部微裂紋萌生的趨勢也大為減弱。此時(shí)微裂紋主要是沿著材料的薄弱環(huán)節(jié)晶界發(fā)生拓展，即形成許多沿晶裂紋，進(jìn)而引起少數(shù)結(jié)合力較弱的小顆粒的剝落，形成一些小剝落坑。其磨痕形貌是以沿晶裂紋為主，并有一些小剝落坑存在，如圖6(a)，7(a)所示，陶瓷材料的脆性剝落相對較為輕微。相比較之下油潤滑條件磨損后的脆性剝落坑更小，這說明潤滑油膜較潤滑水膜更能夠降低摩擦因數(shù)，改善表面切應(yīng)力環(huán)境。
在液體潤滑狀態(tài)下，由于磨損量小，本身產(chǎn)生的磨屑就很少，而潤滑液體又對對磨表面產(chǎn)生了清潔沖洗的作用，帶走了大部分的磨屑，因此陶瓷材料表面的磨粒磨損作用也大為減輕，僅存在很輕微的磨粒磨損。
3結(jié)論
(1)液體潤滑劑的加入使得氧化鋁陶瓷磨損量大幅度降低。首先，液體在磨損過程中帶走了大量的磨屑，從而減少了磨粒磨損效果；其次，液體在磨損過程中在摩擦界面形成了一層潤滑膜，降低了表面切應(yīng)力，從而降低了表面斷裂傾向，降低了磨損量。
(2)氧化鋁陶瓷材料干摩擦條件下的磨損機(jī)制為大量的脆性剝落和大量的磨粒磨損，在水潤滑條件下為較少的脆性剝落和輕微的磨粒磨損，在油潤滑條件下為很少的脆性剝落和很微的磨粒磨損。
(3)3種磨損方式相比，油潤滑條件的減磨效果較為突出，水潤滑條件的減磨效果其次，氧化鋁陶瓷試樣較適合在油潤滑條件下使用。