книги из ГПНТБ / Кацура, А. А. Высокотемпературное трение окисных керамик на основе корунда

А К А Д Е М И Я Н А У К СССР

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МАШИНОВЕДЕНИЯ

А . А . К ацура, А . ГГ. Семенов

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЕ

ТРЕНИЕ

ОКИСНЫХ КЕРАМИК

НА ОСНОВЕ КОРУНДА

И З Д А Т Е Л Ь С Т В О « НАУКА»

МОСКВА

1974

Высокотемпературное трение окпсиых керамик на основе корунда. К а ц у р а А. А., С е м е и о в А. П. Изд-по «Наука», 1974, 1—120.

В книге освещены результаты исследования трения окиспых керампк иа основе корунда (с различным содержанием окиси маг­ ния) при высоких температурах (до 1500° С) в вакууме п на воздухе, а также шпинели и чистой окиси магния. Полученные данные со­ поставлены с данными об изменении механических свойств кера­ мик (твердости по Виккерсу) при повышении температуры. Приве­ дены результаты исследования трения корундовой керамики по металлам VI А, VII А, VIII п I В групп периодической системы эле­ ментов. Показана связь поведения при трении со сродством метал­ лов к кислороду. Описаны эксперименты по трению графитового материала но корундовой керамике, позволившие обнаружить эф­ фект трибохимического снижения трепня в вакууме.

Издание рассчитано на исследователей и практиков материало­ ведов, конструкторов, машиностроителей, технологов научных ор­ ганизаций и промышленных предприятий.

Иллюстраций 45, бпблпогр. 133 назв.

Ответственные редакторы

профессор доктор технических паук

М. М. ХРУЩОБ

доктор технических наук

Р. М. МАТВЕЕВСКИЙ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Для современного этапа развития техники характерна значительная интенсификация рабочих процессов, опре­ деляющаяся более высокой степенью потребления энер­ гии, резким увеличением скоростей движения, ростом рабочих температур и давлений. Успешное развитие .ряда областей новой техники в большой степени связано с проб­ лемой исследования, разработки и внедрения новых жаро­ прочных и износостойких материалов.

Материалы, предназначенные для работы в условиях высоких температур, должны обладать определенным комплексом механических и физико-химических свойств. Возможность использовапия материала при заданных температурных условиях прежде всего определяется тем­ пературой его плавления, хотя этот параметр далеко не всегда является решающим (часто при температурах зна­ чительно ниже температуры плавления свойства материа­ ла ухудшаются до такой степени, что использование его становится невозможным). При высоких температурах важное значение приобретают возможные полиморфные превращения. Переход из одной кристаллической моди­ фикации в другую может сопровождаться большим изме­ нением объема, что часто служит причиной повреждения и разрушения материала. Кроме того, как было показано, например, для кобальта [1, 2], полиморфные превраще­ ния оказывают существенное влияние на поведение ма­ териалов при трении.

Матерцалы для подшипников и других деталей, рабо­ тающих с трением при высоких температурах, должны обладать высокой температурой плавления, стабильно­ стью кристаллического строения (отсутствием полиморф­ ных превращений) в диапазоне рабочих температур, пиз-

5

ним коэффициентом термического расширения, высокими механическими свойствами, малой химической актив­ ностью .

Предъявляемые требования в ряде случаев ограничи­ вают возможность применения при высоких температурах металлических материалов. В связи с этим все большее внимание привлекают неметаллические материалы [3]. Перспективны для работы в условиях высоких температур тугоплавкие окислы, в частности: А120 3, MgO, ВеО, ТЮ2, Zr02, Th02, U02, Се02. Значительная часть их обладает высокой механической прочностью, химической и терми­ ческой устойчивостью (особенно при значительных коле­ баниях температуры и давлений), высоким сопротивле­ нием ползучести [4—5].

Наиболее изучена керамика на основе окиси алюми­ ния. Оиа представляет собой полнкристаллический мате­ риал, изготовленный холодным прессованием с последую­ щим обжигом пли горячим прессованием. Для получения керамики используется педпфицитное дешевое сырье. Со­ временная технология керамического производства обеспе­ чивает получепне изделии сложного профиля в пределах допусков 4—5 класса точности.

Дальнейшее совершенствование технологии изготов­ ления, а также химического состава керамики путем вве­ дения различных модифицирующих добавок позволит создавать иа основе окиси алюминия керамические мате­ риалы, обладающие необходимым комплексом свойств.

Корундовая керамика, модифицированная небольши­ ми добавками окиси магния, известна в промышленности как корундовый микролит или мииералокерамика ЦМ-332. Длительное время керамика ЦМ-332 применялась в ос­ новном в качестве материала для изготовления минерало­ керамических пластин режущего инструмента. В послед­ нее время корундовая керамика нашла применение в ма­ шиностроении в качестве конструкционного материала для изготовления ряда деталей, а благодаря высокой твердо­ сти — широко применяется в деталях, подвергающихся абразивному износу. В настоящее время корундовая ке­ рамика используется в нефтяном машиностроении (смен­ ные насадки гидромониторных долот, горловины к насо­ сам, штуцеры фоитаииой арматуры), текстильной промыш­ ленности (нитеводители для машин канатного ги текстиль­ ного производства), приборостроении (опоры гироскопов,

6

1цупы дефектоскопов) и других отраслях мапшностроенпй (сопла пескоструйных аппаратов, втулки для опрессовки сварочных электродов, калибры), а также для работы в условиях высоких температур и агрессивных сред [6].

Для применения окисной керамики в качестве конст­ рукционного материала необходимо иметь ее характери­ стики трения и износа. Конструктор, считающий целесо­ образным применить керамику, в настоящее время почти не имеет сведений об ожидаемых величинах коэффициен­ та трения при трении в одиоимеииом сочетании и в паре с другими материалами. Температурные зависимости ко­ эффициента трения, адгезионное взаимодействие матери­ алов и их износостойкость, а также влияние на эти свой­ ства окружающей среды в условиях высоких температур имеют для успешной работы сопряжения огромное значе­ ние. Материалы, даже обладающие достаточно высокими физико-механическими свойствами, для подвижных сопря­ жений без предварительного изучения их поведения при трении не могут быть использованы.

В связи с этим нами были предприняты исследования трения тугоплавких окислов при высоких температурах. В качестве объекта испытаний выбраны чистая окись алю­ миния (А130 3), окись алюминия, легированная небольши­ ми добавками окиси магния (0,6; 1,0 и 3,0% MgO), чистая окись магния (MgO) и шпинель (MgAl20 4), изготовленные холодным прессованием с последующим обжигом. Взятые для исследования окислы-в значительной мере удовлетво­ ряют приведенным выше требованиям и в настоящее вре­ мя являются наиболее пригодными для использования в узлах трения при высоких температурах. Для проведе­ ния испытаний были созданы две установки и разработана методика, позволившие исследовать трение одноименных окисных образцов в вакууме (10-4^ 1 0 -5 тор) и иа возду­ хе в интервале температур от комнатной до 1500° С, а так­ же трение корундовой керамики в сочетаппи с чистыми металлами (W, Re, Pfc, Со, Ag) и графитовым материалом-

ввакууме в том же интервале температур.

Врезультате исследований получены температурные зависимости коэффициента трения испытанных сочетаний материалов, определено влияние качества поверхностей трения и способа их подготовки на характер фрикцион­ ного взаимодействия и намечены путп снижения трения при высоких температурах. Кроме того, выполненные из-

7

Г ла в а I

ОБЗОР ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ, ПОСВЯЩЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЮ ТРЕНИЯ И ТВЕРДОСТИ ОКИСНЫХ КЕРАМИК

ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

1. Трение тугоплавких окислов

Идея использования тугоплавких окислов в технике в качестве конструкционных материалов не является но­ вой. Хорошо известны рубиновые подшипники часовых механизмов и приборов, отличающиеся высокой надеж­ ностью и долговечностью [7]. Однако начало целенаправ­ ленных исследований тугоплавких окислов как перспек­ тивных конструкционных материалов относится к срав­ нительно недавнему времени, когда возникла необходимость изыскания новых материалов для работы при высо­ ких температурах в вакууме, в воздушной среде и агрессив­ ных средах. Появились публикации, посвященные -изу­ чению качественных н количественных характеристик тре­ ния и износа некоторых тугоплавких окислов в виде моно- и поликристаллов как в однопменном сочетании, так и в сочетании с другими материалами.

Цели исследования различны. Часть из них посвящена изучению природы и механизма трения окислов как оп­ ределенного типа материалов; другие же направлены на решение инженерных задач по подобору материалов для использования в узлах трения, работающих в экстремаль­ ных условиях.

Трение монокристаллов окислов. Окислы, хотя и об­ ладают достаточно высокой прочностью, обычно хрупкие и разрушаются с незначительным пластическим течением. Пластическое деформирование таких материалов возмож­ но только прп высоких температурах илп же при действии

стей многие хрупкие материалы претерпевают пластиче­ скую деформацию разной степени [11—15].

9

Кинг и Тейбор [13], например, исследуя трение камен­ ной соли и сапфира, установили, что коэффициент трения при скольжении полусферического ползуна практически не зависит от нагрузки, а давление в контакте постоянно и равно р = SW/nd2, где W — нагрузка, d — ширина до­ рожки трения. Эти результаты показывают, что деформа­ ция в контакте была в основном пластической. Об этом свидетельствует и характер повреждения поверхности — ярко выраженная канавка, хотя по краям ее имелись трещины п сколы, типичные для хрупкого разрушения.

Вычисленное на основании измеренных силы трения и ширпнът канавки сопротивление срезу на поверхности треппя s = F/A (F — сила трения, А — площадь кон­ такта) сравнимо с сопротивлением срезу, измеренному при всестороннем сжатии. Для сапфира найденное сопротив­ ление срезу s составило 800 кПмм2, тогда как для одно­ осного сжатия всего 34 кГ/мм2. По Бриджмену [10], сапфир начинает пластически деформироваться при приложении дополнительного гидростатического сжатия не менее 250 h-Г/мм2. Следовательно, это позволяет считать, что материал иа поверхности трения подвергается деформи­ рованию при действии значительного по величине дополпител1кого всестороннего сжатия.

] !ластическая деформация поверхности трения наблю­ далась также прп трении монокристаллов окиси магния

[16—18] и рутила [19].

Для монокристаллов тугоплавких окислов характерна зависимость трения от кристаллографических плоскостей, по которым происходит скольжение, и иаправлеипя сколь­ жения. Боудеп, Брукпс и Хенвелл [16], исследуя моно­ кристаллы окиси магния, пришли к заключению, что от­ ветственной за анизотропию трения является деформаци­ онная составляющая Р. Для подтверждения этого были проведены эксперименты по скольжению алмазного индеитора различной формы по плоскости монокристалла MgO. Если алмазный иидентор имел очень большой угол при вершине (^> 120°), трение было низким (/ ^ 0,2 при нагрузках от 10 до 350 Г) и не зависело от кристалло­ графического направления скольжения. Для иидеиторов с меньшими углами при вершине (120, 105, 90 и 60°) трение заметно зависело от кристаллографической ориентации и нагрузки. Ниже критической нагрузки (~ 50 Г) анизо­ тропию треиия для любого угла заострения алмазного

10