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国际难熔金属与硬材料杂志 65 (2017) 76–82

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国际难熔金属与硬金属杂志

导电SiC基金属陶瓷的机械和摩擦学性能

Martin Fides ^a,b,⁎, Alexandra Kovalčiacute;kovaacute; ^a, Pavol Hvizdoscaron; a, Roman Bystrickyacute; ^c, Roacute;bert Džunda ^a,b,

Jaacute;n Balko ^a, Jaroslav Sedlaacute;ček ^c

a斯洛伐克科学院材料研究所，Watsonova 47，斯洛伐克共和国科希策

b 科希策技术大学，冶金学院，Letnaacute;9，斯洛伐克共和国科希策c

c斯洛伐克科学院无机化学研究所，斯洛伐克共和国布拉迪斯拉发Duacute;bravskaacute;cesta9

论文信息

论文历史：

2016年7月29日收到

于2016年11月18日以修订后的形式收到

2016年12月18日接受

2016年12月29日在线提供

关键词:

碳化硅

金属陶瓷

摩擦学

硬度

导电性

摘要

采用无烧结添加剂的热压法制备了导电TiNbC相含量（30、40、50wt%）不同的三种不同类型的碳化硅基金属陶瓷，

研究了TiNbC含量对SiC-TiNbC金属陶瓷基本力学、电学和摩擦学性能的影响。采用球对盘法，在环境温度、空气湿

度35-40%、载荷为5-30N、滑动距离为500m的干磨损条件下，用SiC制作静态配合物，对其摩擦学性能进行了表征。

计算相应的磨损率，确定磨损机理。所得的材料相对较硬，随着TiNbC含量的增加，其硬度从30wt%TiNbC含量时的

19.8plusmn;1Gpa增加到50wt%TiNbC含量时的25.4plusmn;0.9Gpa。断裂韧度值与TiNbC相无关，在2.7-2.9MPa.m^1/2间变化。同

样，杨氏模量从354GPa增加到435GPa。研究发现，相比较于传统的导电率为10Sm^-1的半导体SiC金属陶瓷而言，SiC

金属陶瓷的导电率随着金属相比例的增加而迅速增加，添加30wt%的TiNbC时，导电率增加三倍，TiNbC含量为50wt%

时，导电性大约增加四倍。摩擦系数(0.3-0.5)与耐磨性（10^-6-10^-7mm³/Nm）与耐磨SiC材料相当

copy; 2017 爱思唯尔有限公司保留所有权利

1. 介绍：

SiC陶瓷具有力学性能和热学性能的显著结合, 具有高硬度、高杨氏模量、良好的耐腐蚀性和抗氧化性，适用于轴承、阀门、刀具等要求苛刻的工作条件下的结构应用。当摩擦和磨损过程占主导地位时[1-4],SiC基金属陶瓷是一种硬度从22到26GPa不等的硬材料[5],这一现象使得SiC结构件的加工难度大大增加。二次加工工具通常用于最终成型，这使得特殊SiC结构件的成本十分昂贵。其他可能的加工方式是电火花加工（EDM），但是这种技术需要导电材料[5]。电火花加工可以加工非常硬的材料，复杂的形状可以被生产出高精度。 最低电导率10Sm^-1被认为是EDM[6]的极限。

⁎通讯作者：斯洛伐克科学院材料研究所，陶瓷和非金属系统部，Watsonova 47,04001，斯洛伐克共和国科希策。

邮箱: mfides@saske.sk (M. Fides).

导电颗粒在非导电陶瓷基体中的分散被认为是生产导电材料的一种简便方法[7]。渗透阈值取决于颗粒的形状和分布，通常在导电颗粒的12至20体积百分数之间变化。然而，添加大量的第二相会导致SiC基金属陶瓷的高温稳定性降低。最近，采用（Y(NO3)3.4H2O[8,9],AlN-Re2O3（RE=Sc,Nd,Gd,Ho,Er）[10]热压SiC粉末制备了高导电性液相烧结（LPS）SiC陶瓷，或Y2O3-Sc2O3-TiN作为烧结添加剂[11]，其中导电添加剂以细晶间相的形式,沿晶界分布。向金属颗粒中加入脆性SiC基体，是另一种制备具有类金属导电性和良好的力学和摩擦学性能的SiC基复合材料/金属陶瓷的方法。首先，Balog[12]描述了通过热压处理SiC-(Nb,Ti)ss-(Nb,Ti)Css金属陶瓷的方法，制备的复合材料在电学和力学性能之间表现出良好的折中。后来，Frajkorova[13]制备了致密的导电SiC，添加了Ti-NbC，硬度为17.8GPa，断裂韧性为5.4MPa。

http://dx.doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2016.12.017 0263-4368/copy; 2017 Elsevier Ltd.保留所有权利。

多种工作中报道了碳化硅的摩擦学行为，适用于各种不同的滑动速度，载荷和温度[14-22]。滑动副的摩擦学性能取决于许多因素：环境条件、滑动速度、载荷、表面质量和配合材料的微观结构。对于大多数技术应用，摩擦系数(COF)＞0.5和磨损率＞10-5mm³/ Nm的值是不能被接受的[23]。金属陶瓷材料的滑动对象如碳化硅、氮化硅、氧化铝或氧化锆通常在无润滑条件下具有高摩擦系数[16]。

Borrero-Loacute;pez等人[22]研究了的微观结构对滑动磨损的影响，研究表明由于细长晶粒存在互锁网络，细长晶粒LPS SiC相对于等轴晶LPS SiC有更好的滑动磨损性能。王[24]研究了超细晶粒金属陶瓷，并报道耐磨性随着晶粒尺寸的增加和硬度的降低而降低。 Kim[25]报道，尽管断裂韧性降低，但随着Si₃N₄晶粒尺寸的减小，耐磨性得到改善。然而，只有极少数的论文专注于研究配对材料对SiC或Si₃N₄材料磨损特性的影响[26,27]。 Guicciardi[26]指出，当金属陶瓷不再自组装时，摩擦系数会降低。特别是自组装SiC耦合器具有最高的COF，而耦合Si₃N₄/n-SiC最低。梁[28]发现摩擦主要受微观结构和正常载荷的影响。Kovalčiacute;kovaacute;[29]表明SiC细小球状微观结构的材料的COF和磨损率比粗板状微观结构的材料更低。结果还表明，随着ZrO₂和WC-Co对应的SiC金属陶瓷磨损率的下降，SiC的磨损率比Si₃N₄金属陶瓷大约高一个数量级。

Rani[17]通过改变测试条件来研究金属陶瓷材料在水中的摩擦学行为。他发现，对于自组装Si₃N₄和SiC金属陶瓷，摩擦化学反应导致在高负荷和高速下具有低摩擦系数的表面平滑。 SiC的摩擦学行为主要取决于周围大气中氧气及湿气存在下的氧化反应[14]。摩擦化学反应通常在滑动期间发生，导致保护层的形成。Sasaki [18]明确地表明，当他们在水中滑动时，Si₃N₄和SiC金属陶瓷的COF降至0.01。陈[19]报道Si₃N₄和SiC的磨损率都是为10-9 mm²/N。Cho[20]研究了液相烧结SiC，并提到在试验过程中发生了从初始开槽过程到晶粒拉出过程的磨损机制的突变。Takadoum等人[15]在潮湿空气中进行滑动试验，并报道水合氧化硅形成于SiC磨损表面。当二氧化硅碎片被移除并继续测试时，摩擦系数会继续增加。Murthy[21]研究了相对湿度和掺杂元素在未润滑条件下对COF和SiC磨损的影响。研究表明，在较高湿度下，COF较低且不依赖于掺杂元素。然而，尚未研究具有TiNbC导电相的SiC的摩擦学性质。此次研究的目的是研究TiNbC导电相烧结SiC金属陶瓷的基本性能，电学和摩擦学行为。

2.实验材料和方法：

市售的beta;-SiC（HSC-059,Superior Graphite,USA）Ti（TOHO Titanium Co.,Japan）和NbC（Japan New Metals Co.,Japan）粉末用于样品制备。 将不同量的Ti-NbC导电相引入SiC基质中， 制备三种不同类型的混合物，其中SiC与Ti-NbC的比例分别为70：30,60：40,50：50，Ti和NbC的混合物的摩尔比为1：1.8。 将粉末混合物在水中行星式研磨（RETSCH PM 100,Pulverisette 6,FRITSCH GmbH,Germany）,WC球以150r/min的速度旋转1小时,均质化的悬浮液在液氮（LS-2,PowderPro AB,瑞典），随后冻干（Unicryo MC2L,UniEquipPulicalgerauml;tebau-und Vertriebs GmbH,Germany）[30]，将预压制的粒料在1850℃下热压60分钟并在惰性氩气氛下加载30MPa。

实验材料的最终圆盘尺寸为直径20毫米，厚度约10毫米。 然后通过包括连续研磨和抛光（Tegramin-30，丹麦）的标准金属陶瓷制图程序制备圆盘，表面的最终粗糙度Ra最大为40nm。

为了揭示晶粒尺寸确定的晶界，在氟利昂/氧气比为90:10的气氛下对样品表面进行等离子体蚀刻（FEMTO,Diener electronic GmbH Co.KG,德国）20分钟。

使用扫描电子显微镜（FIB-SEM Auriga Compact和EVO 40HV,Carl Zeiss,Germany）观察微观结构分析，蚀刻表面和磨损轨迹，使用ImageJ软件进行图像分析。

密度通过标准阿基米德法在汞中测量。

四点Van der Pauw方法用于电导率测量（Loresta-AX MCP-T370,Mitsubishi chemical analytech,Co.,Ltd.,Japan）

使用维氏硬度尖端（方程（1））[31]通过压痕法测定硬度,测量在UMT-2,Bruker,USA上进行。在齿状载荷9.81N下,每个样品上产生10个凹痕，在最大载荷下施加10秒的停留时间，然后计算维氏硬度（HV）

（1）

其中P是压痕载荷；d是平均对角线长度缩进。

压痕断裂韧性由压痕产生的裂缝长度确定，并使用Anstis公式计算

[32]（方程（2））。使用维氏压头产生十个压痕，施加负荷98.1N，并通过倒置光学显微镜（Axio Observer.D1m,ZEISS,Germany）确定裂缝的长度。

KIC=0.016()() （2）

其中KYC是压痕断裂韧性；E是弹性模量；HV是硬度；F是压痕负载；c是表面的压痕径向裂纹半长。

通过共振频率法（Buzz-o-sonic Lab Kit 5.9,BuzzMac International,LLC,USA）测量杨氏弹性模量。

球盘式技术用于磨损测试（UMT-3,Bruker,USA）,使用直径为6mm的碳化硅球（RGP BALLS S.r.l.,意大利）作为对应物。将它们压到准备好的SiC-TiNbC金属陶瓷上，负载分别为5N，15N和30N，在测试期间保持恒定。 磨损轨道的标称半径分别为5 N为2 mm，15 N为4 mm，30 N为8 mm，在所有使用载荷的情况下，应用滑动速度0.1m/s和滑动距离500m，在测试过程中不断记录摩擦系数，材料体积损失的磨损率是根据国际标准ISO 20808[33]通过3D光学平台（Neox Plu,Sensofar,Spain）获得的磨损轨迹曲线计算得出的（方程（3），Eq。（4））： 全文共12132字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[2960]