液体酸碱度对聚晶金刚石/氮化硅摩擦副的摩擦学性能影响

来源 :中国地质大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:oucuifang
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聚晶金刚石具有优异的力学性能和化学性能,如强度高,韧性好,导热性好及抗腐蚀性能好等优点,在地质钻探工程或者切削加工过程中,被广泛地用来制造地质钻头和超硬刀具。聚晶金刚石钻头或者切削刀具在服役过程中会完全的浸泡在钻井液或者切削液中,尤其液体中添加氢离子或者氢氧根离子,对聚晶金刚石与钻进岩层或切削材料的表面产生物理化学反应,如聚晶金刚石钴元素析出,液体促使岩层硬化等,进而影响其摩擦磨损性能。本文主要探究了聚晶金刚石在不同酸碱度(pH)为0-13.5条件下对磨氮化硅材料的摩擦磨损性能。利用摩擦磨损试验机进行不同pH条件下的摩擦磨损实验,将摩擦系数、氮化硅表面形貌与拉曼、X射线光电子能谱(XPS)的测试分析手段相结合,研究聚晶金刚石与氮化硅摩擦磨损机制,研究结果表明:(1)在不同pH值(0-7)的HCl溶液条件下,当溶液pH值在0-5时,各个pH值的摩擦系数都低到0.07以下;摩擦系数先减小后增加,当pH值为0.5时,摩擦系数降至最低为0.009;,但pH值在2.5-5的范围内时,各状态下的摩擦系数变化微小。另外,氮化硅磨损随着pH增加,氮化硅球磨斑的大小会先增大后减小,当pH值为2.5时磨斑最大,并且在磨斑的表面存在一些犁沟和磨屑。(2)在不同pH值(7-13.5)的NaOH溶液条件下,随着pH值的增加,摩擦系数逐渐下降,当pH值为13时,摩擦系数降至最低为0.035;当溶液pH值大于13时,摩擦系数增加幅度较大,增加至0.086,可能是由于溶液中氢氧化钠的析出;但pH值在7-11.5的范围内时,各状态下的摩擦系数变化微小,均处在0.06至0.07左右。氮化硅球磨斑的大小随着pH增加会先增大后减小,当pH值为10时磨斑最大;在不同pH条件下氮化硅球磨斑的表面存在一些犁沟和磨屑(3)在酸性条件下,溶液中的氢离子可与氮化硅水解产物和聚晶金刚石的氧化产物进一步发生表面质子化反应,在表面生成双电子层结构,使摩擦系数降低,溶液中氢离子的浓度减少时,对磨副材料表面C-OH和Si-OH键在部分区域中暴露出来,在界面处形成C-O-Si桥键,增加氮化硅磨损;在碱性条件下,由于高浓度氢氧化钠影响溶液粘度,从而减少摩擦系数与氮化硅的磨损,另外,界面处的羟基之间的桥接作用,增大氮化硅的磨损。
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