Файл: Кацура, А. А. Высокотемпературное трение окисных керамик на основе корунда.pdf

настоящее время керамический материал йа основе оки­ си алюминия. В описании опытов по трению в сопряже­ нии с металлами эта керамика далее будет условно назы­ ваться «окись алюминия». В контакте с керамикой были испытаны вольфрам, рений, платина, кобальт и серебро. Выбранные металлы принадлежат к различным группам периодической системы элементов Д. И. Менделеева и очень сильно отличаются по своим физико-механическим

ками (W—ОЦК, Re—ГПУ). К 6-му периоду относится так­ же и платина, имеющая ГЦК решетку. Кобальт имеет низ­ кие значения коэффициента трения в одноименном сочета­ нии (0,3 — в вакууме) до температуры начала полиморфно­ го превращения из гексагональной структуры в кубическую гранецентрированную. Эти металлы позволяют прос­ ледить влияние на трение кристаллического строения металлов.

С другой стороны, платина и серебро — благо­ родные металлы, обладающие весьма малым сродством к кислороду и практически не вступающие при нагреве в химическое взаимодействие с ним, — позволяют оце­ нить роль в формировании силы трения соединений по­ верхностей через кислородные мостики.

Испытания на трение разноименных сочетаний оки­ сел — металл проводились в вакууме по принятой методике до температуры, определяемой в каждом сочетании с уче­ том температур плавления металла (но не выше 1500° С).

Трение сочетания образцов окись алюминия — воль­ фрам. Трение окиси алюминия в сопряжении с вольфрамом исследовали при температурах до 1500° С. Результаты испытаний в виде температурных зависимостей коэффи­ циента трения приведены на рис. 31, а жб (тонкой линией показана зависимость для одноименных образцов W).

трения снижается до ~ 0,5. Дальнейший нагрев изменяет ход зависимости — коэффициент трения начинает по­ вышаться. Однако повышение незначительное (до 0,6), и при 1200° С снова наблюдается снижение коэффициента трения. При 1500° С его значение ие превышает 0,3. При

75

испытаниях в режиме охлаждения (рис, 31, 6) зависи­ мость повторяется с небольшим запаздыванием (харак­ терные точки сдвинуты в область более низких темпера­ тур приблизительно на 100°). Впуск воздуха после испы­ таний в вакууме приводил к повышению коэффициента трения от 0,68 (длявакуума) до 0,77 (для воздуха).

Поверхность трения окисного образца после испыта­ ний была покрыта пленкой перенесенного металла. Об­ разец из вольфрама имел блестящую дорожку трения с

Данных о поведении рения при трении опубликовано мало. Можно лишь упомянуть о работах, в которых при­ ведены для комнатной температуры значения коэффициен­ та трения одноименных образцов рения на воздухе [108] и в высоком вакууме при трении по стали [101] и по сап­ фиру [28]. Какие-либо публикации о трении рения при высоких температурах (кроме нашей [109]) нам неиз­ вестны.

В связи с этим вначале были проведены испытания па трение в вакууме при температурах до 1400° С одноимен­ ных образцов рения. Температурная зависимость коэф­ фициента трения для одноименных образцов рения пока­ зана на рис. 32, а тонкой линией. После этого верхний образец рения был испытан в паре с окисью алюминия.

Испытания на трение окиси алюминия в сочетании с рением проводили при температурах до 1500° С. Перед испытаниями в вакууме образцы в течение 10 мин ис­ пытывали на воздухе. Коэффициент трения при этом был равен ~ 0,21. Испытания в вакууме проводили в режимах нагрева и охлаждения после предварительного прокаливания образцов.

Коэффициент трения сочетания А120 3 — Re при комнатной температуре (начало испытаний) в вакууме равен 0,67. В результате нагрева до температуры порядка 300—400° С коэффициент трения изменяется незначи­ тельно (слегка снижается). Выше 400° С происходит за­ метное снижение коэффициента трения, и при 1100° С его величина составляет ~ 0,25. Дальнейшее повышение температуры приводит к некоторому увеличению коэф­ фициента трения (при 1300° С f ^ 0,38). Однако при еще более высокой температуре коэффициент трения снова снижается и при 1500° С равен ~ 0,23.

76

а

Pitc. 31. Треипе сочетания A1,03 — W в вакууме

а — нагрев; б — охлаждение

Рис. 32. Трение сочетания А120 3 — Re в вакууме

а — нагрев; 5 — охлаждение

Характер зависимости, полученной при охлаждении (рис. 32, б), тот же, что и при нагреве, хотя «горб» на кривой в интервале температур 1400—1200° С выражен менее ярко.

После завершения испытаний поверхность трения об­ разца рения была гладкой и блестящей, а на сопряжен­ ной поверхности окнсного образца видны следы перене­ сенного металла.

Трение сочетания образцов окись алюминия — плати­

уме 10"5 тор при этой же температуре трение было ниже (0,29). При нагреве (испытания проводились до 1000° С) коэффициент трения повышается. При этом температур­ ные зависимости коэффициента трения, полученные при разных испытаниях, отличаются по характеру. Если на­ грев осуществлялся от комнатной температуры (1-е и 3-е испытания), то зависимость, изображенная на рис. 33, а штриховой линией, имеет перегиб. До 300° С рост коэф-

— I____________ I_____________ I___________

250 500 750 Т, °С

Рпс. 33. Тренпе сочетания А120 3 — Pt в вакууме

а — нагрев; б — охлаждение

78

фициента трения более медленный, чем в интервале тем­ ператур от 300 до 1000° С. При высоких температурах для трения исследуемого сочетания материалов характер­ ны автоколебания трения с большой амплитудой. Зна­ чение среднего коэффициента трения достигает 0,9.

В режиме охлаждения (рис. 33, б) значительные коле­

начинается последующее испытание в режиме нагрева (охлаждения до комнатной температуры не производи­ лось), как это имело место во 2, 4 и 5-м испытаниях, то температурная зависимость коэффициента трения (сплош­ ная линия на рис. 33, а) имеет иной характер. С повы­ шением температуры коэффициент трения растет, при этом с каждым новым испытанием значения увеличива­ ются. Для режима охлаждения в этих случаях результа­ ты совпадают с полученными в 1-м и 3-м испытаниях.

После завершения испытаний поверхность трения пла­ тинового образца была сильно повреждена, а поверхность образца из окиси алюминия покрыта непрочно держа­ щимся слоем металла, легко стирающимся при протирке поверхности образца тканью.

Трение сочетания образцов окись алюминия — ко­ бальт. Испытания на трение сочетания окись алюминия — кобальт проводились в интервале температур от комнат­ ной до 1000° С. Результаты испытаний сочетания в виде температурных зависимостей коэффициента трения пока­ заны на рис. 34. (Тонкой линией на рис. 34, а показана зависимость для одноименных образцов Со). В интер­ вале температур от комнатной до 400° С (см. рис. 34, а) трение низкое (коэффициент трения не превышал 0,3). При нагреве выше 400°, т. е. выше полиморфного пре­ вращения ОЦК решетки кобальта в ГП, трение начинает быстро расти, достигая максимума при 550° С (/ да 1,05). Затем коэффициент трения также быстро снижается (до / » 0,46 при 600° С). С дальнейшим повышением темпе­ ратуры он продолжает снижаться и при 1000° С составляет 0,26. В режиме охлаящения (рис. 34, б) коэффициент трения до 800° Состается низким (0,26—0,32). Повышение трения в интервале температур 800—400° идет медлен­ нее, чем снижение при нагреве, поэтому «горб» на зави­ симости для охлаждения более растянут. Низкое значе-

79

кие коэффицпепта трения (0,3) достигается только после охлаждения до 200° С.

Поверхность трения окксного образца после всего цикла испытаний была покрыта частицами перенесенного

а — нагрев, б — охлаждение

металла (кобальта). Поверхность трення образца из ко­ бальта была светлой, на ней видны концентрические ца­ рапины.

Трение сочетания образцов окись алюминия — сере­ бро. Испытания на трение сочетания окись алюминия — серебро проводили в вакууме 10-5 тор при температурах до 800° С. При первом испытании в режиме нагрева (об­ разцы предварительно в вакууме не прогревались), про­ водившемся лишь до 500° С, коэффициент трения снижал­ ся от 0,55 (при комнатной температуре) до 0,35 (рис. 35, а). Испытание в режиме охлаждения привело к еще боль­ шему снижению коэффициента трения (рис. 35, б), вели­ чина которого при 200° С составила 0,24. На рис. 35, а температурная зависимость коэффициента трения, полу­ ченная при первом испытании в режиме нагрева, показа­ на штриховой линией.

Последующие испытания проводили без перерыва, в режимах нагрева и охлаящения от 100 до 800° С. В этих испытаниях при нагреве до 300° коэффициент трения поч­ ти не изменялся. В интервале температур от 300 до 800 наблюдался незначительный рост трения (при 800° / » 0,4).

80

довой керамики по различным металлам в вакууме также характеризуется высокими значениями коэффициента трения. В процессе трения в вакууме окисиой керамики по

следующем трение определяется свойствами сопряженного с окислом материала (трение разноименных материалов переходит в трение одноименных).

Таким образом, для того чтобы получить низкое тре­ ние сопряжения с участием окисной керамики, необхо­ димо в контакте с ней применять самосмазывающийся материал. Такой антифрикционный материал может так­ же применяться в виде поверхностных покрытий либо вводиться в конструкционный материал в виде мелко­ дисперсной фазы, или, наконец, в виде вставок в поверх­ ности трения. Одним из потенциальных твердых смазоч­ ных материалов для высоких температур является гра­ фит. Известны высокие антифрикционные свойства гра­ фитовых материалов при трении на воздухе [110]. В ва­ кууме после предварительного «очищения» прокалива­ нием графитовые материалы обеспечивают низкое трение лишь при высоких температурах; в диапазоне же невы­ соких температур они обладают неудовлетворительными антифрикционными свойствами [111, 112]. Подобная кар­ тина характерна как для трения одноименных графитовых образцов, так и для трения графита по металлам и туго­ плавким металлоподобным соединениям (тонкая пленка графита обычно переносится на сопряженную поверх­ ность). Высокое трение объясняют отсутствием адсорби­ рованных слоев, обеспечивающих легкое скольжение по плоскости базиса.

Предположительно трение графитового материала в вакууме может быть снижено, если сопряженный с ним материал будет непрерывно поставлять атомы или моле­ кулы, способные хотя бы кратковременно адсорбироваться графитом и снижать коэффициент трения. Такое дейст­ вие следует ожидать в первую очередь от кислорода, как известно, весьма сильно снижающего величину коэффи­ циента трения и темп износа графитовых материалов. Пос­ тавщиком кислорода могут быть окислы, восстанавливаю­ щиеся углеродом. Для успешной работы сопряжения окислы должны быть достаточно стабильными и вступать

82