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 ·