聚晶立方氮化硼真空摩擦学行为及其磨损机理研究

作     者：吴哲 

作者单位：中国地质大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：岳文;张奎

授予年度：2021年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：聚晶立方氮化硼 真空环境 摩擦系数 磨损机理 

摘      要：聚晶立方氮化硼(PcBN)是由立方氮化硼(cBN)与粘结剂在一定条件下烧结而成的超硬材料。由于cBN的正四面体型结构使得PcBN具有高硬度、高耐磨、高导热、高温化学稳定性、高温力学稳定性等优异性能。因此,PcBN材料制作的工具具有良好的红硬性、断裂韧性,与铁族金属材料保持化学惰性的优势。PcBN作为超硬材料其高温化学稳定性、高温力学稳定性等性能优于同为超硬材料的聚晶金刚石。超硬材料在实际服役工况中通常面临着高温、高湿度、高载荷、高速度以及高真空的环境条件,在不同的环境条件下,超硬材料展现出完全不同的摩擦磨损行为。聚晶立方氮化硼的高温化学稳定性、高温力学稳定性等优异性能使其在非常规能源勘探开发中与在轨制造领域有重要用的潜利用价值。本文旨在通过模拟不同环境条件、不同工况载荷研究PcBN与不同材料的摩擦学性能,通过探究摩擦副的摩擦系数、磨损率、微观形貌、元素含量。确定对磨副磨损机理,为扩展其应用提供摩擦学依据。最终得出以下主要结论:(1)真空环境条件下PcBN-SiN、PcBN-YG8、PcBN-GCr15对磨副和大气环境条件下PcBN-SiN对磨副平均摩擦系数与载荷呈负相关关系。不同环境条件下PcBN-AlO对磨副在载荷10 N时平均摩擦系数最低。真空环境条件下PcBN-GCr15对磨副在载荷为10 N时平均摩擦系数最低。(2)真空环境条件下PcBN与YG8摩擦副单位行程不同外加载荷2 N,5N,10 N和15 N的磨损率比值W/W分别为7.0,6.4,6.0,5.3(即YG8磨损率/PcBN磨损率),PcBN表现出良好的摩擦学性能。真空环境条件下GCr15对磨球磨损率的数量级为10,大气环境下AlO对磨球磨损率的数量级为10,真空环境下磨损率数量级可以达到10,真空环境下SiN磨损率数量级为10,大气环境下SiN磨损率数量级为10。(3)真空环境条件下AlO、SiN、GCr15和YG8摩擦副的磨损形式主要为磨粒磨损,粘着磨损;另外,AlO与SiN对磨球还出现了严重的犁沟磨损;外载荷15 N时,AlO表面磨斑出现崩裂,形成台阶表面;GCr15对磨球随外载荷的增加对磨球磨斑出现明显不规则形状。PcBN真空环境下主要为磨粒磨损与粘着磨损。