纺丝机导丝器陶瓷材料摩擦性能研究

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【摘要】

从分析器件工况、器件损坏形式、器件磨损及失效对产品的质量影响出发、并结合陶瓷学和摩擦学等理论提出改善陶瓷性能研究方法，并将应用于纺丝机导丝器制备上。研究结果表明：配方中添加Y2O3后陶瓷材料摩擦学性能较好，表现出有较高的结合强度和低的孔隙率，摩擦磨损机制主要表现为磨粒磨损和粘着磨损。

【关键词】

氧化铝陶瓷材料;磨损

1概述

人们对面料要求越来越严格，对超细纤维的需求不断增长，纤维生产的速度和张力也大为提升，从而对导丝器的质量要求也持续提高。因而纺丝在高速条件下与导丝器作相对滑动，使导丝器发热量大磨损快，为易损零件，陶瓷导丝器在纺织生产中的作用通常会被低估，在纤维生产加工及以后的纺织生产中，导丝器的质量和寿命会使纺织产品降低等级甚至报废，只有高性能导丝器才能使成品增加附加值。目前高档导丝器的国产化问题尚未解决，为提高导丝器的耐磨性，延长其使用寿命，寻找合适的材料已成为生产上迫切需要解决的课题，要求纺织机导丝装置有承受高速、耐磨的能力，随着纺机速度的提高，不同的陶瓷材料被不断引入，特别是在化纤生产中，需要高纯度高性能的陶瓷材料才能满足实际生产的需要。

2研究方法探讨

由于陶瓷的综合特性，特别是摩擦磨损特性受到硬度、强度、断裂韧性、热传导性、热膨胀和微观结构、粉料粗细、成型方法、烧结温度等内部因素的影响，同时受到温度、湿度、、载荷、速度、磨损时间等外部因素的影响，论文探讨多种配方陶瓷材料的摩擦磨损行为及机制，以促进正确选择、设计和使用陶瓷材料;陶瓷材料的低摩擦性主要由材料的微观显微结构影响;陶瓷材料的耐磨性主要由材料的致密度、硬度决定;陶瓷的韧性主要由材料的微观结构、组织形态等方面影响。

结合现有的陶瓷摩擦学原理，设计目标是即使在较大的压力和较高的速度时，在极其微小的尺度上也不会对配磨材料造成损伤。其目标组织结构由几种大小不同晶粒组成，有严格的晶粒级配，存在严格的大、小晶粒的配合，其晶界由非常小的晶界相组成。要有好的摩擦磨损性能必须有极好显微组织，要形成特定的组织须多方面考虑问题，主要有摩擦学、粉料制备、成型工艺、烧结工艺等问题。低摩擦高耐磨的Al2O3陶瓷器件，材料在保持高纯Al2O3陶瓷高硬度、高耐磨的特性同时，具有非常低的摩擦系数。

从影响它内因来考虑设计结构陶瓷，旨在正确设计相应的陶瓷材料作为摩擦学部件，最后形成三种晶粒大小、晶粒大小比例控制、晶粒形状控制、晶相和晶间相的控制的成熟独特工艺方法，实现掌握和控制陶瓷组织、晶粒和界面的连接技术，探明陶瓷基轻质材料的低摩擦磨损机理。

陶瓷导丝器的原材料主要从原材料来源难易、价格低廉程度、成型工艺、烧结工艺、后处理方式等方面来进行考虑。Al2O3陶瓷具有优异的物理力学性能，如高硬度、高熔点、耐磨性好等，成为热点研究的陶瓷材料之一，成功应用于切削工具、耐磨零件、高温部件等。采用Al2O3陶瓷作为研究的主体材料，一般在Al2O3中添加适当的烧结助剂来降低烧结温度，改善陶瓷微观结构组织，实现高致密度和低气孔率以求提高其强韧性进而达到在较低烧结温度下获得性能优良陶瓷的目的。纯氧化铝陶瓷实际上很难烧结，其烧结温度通常在1700℃～2000℃，且常需要热压、气氛或真空条件，进行了Al2O3材料体系的研究，采用与ZrO2-相变增韧Al2O3，氧化钇（Y2O3）作为助烧剂加入Al2O3瓷料中以降低烧结温度。为了保持Al2O3陶瓷的低成本优势，本项目中所提到的材料成型方法均为普通干压成型，烧结方法为最普通无压烧结，降低成本，通过大量正交实验，采用配方成分为Al2O3和ZrO2。

3陶瓷导丝器试样试制过程

3.1 陶瓷导丝器试样材料试制时所用部分设备

陶瓷烧结真空碳管炉由上海晨华电炉有限公司生产的真空碳管炉，名称型号：ZT-18-22，主要技术参数：1.额定功率：18kW;2.最高温度：2200℃;3.工作区尺寸：Ф80×100;4.极限真空度：6.67×10-3Pa;5.温度测量控制：热电偶+红外自动控制。

3.2 试样材料试制过程

（1）原料与添加剂的混合。

在氧化铝陶瓷的制备过程中，在高纯超细α-A12O3粉（平均粒径为0.26mm.Al2O3粉体原料）的基体中均匀引入所选用的添加剂是高质量粉体制备的关键。

（2）成型。

为了得到均匀致密的氧化铝陶瓷坯体，本文实验采取模压成型和冷等静压成型相结合的方法。即模压成型后再通过一定时间的冷等静压，消除坯体内部的密度和应力分布不均。成型压力为：模压加20MPa，冷等静压200MPa，保压10分钟。

（3）烧结。

陶瓷材料的制备工艺中烧结是对最终制品的显微结构和性能有着决定性影响的工序。结合本文实验的研制对象并考虑简化生产工艺，我们采用条件要求最低的烧结方式：常压低温烧结，烧结温度为1600℃，保温时间为两个小时。

（4）试制试样的力学性能的性能见表1。

表1试样的配方及性能

4摩擦磨损性能实验

陶瓷材料摩擦系数的测量摩擦磨损实验在MMW-1A型（济南益华摩擦学测试技术有限公司生产的微机控制万能摩擦磨损试验机），最大正压力200kg，f两种转速200r/min、400r/min）销盘摩擦磨损试验机上进行，采用销-盘式配磨，实验原理图如图1所示：

其中配磨环选用的材料是45钢，内径为Φ38mm，外径为Φ54mm，表面粗糙度Ra=0.4mm。

室温干摩擦，实验材料为所研制的：Al2O3复合陶瓷材料，各摩擦力矩值均取对磨18分钟后的3分钟内5个读数的平均值。根据磨损试验机的要求，A1203陶瓷材料测试试样加工成l0.7mm×φ4.8mm，做摩擦磨损实验的摩擦试样经过磨抛，表面粗糙度Ra≤0.1μm，后在丙酮溶液中用超声波清洗5-10分钟，干燥后待测摩擦磨损性能。

图1摩擦磨损试验装置简图

试样的磨抛分为粗磨、精磨和抛光三个步骤。粗磨、细磨在金刚石砂轮上进行，把初步处理后残留下来的石墨及飞边、棱角磨去，并磨至表面无明显凹凸感，看不见刀纹为止;然后在粒度分别为800#、1000#的金刚石砂纸上精磨，将试样表面磨至光滑接近镜面;最后用粒度分别为5μm、1μm的金刚石抛光粉在呢子布上进行抛光至显出镜面光泽。实验前，所有试样经过如下加工处理：SiC砂纸粗磨半精磨精磨金刚石研磨膏抛光。做摩擦磨损试验的截面另外做表面粗糙度测试，最后试样用超声波清洗，晾干后待测摩擦磨损性能。

实验时间定为8min，试验时保持加载力，观察并保存r试样销与试验环接触点的轨迹半径。考虑到导丝器使用环境，实验选择不采用任何剂的干摩擦环境进行。实验对象选用二种不同的材料试样，A2试样中没有添加入氧化钇，B试样为配方试样，在相同试验条件下进行试验（结果见图2）。

图2A2、B两种试样的摩擦系数与载荷之间的关系

研究不同载荷对试验样品的摩擦学性能的影响时，将转速定为150r/min，载荷分别设定为40N，60N，80N，100N。对上述四种载荷下的摩擦系数计算平均值，A2、B两种试样摩擦系数与载荷的关系见图4。结果表明，A2、B两种试样，B种摩擦系数小，载荷80N以下时，摩擦系数随着载荷的增大缓慢增大，当载荷超过80N时，摩擦系数迅速增大，摩擦系数曲线也不稳定，呈锯齿状，说明材料表面已经开始出现磨损。

图3B试样经摩擦学实验后的SEM照片

图3是B样品的磨损面的SEM显微照片，左边（a）是放大500倍的显微形貌，右边（b）是放大2000倍的显微形貌，从左边图看不出明显的划痕，只有一些粘着痕迹，右边放大的倍数可见微弱的划痕。可以判断材料的磨损机制是磨粒磨损和粘着磨损。对比A2试样（成分里无氧化钇）的磨损后磨损面SEM照片，可以明显看到B试样的磨损量小于A2试样，这是由于B试样的力学性能好，材料的空隙度小，致密度大，在应力交变循环中，由于较高的疲劳极限，同时由于ZrO2的加入，强韧化了Al2O3陶瓷材料，使得材料的断裂方式表现为穿晶断裂，没有晶粒被拔出，从而减少了磨粒磨损，表现出B试样的磨损性能较好。

5结束语

（1）以先进陶瓷配方理论及材料成型理论进行材料设计，加入添加相粒子，优化烧结工艺，形成良好的微观结构，得到了低摩擦系数陶瓷材料。从原料制备的初期就在更小尺度上控制其结构，纯度为99.8%的高纯Al2O3粉有利后续工艺开展。

（2）Y2O3稳定ZrO2增韧Al2O3材料（目标配方材料）摩擦系数小，材料（Y2O3稳定ZrO2增韧Al2O3材料）在所有试验材料中摩擦系数较小，其磨损的断裂方式表现为穿晶断裂，没有晶粒被拔出，磨损机制是磨粒磨损和粘着磨损，实际应用效果好，提高了产品的品位。

参考文献：

[1]薛群基，刘惠文.陶瓷摩擦学[J].摩擦学学报，1995（10）：376382

[2]孔勇发，龚江宏，杨正方.结构陶瓷的摩擦磨损[J].硅酸盐通报.1998（5）：3238

[3]童幸生.陶瓷摩擦副磨损机理的研究[J].华南理工大学学报（自然科学版），2001（4）：9496

基金项目：

湖北省教育厅科学技术研究计划指导项目（B2013157）。

作者简介：

万宇杰（1969-），男，副教授，从事工程材料、机电一体化、机械CAD/CAM等课。