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

MgO (~ 2340 кГ/мм2 при комнатной температуре). Од­ нако при высоких температурах различия между кера­ миками, содержащими разное количество легирующего компонента, практически не наблюдается (для всех кера­ мик при 950° С твердость ~ 600 кГ/мм2).

Температурные зависимости твердости для окиси маг­ ния и шпинели (MgAl20 4) показаны на рис. 40, д, е.

Твердость окиси магния значительно ниже твердости окиси алюминия и до 950° Св полулогарифмической системе координат имеет прямолинейную зависимость. При нагре­ ве до 950° С твердость снижается от ~560 до ~240 кГ/мм2. Для окиси магния характерны большая стабильность получаемых величин твердости и меньшее растрескива­ ние материала вокруг отпечатка.

Температурная зависимость твердости шпинели, как и окиси магния, до 950° С перегиба не имеет. Снижение твердости шпинели при нагреве происходит медленнее, чем простых окислов (А120 3 и MgO). При нагреве до 950° твердость шпинели изменяется от ~ 1030 до 700 кГ/мм2. Следует отметить, что в связи со значительной пористо­ стью образцов из шпинели полученные значения твердо­ сти для каждой температуры имели большие отклонения от средних значений.

Испытанные материалы по характеру изменения твер­ дости с температурой (до 950°) разделились на две группы. Кривые температурных зависимостей логарифма твердости корундовых керамик в испытанном интервале температур

об изменении механизма деформации — переходе от внутрикристаллитного скольжения при низких температурах к вязкому течению по границам зерен при высоких тем­ пературах. Переход одного вида деформации в другой сопровождается изменением угла наклона кривой темпера­ турной зависимости твердости. Температура этого перехода для большинства металлов близка ~ 0,4 абсолютной тем­ пературы плавления (Тпл).

Измерения высокотемпературной кратковременной прочности поликристаллических окислов [85] показали, что существует критическая температура, при которой транскристаллический характер излома меняется на меж­ кристаллический. Для многих окислов, в том числе окиси алюминия, эта температура соответствует 0,55 Тап.

91

Г л а в а IV

о б с у ж д е н и е Ре з у л ь т а т о в и с с л е д о в а н и й

1.Трение одноименных окислов

ввакууме и на воздухе

Созданные экспериментальные установки и разрабо­ танные методики позволили провести исследования тре­ ния поликрпсталлических окисных керамик при темпе­ ратурах до 1500°С в вакууме (10-1 — 10~5 тор) и на воз­ духе, в результате которых получены температурные за­ висимости коэффициента трения.

Полученные температурные зависимости коэффициен­ та трения и дополнительные исследования (измерение горячей твердости, исследование состояния поверхностей после трения при различных температурах) дали возмож­ ность выявить основные факторы, определяющие процесс трения в этих условиях, и предположить следующий ме­ ханизм трения.

В соответствии с молекулярно-механической теорией трения [32, 113] коэффициент трения определяется адге­ зионным и деформационным взаимодействиями. Соотно­ шение адгезионной и деформационной составляющих за­ висит от свойств материалов и условий трения. При тре­ нии поликристаллических окислов на это соотношение существенное влияние оказывают шероховатость трущих­ ся поверхностей и наличие между ними частиц износа. С точки зрения влияния этих параметров поверхностей на процесс трения может быть объяснено отличие характера температурных зависимостей коэффициента трения, полу­ ченных для исходных (первое испытание) и поврежден­ ных в результате трения поверхностей (последующие ис­ пытания) корундовых керамик.

При трении гладких поверхностей в исходном состоя­ нии контакт между небольшими по высоте микронеров­ ностями (высота микронеровностей не более 0,15 л{аш) про­

94

исходит по их сглаженным вершинам, имеющим большой радиус закругления. Деформация неровностей в этом случае носит главным образом упругий характер, и ме­ ханическая составляющая трения вследствие этого срав­ нительно невелика. Основным фактором, определяющий! трение таких поверхностей в вакууме, является их адге­ зия (межмолекулярпое взаимодействие). При достиже­ нии температуры начала термически активируемого ад­ гезионного взаимодействия или схватывания (для окиси алюминия эта температура составляет 1200—1250° С [114]) трение сильно возрастает. Вследствие образования проч­ ных соединений происходит «первичное» повреждение поверхностей. Появившиеся частицы износа царапают поверхности, увеличивая повреждения и порождая но­ вые частицы износа. Характер взаимодействия поверхнос­ тей трения изменяется. Между ними скапливаются порош­ кообразные частицы износа, играющие роль «третьего тела». В последующем скольжение трущихся поверхно­ стей друг по другу происходит с обязательным участием этой порошкообразной прослойки и в значительной мере определяется ее поведением.

Испытания образцов, отличающихся по способу под­ готовки поверхностей трения, подтверждают высказан­ ное выше предположение о влиянии на процесс трения шероховатости поверхностей и роли образующейся между ними прослойки частиц износа. При трении гладких, но не прокаленных на воздухе образцов (внедрившиеся частицы алмаза не удалялись) сразу же происходило бы­ строе повреждение поверхностей с накапливанием частиц износа. В результате зависимости, характерной для пер­ вого испытания «очищенных» от абразива гладких поверх­ ностей, не получалось. Та же картина наблюдалась и при испытании заведомо шероховатых исходных поверхностей, хотя в этом случае и производилось прокаливание образ­ цов на воздухе и в вакууме (внедрившиеся в поверхность частицы абразива удалялись). Вершины микронеровно­ стей в процессе трения зацеплялись друг за друга и раз­ рушались с образованием частиц износа. Переход к тре­ нию с прослойкой мелкодисперсных частиц, таким обра­ зом, форсировался.

Исследование поверхностей трения подтверждает ре­ альность нарисованной выше картины. Методом скани­ рующей электронной микроскопии были получены ми-

95

алюминия (см. рис. 18) и ударной прочности, приведен­ ной на рис. 43 [116]. Проведенные нами измерения горя­ чей твердости испытанных керамик также показали, что изменение коэффициента трения от температуры связано

Рис. 43. Влияние температуры на ударную прочность А120 3

иMgО [116]

сизменением характера деформирования материала. При невысоких температурах работа трения, затрачиваемая главным образом па передеформироваине прослойки, в силу высокой прочности и твердости материалов велика (коэффициент трения > 1,0). G ростом температуры твер­ дость снижается. Перегиб иа кривой температурной

зависимости твердости свидетельствует об изменении характера деформационных процессов. Аналогичен перегиб в том же интервале температур и на кривой за­ висимости коэффициента трения от температуры (трепне начинает быстро снижаться). Одна из причин этого — снижение механических свойств материала- и, как след­ ствие, уменьшение работы, затрачиваемой на передеформироваиие прослойки. Кроме того, образование «сфери­ ческих» частиц между поверхностями также может спо­ собствовать снижению трения. В области высоких тем­ ператур рост коэффициента трения, связанный с усилением термически активируемой адгезии, что характерно для металлов и металлоподобных соединений, при трении ко­ рундовых керамик не происходит, так как образовавшая­ ся прослойка мелкодисперсных частиц препятствует кон­ тактированию самих поверхностей. Роль термически акти­ вируемой адгезии сводится лишь к замедлению снижения коэффициента трения вследствие, образования «мостиков» между частицами износа. '

Модифицирование окиси алюминия окисыо магния, которое повышает прочностные свойства керамики 180, 117, 118], приводит к росту значений коэффициента тре­ ния. Температурные зависимости, полученные для испы­ танных корундовых керамик с добавкой 0,6; 1,0 и 3,0 вес.% MgO, по характеру ие отличаются от полученных для чистой окиси алюминия. Изменение содержания ле­ гирующего компонента лишь вызывало изменение но­ минальных значений коэффициента трения. Самые вы­ сокие значения коэффициента трения были получены для образцов окиси алюминия с 1,0% MgO. Износ этой кера­ мики был наименьшим, что в свете представлений о пере­ мещении н передеформнровашш в процессе трения про­ слойки порошкообразных продуктов износа является зако­ номерным (керамика с 1,0% окиси магния имеет самую высокую твердость).

Получепные сравнительные данные по износу окнсных керамик показывают, что повышение твердости, не­ смотря па увеличение значений коэффициента трения, приводит к снижению темпа износа, т. е. повышению и з ­

но состойкости.

Вбольшинстве известных нам исследований трепне окислов (главным образом сапфира) рассматривалось вне зависимости от исходной мнкрогеометрин поверхностей. Это обусловлено тем, что в этих, как правило, кратковре­ менных исследованиях применялась «пальчиковая» схема испытания с коэффициентом взаимного перекрытия, близ­ ким пулю. Исходная высота мпкроперовпостей при такой

схеме испытания из-за высоких удельных нагрузок в контакте на величину трения оказывает малое влияние. Одиако при примепеннп торцовой схемы испытания с коэффициентом перекрытия, равным единице, зависимость коэффициента трения от исходной шероховатости поверх­ ностей наблюдалась [119] при исследовании трения гор­ ных пород (кварца, полевого шпата, оливина). Для более грубых поверхностей значения коэффициентов трения значительно выше, чем для гладких, и заметно зависят от прочностных свойств материала (для более твердого материала коэффициенты трения выше).

Температурные зависимости коэффициента трения чистой поликристаллической окиси алюмипия в вакууме в интервале температур от компатпой до 1500° С (кроме полученных нами) нам неизвестны. Одиако если исходить

98

из предположения Бакли [28] о том, что коэффициенты трепия полпкристаллических образцов должны харак­ теризоваться ' промежуточными значениями коэффициен­ тов треиия, наблюдаемых при скольжении монокристал­ лов по плоскостям различной ориентации (базиса и приз­ мы), то полученные нами зависимости можно сравнить с данными Риза и Вебера [30] по трению монокристаллов сапфира в вакууме до температуры 1550° С (см. рис. 1). Сравнение показывает достаточно хорошее совпадение зависимостей по характеру. Однако для трепия. сапфира были получены более высокие значения коэффициентов трения, особенно в области высоких температур. Такое отличие может быть связано с различной степенью разуп­ рочнения моно- и полпкристаллических материалов с ростом температуры. Для монокристаллов окиси алюми­ ния существенное разупрочнение происходит лишь при температурах выше 1000° С [120, 121], а для поликристалличоской корундовой керамики потеря прочности происходит при меньших температурах из-за начала сколь­ жения по границам зерен [85]. Другая возможная причина различия в значениях коэффициента трения состоит в том, что эти исследователи использовали «пальчиковую» схему испытания (трение полусферического ползуна по плоскости), при которой «деформационная составляющая» коэффициента трепия, затрачиваемая на пропахивание канавки, значительно выше, чем в применявшейся нами схеме испытания.

При трепни одноименных образцов шпинели и окиси магния для первого испытания в режиме нагрева не были получены зависимости, отличающиеся от зависимостей для последующих испытаний. Общий характер трепия этих окислов такой же, как и окиси алюминия, а пменпо: значения коэффициента трепня зависят от шероховатости и наличия частиц износа между поверхностями, а уста­ новившееся трение поврежденных поверхностей (с обра­ зовавшейся прослойкой частиц износа между ними) оп­ ределяется главным образом механическими свойствами материала. Вследствие того, что эти материалы обладают значительно меньшей прочностью, износ гладких в ис­ ходном состоянии поверхностей и образование мелкодис­ персной прослойки происходят уже после непродолжи­ тельного трения при комнатной температуре. Коэффи­ циент трения при этом значительно возрастает. Темпера-

Рис. 44. Зависимость коэффициента адгезии от температуры дли одпопмеппых окисло» 1114]

1 — MgO; 2 — СсО.; 3 — А Ь 0 3

турпан зависимость коэффициента трешш окиси магния, так же, как и окиси алюминия, подобна зависимости ударной прочности от температуры (см. рис. 43) [116]. Однако при температурах выше 1400° С для окиси магния начинается рост коэффициента трения, что связано с уве­ личением роли термически активируемой адгезии. Окись магния обладает более высокой способностью к адгезии, чем окись алюминия, и начало интенсивного термически активируемого адгезионного взаимодействия при контак­ тировании в статике наблюдается для нее при более низ­ ких относительных температурах (~ 0,45 ГПл) [114].

Иа рис. 44 приведена зависимость коэффициента адге­ зии одноименных окислов AL03, Се02 и MgO от темпе­ ратуры [114]. Различие в способности к адгезии этих окислов можно объяснить тем, что окись магния имеет кубическую кристаллическую решетку и по аналогии с металлами [122, 1231 должна обладать большей адгезион­ ной способностью, чем окись алюминия с гексагональной решеткой.

Температурная зависимость коэффициента трения для шпинели (см. рис. 28) является как бы промежуточной между зависимостями для корундовой и магнезитовой керамик. Вначале с повышением температуры коэффициент трения незначительно снижается, а затем при темпера­ турах выше 900° С растет, что связано с проявлением тер­ мически активируемой адгезии. Однако при температурах выше 1100° С коэффициент трения снова снижается. Такое явление можно объяснить тем, что при высоких темпера­ турах в вакууме происходит разложение шпинели [81],

100