第36卷第3期 北京科技大学学报 Vol.36 No.3 2014年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.2014 锰方硼石的摩擦性能 龚立丽，曹林四，贾成厂，梁 栋 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:lincaoustb@sina.com 摘要为了开拓锰方硼石的应用，将选矿之后粉末状锰方硼石进行高能球磨处理，得到尺寸小于10μm的粉末颗粒，采用放 电等离子烧结，将得到的粉末颗粒制备成圆片状样品。使用X射线衍射仪和扫描电子显微镜对粉末状锰方硼石和摩擦片样品 进行表征，证实该样品为斜方晶系的M,B,O:Cl.用WTM一ZE可控气氛微型摩擦试验仪测试锰方硼石样品的摩擦性能，其摩 擦因数范围为0.2-0.6，磨损量小，为1×109cm3.N1m左右，表明锰方硼石在摩擦材料填料领域有应用前景. 关键词锰方硼石：放电等离子烧结：球磨：摩擦：磨损 分类号P578.93:TH117.1 Friction properties of chambersite GONG Li-i,CAO Lin,JIA Cheng-chang,LIANG Dong School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:lincaoustb@sina.com ABSTRACT To exploit the application of chambersite,original chambersite powders after mineral beneficiation were ball-milled into powders with the average particle size less than 10 um by using a high energy ball mill.The milled powders were processed into disk- shaped samples by spark plasma sintering (SPS).X-tay diffraction (XRD)and scanning electron microscopy (SEM)were utilized to characterize the structure,shape and size of the samples,and a controlled atmosphere micro friction tester was used to investigate the friction properties of the samples.It is shown that the samples belong to orthorhombic Mn B,OCl,the friction coefficient is from 0.2 to 0.6,and the wear loss is about 1x10cmNm,which let chambersite have a good prospect of application in the field of friction materials packing. KEY WORDS chambersite:spark plasma sintering:ball milling:friction:wear 锰方硼石是一种罕见的无水氯硼酸盐矿物. 氏硬度为7，熔点为1070℃，密度为3.48g°cm-3), 1957年发现于美国得克萨斯州钱伯斯(Chambers) 若将其作为高硬度填料同应用在摩擦材料方面，有 地区，1962年Honea和Beck确定其化学式为 望在改善制品的摩擦性能方面有重大突破.但是， Mn,B,O1:Cl,并以产地命名为Chambersite,后来在路 这种天然矿石在摩擦材料方面的应用，国内外还没 易斯安那州也曾发现.70年代初，我国在蓟县首次 有深入的研究.因此，研究天然锰方硼石的摩擦性 发现了大规模的锰方硼石矿床四. 能及其应用前景将具有十分重要而深远的意义回. 锰方硼石是一种具有较大分子的特殊而重要的 矿物.据前人初步研究得知：该矿物的矿渣除可作 1实验部分 为促进植物生长的激素外，在电视机显像管内利用 1.1摩擦片样品制备 它，可增强其寿命回.另外，前苏联已将这种矿物应 本实验使用的锰方硼石为经过选矿（天津蓟 用在宇航玻璃上·根据锰方硼石的物理性质回（莫 县)之后得到的锰方硼石粉体. 收稿日期：2012-12-14 基金项目：天津蓟县锰方硼石利用研究项目(1212011120272) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.03.012:http://journals.ustb.edu.cn
第 36 卷 第 3 期 2014 年 3 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 3 Mar． 2014 锰方硼石的摩擦性能 龚立丽，曹 林，贾成厂，梁 栋 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: lincaoustb@ sina． com 摘 要 为了开拓锰方硼石的应用，将选矿之后粉末状锰方硼石进行高能球磨处理，得到尺寸小于 10 μm 的粉末颗粒，采用放 电等离子烧结，将得到的粉末颗粒制备成圆片状样品． 使用 X 射线衍射仪和扫描电子显微镜对粉末状锰方硼石和摩擦片样品 进行表征，证实该样品为斜方晶系的 Mn3B7O13Cl． 用 WTM--ZE 可控气氛微型摩擦试验仪测试锰方硼石样品的摩擦性能，其摩 擦因数范围为 0. 2 ～ 0. 6，磨损量小，为 1 × 10 － 9 cm3 ·N － 1·m － 1左右，表明锰方硼石在摩擦材料填料领域有应用前景． 关键词 锰方硼石; 放电等离子烧结; 球磨; 摩擦; 磨损 分类号 P 578. 93; TH 117. 1 Friction properties of chambersite GONG Li-li，CAO Lin ，JIA Cheng-chang，LIANG Dong School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: lincaoustb@ sina． com ABSTＲACT To exploit the application of chambersite，original chambersite powders after mineral beneficiation were ball-milled into powders with the average particle size less than 10 μm by using a high energy ball mill． The milled powders were processed into diskshaped samples by spark plasma sintering ( SPS) ． X-ray diffraction ( XＲD) and scanning electron microscopy ( SEM) were utilized to characterize the structure，shape and size of the samples，and a controlled atmosphere micro friction tester was used to investigate the friction properties of the samples． It is shown that the samples belong to orthorhombic Mn3B7O13Cl，the friction coefficient is from 0. 2 to 0. 6，and the wear loss is about 1 × 10 － 9 cm3 ·N － 1·m － 1，which let chambersite have a good prospect of application in the field of friction materials packing． KEY WOＲDS chambersite; spark plasma sintering; ball milling; friction; wear 收稿日期: 2012--12--14 基金项目: 天津蓟县锰方硼石利用研究项目( 1212011120272) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 03． 012; http: / /journals． ustb． edu． cn 锰方硼石是一种罕见的无水氯硼酸盐矿物． 1957 年发现于美国得克萨斯州钱伯斯( Chambers) 地区，1962 年 Honea 和 Beck 确定其化学式为 Mn3B7O13Cl，并以产地命名为 Chambersite，后来在路 易斯安那州也曾发现． 70 年代初，我国在蓟县首次 发现了大规模的锰方硼石矿床［1］． 锰方硼石是一种具有较大分子的特殊而重要的 矿物． 据前人初步研究得知: 该矿物的矿渣除可作 为促进植物生长的激素外，在电视机显像管内利用 它，可增强其寿命［2］． 另外，前苏联已将这种矿物应 用在宇航玻璃上． 根据锰方硼石的物理性质［2］( 莫 氏硬度为 7，熔点为 1070 ℃，密度为 3. 48 g·cm － 3 ) ， 若将其作为高硬度填料［3］应用在摩擦材料方面，有 望在改善制品的摩擦性能方面有重大突破． 但是， 这种天然矿石在摩擦材料方面的应用，国内外还没 有深入的研究． 因此，研究天然锰方硼石的摩擦性 能及其应用前景将具有十分重要而深远的意义［2］． 1 实验部分 1. 1 摩擦片样品制备 本实验使用的锰方硼石为经过选矿( 天津蓟 县) 之后得到的锰方硼石粉体．
第3期 龚立丽等：锰方硼石的摩擦性能 ·355· 用天平秤取10g锰方硼石，在研钵中研磨10 变小，导致衍射峰加宽 min.按球料质量比10：1称取10g锰方硼石、100g 120X0 不锈钢球放入洁净的球磨机不锈钢罐中，以乙醇为 10000 20c 球修前锰方石手 8000 球磨介质高能球磨30min.取出球磨罐中样品，放 6000 入真空烘箱，65℃真空干燥3h,接着对结块粉体用 4000 2000 研钵研磨5min,将得到的粉体放入石墨模具中，在 6000 真空放电等离子烧结炉中以100℃·min的速度加 球磨后锰方例石 4000 热到950℃后保温5min,压力为40MPa.随炉冷却 2000 至室温，得到直径为20mm、厚约3mm的锰方硼石 圆片. 30 40 50 60 1.2摩擦性能测试 28 将制得的样品，打磨抛光，超声波清洗样品表面 图1球磨前后锰方圆石的X射线衍射谱图 Fig.1 XRD patterns of chambersite before and after ball milling 的残存颗粒.用WTM-ZE可控气氛微型摩擦试验 仪进行摩擦性能测试，测定不同载荷和不同转速下 图2为球磨后锰方硼石经放电等离子烧结后的 摩擦因数的变化情况，并分析其摩擦机理.摩擦实 摩擦片样品的X射线衍射谱图.从图2中可以看 验采用球盘式摩擦，转速为300~700rmin',载荷 出，衍射谱图尖锐，说明经过放电等离子烧结后微观 为2~5N,每组实验时间为l0min.实验所用对摩 应力消除.样品X射线衍射峰位与标准衍射谱图相 材料为不锈钢球，对摩球直径为5mm. 一致，几乎没有杂质峰，因此摩擦片样品是较为纯净 1.3锰方硼石的结构与形貌表征 的MnB,0,Cl,属于斜方晶系，空间群C2.-Pca.晶 用DMAX-RB旋转阳极衍射仪对样品进行物 胞参数：a=0.868nm,b。=0.869nm,co=1.230nm, 相分析，使用Cu靶，波长0.15406m,扫描范围 ao:bo:co=1:1:1.417. 10°~90°.S-250型扫描电子显微镜观察样品的微 Mn,B,O.CI 观形貌和结构，分辨率5nm,加速电压2.5~30kV, 16000 放大倍数10万~30万倍. 12000 2结果与讨论 8000 2.1锰方硼石结构与形貌分析 图1为锰方硼石粉末进行高能球磨前后的X 4000 射线衍射谱图0，利用MDI Jade5.0软件对样品的 X射线衍射谱图进行物相分析，其衍射峰位置与标 0 10 40 70 准PDF卡片(14-0638)上衍射峰的位置匹配很好. 26/) 因此，球磨后的粉末仍为锰方硼石结构.然而，球磨 图2放电等离子烧结后得到锰方醐石试样衍射谱图 前(202)、(114)和(404)衍射峰是所有衍射峰中相 Fig.2 XRD patter of chambersite after spark plasma sintering 对强度最强的三个衍射峰，球磨过后相对其他衍射 图3是锰方硼石高能球磨前后的扫描电子显微 峰强度均有较大的降低，(202)和(404)降幅最大， 镜照片.由图3(a)可以看出天然锰方硼石粉体尺 (114)其次.衍射强度降低考虑主要存在两方面原 寸较均匀、分散性较好呈颗粒状，该颗粒的粒度在 因：(1)在球磨过程中，钢球与粉末之间相互碰撞， 40~60μm,颗粒表面比较光滑，颗粒形状多为菱形， 导致粉末破碎，衍射面相对减少，衍射强度降低： 并且多为三次对称和四次对称的棱角.图3(b)是 (2)球磨为机械过程，晶体结构被破坏，存在缺陷， 天然锰方硼石颗粒经过高能球磨之后的粉体.可以 也可降低衍射强度.由衍射强度降低可分析出 明显的看到与球磨前相比，大量的大颗粒被破碎成 (202)、(404)和(114)三个晶面为不完全解理面，而 尺寸约为1m甚至更小的颗粒，同时仍有5~7m (220)晶面衍射峰明显增高，说明这一晶面是相对 的相对较大的颗粒存在.说明颗粒状的锰方硼石在 完全的解理面.对比球磨前后衍射峰的宽度，发现 球磨罐中相互碰撞摩擦使衍射面破碎，衍射峰强度 球磨后锰方硼石的衍射峰明显宽化，由于在球磨罐 降低，并得到那些尺寸较小的颗粒，与图1中X射 中球料相互碰撞发生塑性变形，使样品的品粒尺寸 线衍射谱图的分析相一致.这样使得在随后的压制
第 3 期 龚立丽等: 锰方硼石的摩擦性能 用天平秤取 10 g 锰方硼石，在研钵中研磨 10 min． 按球料质量比 10∶ 1称取 10 g 锰方硼石、100 g 不锈钢球放入洁净的球磨机不锈钢罐中，以乙醇为 球磨介质高能球磨 30 min． 取出球磨罐中样品，放 入真空烘箱，65 ℃真空干燥 3 h，接着对结块粉体用 研钵研磨 5 min，将得到的粉体放入石墨模具中，在 真空放电等离子烧结炉中以 100 ℃·min － 1的速度加 热到 950 ℃后保温 5 min，压力为 40 MPa． 随炉冷却 至室温，得到直径为 20 mm、厚约 3 mm 的锰方硼石 圆片． 1. 2 摩擦性能测试 将制得的样品，打磨抛光，超声波清洗样品表面 的残存颗粒． 用 WTM--ZE 可控气氛微型摩擦试验 仪进行摩擦性能测试，测定不同载荷和不同转速下 摩擦因数的变化情况，并分析其摩擦机理． 摩擦实 验采用球盘式摩擦，转速为 300 ～ 700 r·min － 1，载荷 为 2 ～ 5 N，每组实验时间为 10 min． 实验所用对摩 材料为不锈钢球，对摩球直径为 5 mm． 1. 3 锰方硼石的结构与形貌表征 用 DMAX--ＲB 旋转阳极衍射仪对样品进行物 相分 析，使 用 Cu 靶，波 长 0. 15406 nm，扫 描 范 围 10° ～ 90°． S--250 型扫描电子显微镜观察样品的微 观形貌和结构，分辨率 5 nm，加速电压 2. 5 ～ 30 kV， 放大倍数 10 万 ～ 30 万倍． 2 结果与讨论 2. 1 锰方硼石结构与形貌分析 图 1 为锰方硼石粉末进行高能球磨前后的 X 射线衍射谱图［4］，利用 MDI Jade 5. 0 软件对样品的 X 射线衍射谱图进行物相分析，其衍射峰位置与标 准 PDF 卡片( 14--0638) 上衍射峰的位置匹配很好． 因此，球磨后的粉末仍为锰方硼石结构． 然而，球磨 前( 202) 、( 114) 和( 404) 衍射峰是所有衍射峰中相 对强度最强的三个衍射峰，球磨过后相对其他衍射 峰强度均有较大的降低，( 202) 和( 404) 降幅最大， ( 114) 其次． 衍射强度降低考虑主要存在两方面原 因: ( 1) 在球磨过程中，钢球与粉末之间相互碰撞， 导致粉末破碎，衍射面相对减少，衍射强度降低; ( 2) 球磨为机械过程，晶体结构被破坏，存在缺陷， 也可降低衍射强度． 由衍射强度降低可分析出 ( 202) 、( 404) 和( 114) 三个晶面为不完全解理面，而 ( 220) 晶面衍射峰明显增高，说明这一晶面是相对 完全的解理面． 对比球磨前后衍射峰的宽度，发现 球磨后锰方硼石的衍射峰明显宽化，由于在球磨罐 中球料相互碰撞发生塑性变形，使样品的晶粒尺寸 变小，导致衍射峰加宽． 图 1 球磨前后锰方硼石的 X 射线衍射谱图 Fig． 1 XＲD patterns of chambersite before and after ball milling 图 2 为球磨后锰方硼石经放电等离子烧结后的 摩擦片样品的 X 射线衍射谱图． 从图 2 中可以看 出，衍射谱图尖锐，说明经过放电等离子烧结后微观 应力消除． 样品 X 射线衍射峰位与标准衍射谱图相 一致，几乎没有杂质峰，因此摩擦片样品是较为纯净 的 Mn3B7O13Cl，属于斜方晶系，空间群 C5 2v--Pca． 晶 胞参数: a0 = 0. 868 nm，b0 = 0. 869 nm，c0 = 1. 230 nm， a0 ∶ b0 ∶ c0 = 1∶ 1∶ 1. 417． 图 2 放电等离子烧结后得到锰方硼石试样衍射谱图 Fig． 2 XＲD pattern of chambersite after spark plasma sintering 图 3 是锰方硼石高能球磨前后的扫描电子显微 镜照片． 由图 3( a) 可以看出天然锰方硼石粉体尺 寸较均匀、分散性较好呈颗粒状，该颗粒的粒度在 40 ～ 60 μm，颗粒表面比较光滑，颗粒形状多为菱形， 并且多为三次对称和四次对称的棱角． 图 3( b) 是 天然锰方硼石颗粒经过高能球磨之后的粉体． 可以 明显的看到与球磨前相比，大量的大颗粒被破碎成 尺寸约为 1 μm 甚至更小的颗粒，同时仍有 5 ～ 7 μm 的相对较大的颗粒存在． 说明颗粒状的锰方硼石在 球磨罐中相互碰撞摩擦使衍射面破碎，衍射峰强度 降低，并得到那些尺寸较小的颗粒，与图 1 中 X 射 线衍射谱图的分析相一致． 这样使得在随后的压制 · 553 ·
·356 北京科技大学学报 第36卷 100um 图3锰方硼石球磨前()、后(b)的扫描电子显微镜照片 Fig.3 SEM images of chambersite before (a)and after (b)ball milling 烧结过程中较大颗粒的空隙由小颗粒填充，小颗粒 增加，呈上升趋势，还未达到极大值 的空隙由更小颗粒填充，如此逐级填充更有利于锰 0.65 方硼石形成较致密的堆积状态，从而提高锰方硼石 0.60 摩擦片的综合性能。 0.55 2.2锰方硼石摩擦片样品的摩擦性能 摩擦实验结果如图4和图5所示.图4是锰方 盖0 硼石摩擦片样品分别在载荷为2、3、4和5N,转速为 0.40 600rmin-'条件下，测试l0min所得的平均摩擦因 0.35 数曲线图，图中的每一个点是去除摩擦初始阶段平 030 均摩擦因数值.随着载荷的增加，平均摩擦因数值 2 300 400500600700800 转速rmin 逐渐增大.这是由于在载荷较小的情况下，摩擦副 图5平均摩擦因数随转速的变化曲线 表面相互划擦与碰撞相对严重，摩擦因数在一定小 Fig.5 Variation in the average friction coefficient with rotating speed 载荷范围内呈上升趋势 通过改变载荷和转速得出的数据显示，锰方硼 0.7 石试样的平均摩擦因数范围为0.2~0.6，与锆英 0.6 石因(0.3-0.5)和氧化铝m(0.5-0.8)作为摩擦 材料填料的摩擦因数相近，由于锰方硼石的物理性 0.4 能与这两种矿物相近，因此锰方硼石在摩擦材料方 面的应用可以参照锆英石和氧化铝，锰方硼石有望 在摩擦材料填料方面取得新的研究进展. 0.2 2.3磨屑形貌及摩擦机理 0叫5202占303540455055 图6为锰方硼石试样在载荷5N下，转速从 载荷N 400~600r·min-的磨屑形貌以及500r·min-1的 图4平均摩擦因数随载荷的变化曲线 磨痕扫描电镜照片.由图中的磨屑形貌可以看出： Fig.4 Variation in the average friction coefficient with load 较低转速下(400r·min-l)磨屑颗粒的相差较大， 图5为锰方硼石摩擦片样品在实验载荷为5N 在特大块状颗粒表面附着许多的细小颗粒：在转 的条件下随转速变化(300~700r·min-1)的摩擦曲 速达到500rmin1时，大块状的颗粒明显减少，主 线图.对于一般弹性接触状态的摩擦副，摩擦因数 要为细小的颗粒，与图6(a)对比明显：而实验转速 随着滑动速度增加，越过一极大值，然后降低：但载 达到600rmin'时，明显看到磨屑均匀，呈块状分 荷极小时，摩擦因数随滑动速度的增大曲线只有上 布.分析此现象产生的原因：由于锰方硼石的硬度 升部分，在极大的载荷条件下，曲线只有下降的部 较大，在低转速下，磨料与锰方硼石基体发生微观 分囚.本实验中样品为锰方硼石，属于陶瓷类，在其 切削作用，对表面产生犁刨作用，产生大块状磨 表面摩擦只存在弹性接触，而实验载荷5N属于载 屑；当转速增加，磨料与表面接触时最大压应力超 荷极小的情况，样品的摩擦因数随着转速的增大而 过磨屑的压碎强度，大块状磨屑不断被碾碎，并填
北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 3 锰方硼石球磨前( a) 、后( b) 的扫描电子显微镜照片 Fig． 3 SEM images of chambersite before ( a) and after ( b) ball milling 烧结过程中较大颗粒的空隙由小颗粒填充，小颗粒 的空隙由更小颗粒填充，如此逐级填充更有利于锰 方硼石形成较致密的堆积状态，从而提高锰方硼石 摩擦片的综合性能． 2. 2 锰方硼石摩擦片样品的摩擦性能 摩擦实验结果如图 4 和图 5 所示． 图 4 是锰方 硼石摩擦片样品分别在载荷为 2、3、4 和 5 N，转速为 600 r·min － 1条件下，测试 10 min 所得的平均摩擦因 数曲线图，图中的每一个点是去除摩擦初始阶段平 均摩擦因数值． 随着载荷的增加，平均摩擦因数值 逐渐增大． 这是由于在载荷较小的情况下，摩擦副 表面相互划擦与碰撞相对严重，摩擦因数在一定小 载荷范围内呈上升趋势． 图 4 平均摩擦因数随载荷的变化曲线 Fig． 4 Variation in the average friction coefficient with load 图 5 为锰方硼石摩擦片样品在实验载荷为 5 N 的条件下随转速变化( 300 ～ 700 r·min － 1 ) 的摩擦曲 线图． 对于一般弹性接触状态的摩擦副，摩擦因数 随着滑动速度增加，越过一极大值，然后降低; 但载 荷极小时，摩擦因数随滑动速度的增大曲线只有上 升部分，在极大的载荷条件下，曲线只有下降的部 分［5］． 本实验中样品为锰方硼石，属于陶瓷类，在其 表面摩擦只存在弹性接触，而实验载荷 5 N 属于载 荷极小的情况，样品的摩擦因数随着转速的增大而 增加，呈上升趋势，还未达到极大值． 图 5 平均摩擦因数随转速的变化曲线 Fig． 5 Variation in the average friction coefficient with rotating speed 通过改变载荷和转速得出的数据显示，锰方硼 石试样的平均摩擦因数范围为 0. 2 ～ 0. 6，与锆英 石［6］( 0. 3 ～ 0. 5) 和氧化铝［7］( 0. 5 ～ 0. 8) 作为摩擦 材料填料的摩擦因数相近，由于锰方硼石的物理性 能与这两种矿物相近，因此锰方硼石在摩擦材料方 面的应用可以参照锆英石和氧化铝，锰方硼石有望 在摩擦材料填料方面取得新的研究进展． 2. 3 磨屑形貌及摩擦机理 图 6 为锰方硼石试样在载荷 5 N 下，转 速 从 400 ～ 600 r·min － 1 的磨屑形貌以及 500 r·min － 1 的 磨痕扫描电镜照片． 由图中的磨屑形貌可以看出: 较低转速下( 400 r·min － 1 ) 磨屑颗粒的相差较大， 在特大块状颗粒表面附着许多的细小颗粒; 在转 速达到 500 r·min － 1时，大块状的颗粒明显减少，主 要为细小的颗粒，与图 6( a) 对比明显; 而实验转速 达到 600 r·min － 1时，明显看到磨屑均匀，呈块状分 布． 分析此现象产生的原因: 由于锰方硼石的硬度 较大，在低转速下，磨料与锰方硼石基体发生微观 切削作 用，对 表 面 产 生 犁 刨 作 用，产 生 大 块 状 磨 屑; 当转速增加，磨料与表面接触时最大压应力超 过磨屑的压碎强度，大块状磨屑不断被碾碎，并填 · 653 ·
第3期 龚立丽等：锰方硼石的摩擦性能 ·357· 充到磨痕犁沟内，经过反复碾碎的磨屑变得细小 表面撕裂下来形成磨粒，一些磨粒被碾压黏着在 均匀图.图6()中黑色椭圆处为磨痕犁沟内的表 基体上，当转速持续增加，达到临界压痕深度时因 面形貌.从图中可明显观察到，经过反复摩擦，磨 压入而产生的拉伸力和基体表面缺陷使裂纹萌 屑（黑色椭圆附近的细小颗粒）不断被碾压并成片 生，并在应力的持续作用下进行扩展.由以上结果 状附着在基体上，表面有微裂纹生成（图中白色椭 分析得出其表面的磨损为磨料磨损回，并符合微 圆处).这是由于摩擦开始时为磨料磨损，材料从 观断裂磨损机理0H) 10 um 10m 10m 图6试样在400(a)、500(b)和600rmin1(c)转速下的磨屑以及500r·min1磨痕中萌生裂纹的扫描电镜照片(d) Fig.6 SEM images of friction swarf at speeds of 400 (a),500 (b)and 600 (c)rmin-as well as crack initiation at 500rmin!(d) 表1为载荷5N不同转速下的磨损量.随着转 (3)天然锰方硼石的表面磨损为磨料磨损.由 速的增加磨损量降低，耐磨性增强。这与之前磨屑 锰方硼石的物理性能、摩擦因数范围和磨损量可预 的分析相一致，转速增加，细小磨屑对磨痕犁沟有填 见锰方硼石可作为摩擦材料的一种填充材料. 补作用.由表1可以看出，磨损量非常小，说明该材 料可用作要求高耐磨性的摩擦材料填料 参考文献 Zeng Y S.Synthesis of chambersite and its geochemical implica- 表1不同转速下试样的磨损量 tion.J Geol,1983(4):401 Table 1 Wear loss of samples at different rotating speeds (曾贻善。锰方硼石的合成及其地球化学意义.地质学报， 转速/(rmin-) 磨损量/(10-9cm3N-1m-1) 1983(4):401) 400 1.2 Xiao C D,Zhang J,Zhang B H,et al.Chambersite deposit in Jix- 500 1.1 ian Tianjin.Geol Surr Res,2007(3):186 (肖成东，张静，张宝华，等.天津蓟县锰方硼石矿床.地质调 600 1.0 查与研究，2007(3)：186) B]Gao H M.Mineral Composite Friction Materials.Beijing:Chemi- 3结论 cal Industry Press,2007:218 (高惠民.矿物复合摩擦材料.北京：化学工业出版社，2007： (1)天然锰方硼石经过高能球磨后，衍射面破 218) 碎，衍射峰强度值相对降低 [4]Zhou Y.Materials Analysis Methods.Beijing:China Machine (2)经过放电等离子体烧结，得到的锰方硼石 Pres5,2004 为纯净的Mn3B,O3Cl,属于斜方晶系，空间群C.- (周玉.材料分析方法.北京：机械工业出版社，2004) 5] Qu ZG,Huang YC.Pouder Metallurgy Friction Materials.Bei- Pca.晶胞参数：ao=0.868nm,b=0.869nm,co= jing:Metallurgical Industry Press,2004:7 1.230nm,ao:bo:co=1:1:1.417. (曲在纲，黄月初粉末治金摩擦材料.北京：治金工业出版
第 3 期 龚立丽等: 锰方硼石的摩擦性能 充到磨痕犁沟内，经过反复碾碎的磨屑变得细小 均匀［8］． 图 6( d) 中黑色椭圆处为磨痕犁沟内的表 面形貌． 从图中可明显观察到，经过反复摩擦，磨 屑( 黑色椭圆附近的细小颗粒) 不断被碾压并成片 状附着在基体上，表面有微裂纹生成( 图中白色椭 圆处) ． 这是由于摩擦开始时为磨料磨损，材料从 表面撕裂下来形成磨粒，一些磨粒被碾压黏着在 基体上，当转速持续增加，达到临界压痕深度时因 压入而产生的拉伸力和基体表面缺陷使裂纹萌 生，并在应力的持续作用下进行扩展． 由以上结果 分析得出其表面的磨损为磨料磨损［9］，并符合微 观断裂磨损机理［10--11］． 图 6 试样在 400 ( a) 、500 ( b) 和 600 r·min － 1 ( c) 转速下的磨屑以及 500 r·min － 1磨痕中萌生裂纹的扫描电镜照片( d) Fig． 6 SEM images of friction swarf at speeds of 400 ( a) ，500 ( b) and 600 ( c) r·min － 1 as well as crack initiation at 500 r·min － 1 ( d) 表 1 为载荷 5 N 不同转速下的磨损量． 随着转 速的增加磨损量降低，耐磨性增强． 这与之前磨屑 的分析相一致，转速增加，细小磨屑对磨痕犁沟有填 补作用． 由表 1 可以看出，磨损量非常小，说明该材 料可用作要求高耐磨性的摩擦材料填料． 表 1 不同转速下试样的磨损量 Table 1 Wear loss of samples at different rotating speeds 转速/( r·min － 1 ) 磨损量/( 10 － 9 cm3 ·N － 1·m － 1 ) 400 1. 2 500 1. 1 600 1. 0 3 结论 ( 1) 天然锰方硼石经过高能球磨后，衍射面破 碎，衍射峰强度值相对降低． ( 2) 经过放电等离子体烧结，得到的锰方硼石 为纯净的 Mn3 B7O13 Cl，属于斜方晶系，空间群 C5 2v-- Pca． 晶胞参数: a0 = 0. 868 nm，b0 = 0. 869 nm，c0 = 1. 230 nm，a0 ∶ b0 ∶ c0 = 1∶ 1∶ 1. 417． ( 3) 天然锰方硼石的表面磨损为磨料磨损． 由 锰方硼石的物理性能、摩擦因数范围和磨损量可预 见锰方硼石可作为摩擦材料的一种填充材料． 参 考 文 献 ［1］ Zeng Y S． Synthesis of chambersite and its geochemical implication． J Geol，1983( 4) : 401 ( 曾贻善． 锰方硼石的合成及其地球化学意义． 地质学报， 1983( 4) : 401) ［2］ Xiao C D，Zhang J，Zhang B H，et al． Chambersite deposit in Jixian Tianjin． Geol Surv Ｒes，2007( 3) : 186 ( 肖成东，张静，张宝华，等． 天津蓟县锰方硼石矿床． 地质调 查与研究，2007( 3) : 186) ［3］ Gao H M． Mineral Composite Friction Materials． Beijing: Chemical Industry Press，2007: 218 ( 高惠民． 矿物复合摩擦材料． 北京: 化学工业出版社，2007: 218) ［4］ Zhou Y． Materials Analysis Methods． Beijing: China Machine Press，2004 ( 周玉． 材料分析方法． 北京: 机械工业出版社，2004) ［5］ Qu Z G，Huang Y C． Powder Metallurgy Friction Materials． Beijing: Metallurgical Industry Press，2004: 7 ( 曲在纲，黄月初． 粉末冶金摩擦材料． 北京: 冶金工业出版 · 753 ·
·358 北京科技大学学报 第36卷 社，2004：7) Beijing:Peking University Press,2010:22 [6]Yan J W.He W.Fundamental research on friction and wear prop- (申荣华，何林.摩擦材料及其制品生产技术.北京：北京大 erties of zircon brake friction material.Non Met Miner,2011,34 学出版社，2010：22) (5):73 9]Liu J J.Principle of Material Abrasion and Wear Resistance.Bei- (闫建伟，何林.锆英石制动摩擦材料摩擦磨损特性的基础研 jing:Tsinghua University press,1993:93 究.非金属矿，2011.34(5)：73) (刘家浚.材料磨损原理及其耐磨性.北京：清华大学出版 ]Tong X S,Zhang J.Experimental study on friction and wear rate 社，1993：93) of alumina ceramics.J Jianghan Univ Nat Sci,2011 (2):34 [10]Kato K,Adachi K.Wear of advanced ceramics.Wear,2002, (童幸生，张静.氧化铝陶瓷摩擦磨损实验研究。江汉大学学 253(11/12):1097 报：自然科学版，2011(2)：34) [11]Ball A.On the importance of work hardening in the design of ]Shen R H.He L.Friction Material and its Production Technology. wear-resistant materials.Wear,1983,91 (2):201
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