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

испарение MgO и вследствие этого обогащение поверх­ ностей окисью алюминия. Это должно приводить к сни­ жению адгезионного взаимодействия и характерному для окиси алюминия снижению коэффициента треиия. При начавшемся после достижения максимальной температуры охлаждении коэффициент трепня некоторое время еще продолжает снижаться, что обусловлено продолжающим­ ся процессом разложения шпинели. В результате тем­ пературная зависимость для режима охлаждения суще­ ственно отличается от полученной при нагреве.

Для окиси магния и шпинели также соблюдается корре­ ляция между изменениями в зависимости от температуры

В результате исследований было установлено, что ке­ рамики с большей твердостью обладают более высокими коэффициентами трения, а интенсивность снижения тре­ пня с нагревом соответствует изменению горячей твер­ дости. В связи с этим была предпринята попытка найти зависимость между коэффициентом трения п твердостью для испытаний в интервале температур от 200 до 1000°С (температуры до 200° С были исключены вводу возможного влияния па величину коэффициента трепня адсорбиро­ ванных пленок; значения твердости при 1000°С получены экстраполяцией). При построении зависимостей коэффи­ циента треиия от твердости в расчет приппмались средние арифметические значения коэффициентов треиия, полу­ ченных в режимах нагрева и охлаждения. Такое усред­ нение возагожно. так как в испытанных керамиках при нагреве до 1000°С никаких качественных изменений материала (полиморфные превращения, рекристаллиза­ ция и т. д.) не происходит.

На рис. 45 показаны полученные для корундовых ке­ рамик окиси магния и шпинели зависимости между коэф­ фициентом треиия и твердостью при изменении темпе­ ратуры от 200° С до 1000° С. Зависимости обработаны методом иаидгеньших квадратов в предположении линей­

101

Рис. 45. Зависимость коэффициента трении от твердости окнепых

вод о том, что температурные зависимости коэффициентов трения испытанных керамик в вакууме в интервале тем­ ператур от 200° С до 1000° С в значительной мере определяются изменением твердости материалов. Керами­ ки, обладающие большей твердостью, имеют более высо­ кие коэффициенты трепня. Следует еще раз подчеркнуть, что эта закономерность получена для установившегося процесса трения, при наличии между поверхностями тре­ ния прослойки мелкодисперсных частиц износа.

Температурные зависимости коэффициента трения одноименных корундовых керамик н окиси магния на воздухе по характеру ие отличаются от полученных в вакууме и определяются теми же факторами, т. е. меха­ ническими свойствами материала. Однако на воздухе коэффициент трения (особенно при невысоких темпера­ турах) в результате влияния адсорбированных пленок значительно ниже. В области высоких температур это отличие меньше, так как при таких температурах адсорб­ ция газов и паров практически не оказывает влияния, химически же в атмосфере воздуха корундовая керамика

102

мало активна. Эта особенность окисных керамик делает нх весьма перспективными для работы в условиях окисли­ тельной или переменной по окислительной способности (вакуум-воздух) среды при высоких температурах.

Температурная зависимость коэффициента трения шпи­ нели, полученная на воздухе, значительно отличается от полученной в вакууме, что, как уже указывалось выше, связано с разложенцем шпинели при высоких температу­ рах в вакууме (разложения шпинели в атмосфере воздуха не происходит). В результате при температуре начала за­ метного термически активируемого адгезионного взаи­ модействия (1200° С) происходит быстрый рост коэффи­ циента трения, а продолжение нагрева приводит к спе­ канию образцов.

2.Трение окиси алюминия

сметаллами в вакууме

Близкие по характеру температурные зависимости коэффициента трения получены для трения окиси алю­ миния в сочетании с тугоплавкими металлами — воль­ фрамом и рением. В процессе трения происходит перенос металла на поверхность окисла, и тренне осуществля­ ется между поверхностью металлического образца и плен­ кой перенесенного металла. В результате температурная зависимость сочетания окисел — металл близка зависи­ мости, характерной для одноименных образцов соответ­ ствующего металла. Однако такой ход зависимостей наб­ людается лишь до определенных температур. Эти тем­ пературы соответствуют началу быстрого роста коэффи­ циента трения одноименных образцов металла, связан­ ного с интенсивным ростом термически активируемого ад­ гезионного взаимодействия (для вольфрама 1100, для реиия 1300°С). Повышение трения при этой температуре для сочетания окисел — металл происходит лишь до уровня, характерного для одноименных образцов окисла. Дальнейшее повышение температуры изменяет ход зави­ симости, на кривой образуется «горб», и при продолжении повышения температуры коэффициент трения начинает сни­ жаться, что по характеру соответствует уже зависимости в этом интервале температур для одноименных образцов окиси алюминия. Это может быть следствием снгокения при высоких температурах прочности спеченной окиси

103

алкшинпя п шаржпроваыия металлической поверхности частицами окисла. Подобная картина наблюдалась ра­ нее при трении окиси алюминия по молибдену, а также окиси магния по кобальту [93].

При трешш сочетания окись алюминия — кобальт также происходит перенос металла на поверхность окисиого образца, и зависимость коэффициента трения до тем­ пературы 550° С соответствует зависимости для трения од­ ноименных образцов кобальта, отражая влияние поли­ морфного превращения кобальта из Г11 кристаллической модификации в ГЦК (быстрый рост коэффициента трения при температуре полиморфного превращения). Однако, как и в случае уже рассмотренных выше металлов, макси­ мальная величина коэффициента трения не превышает значения, характерного для окиси алюминия при ~ 550°. Выше этой температуры (в интервале от 600 до 1000°) наблюдается снижение коэффициента трения, более рез­ кое, чем для одноименных образцов окиси алюминия. Таким образом, зависимость приобретает вид, отличаю­ щийся от зависимостей для одноименных образцов как кобальта, так и окиси алюминия. В этом температурном интервале трение определяется именно процессами, про­ исходящими на поверхности контакта металла с окислом. Можно также предположить, что на поверхности кобальта (основного металла и перенесенного) образуется тонкий слой окисла за счет кислорода, растворенного в твердом кобальте. (Переход а-Со в [З-Со должен сопровождаться выделением растворенного кислорода, так как по данным М. П. Славпнского [77] растворимость кислорода в. (3-лго- дпфикацпп резко уменьшается.) При этом будет проис­ ходить трение окислов кобальта. В пользу высказанного предположения говорит также то, что зависимость в интервале температур от 600 до 1000° С приближается к зависимости, характерной для трения одноименных об­ разцов кобальта в окислительной среде [126]. В соответ­ ствии с этой зависимостью после первоначального подъе­ ма коэффициент трения кобальта при 1000—1200° С сни­ жается (вследствие образования окислов) до ~ 0,4.

Для благородных металлов (Pt, Ag), не образующих стабильных окислов, при трении по окиси алюминия по­ лучены значительно более низкие значения коэффициен­ тов трения, чем для этих же металлов в одноименном сочетании. В этом случае также наблюдается перенос

104

металла на поверхность окисла. Однако этот перенос осу­ ществлялся главным образом за спет механического зацепления и намазывания пластичного металла на шеро­ ховатую поверхность окисла.. Адгезия благородных металлов к окислу, благодаря их малому сродству к кисло­ роду, слабая (отсутствует возможность образования сое­ динении через «кислородные мостины»). Низкие значения коэффициента трения в вакууме были получены также Бакли прп трении по сапфиру золота и серебра [28].

Отличие температурных зависимостей коэффициента трения, полученных для платины при разных испытаниях (рнс. 33,а), связано, по-видимому, с изменением свойств металла в процессе трения при нагреве. При комнатной температуре, при которой степень адгезин платины к оки­ си алюминия мала, а металл находится в результате пред­ варительной обработки и самого процесса трения в нак­ лепанном состоянии, трение было ниже, чем при после­ дующих испытаниях в интервале температур от 200 до 1000°, когда отожженная платина намазывалась на по­ верхность окисла. С ростом температуры адгезия пла­ тины к А120 3 возрастает, что приводит к повышению коэффициента трения. Однако даже при 1000° С значение его не превышает 0,9, тогда как для отожженных образ­ цов платины в одноименном сочетании, даже прп комнат­ ной температуре, / превышает 1,5 [32], а при высоких температурах в вакууме неминуемо сваривание образ­ цов. В процессе охлаждения до 500° снижения трения не происходит. Ниже этой температуры, которая соответ­ ствует температуре рекристаллизации сильно дефор­

характер взаимодействия тот же, что н при трении пла­ тины. Отличие в этом случае результатов первого испы­ тания в режиме нагрева от последующих свидетельствует, по-видимому, о наличии на поверхности серебра пленки окисла или сульфида. В процессе нагрева до 500° С про­ исходит очищение поверхности вследствие термического разложения пленки [1271, в результате чего коэффициент трения снижается. В дальнейшем взаимодействие окиси алюминия с серебром в интервале температур от комнат­ ной до 800° С подобно поведению сочетания А120 3 — Pt. Однако значения коэффициента трения для серебра зна-

5 А. А. Кацура, А. П. Семёнов Щ5

чптельно ниже, что, по-видимому, связано с его более низ­ кими механическими свойствами.

Таким образом, трение в вакууме сочетания окисел — металл определяется адгезионным взаимодействием и со­ отношением механических свойств материалов. В качестве косвенного показателя роли адгезии при трении может служить работа адгезии жидкого металла к окислу или энергия ' образования окисла испытываемого металла. В работе [128] приводятся данные о работе адгезии неко­ торых металлов и окиси алюминия. Из испытанных нами металлов наибольшей работой адгезии обладает вольфрам (1370 эрг/см2), а наименьшей — серебро (175 эрг/см2)', в этой же последовательности располагается и энергия образования окислов этих металлов. Значения коэффи­ циентов трения находятся в соответствии с этими данны­ ми, с учетом, конечно, того, что трение окиси алюминия по металлам, обладающим кубической кристаллической структурой, выше чем по гексагональным металлам.

В результате можно сделать следующие выводы. При трении сопряжения окись алюминия — металл происходит перенос металла на поверхность окисла. Если сопряжен­ ный с окислом металл образует устойчивые окислы, а следовательно, характеризуется высоким значением ра­ боты адгезии к окислу, то трение сопряжения будет оп­ ределяться перенесенной пленкой металла. Зависимость коэффициента трения до определенной температуры (близ­ кой температуре начала быстрого роста трения при испы­ тании одноименных металлов) соответствует зависимости, характерной для одноименных образцов металла, а выше этой температуры — для одноименных образцов окиси алюминия. Для благородных металлов, обладающих малым сродством к кислороду и не образующих вследствие этого прочных адгезионных соединений с окисью алюминия, тре­ ние определяется процессами на границе металл-окисел.

3.Трение окиси алюминия

сграфитовым материалом в вакууме

Сочетание графит — окисная керамика при трении в вакууме в интервале температур от 600 до 1500°С имеет очень низкие значения коэффициента трения и незначи­ тельный износ [133].

106

Снижение трения по сравнению с трением одноименных материалов как корундовых, так н графитовых вызвано химическим взаимодействием находящихся в контакте материалов. Известно, что корундовая керамика вступает

вхимическое взаимодействие с углеродом с образованием оксикарбидов и карбидов алюминия, сопровождающимся освобождением кислорода [83, 130, 131]. Температура начала химического взаимодействия по литературным данным составляет 1400—1600°С. Однако эти данные были получены при статическом контактировании. При трении скольжения в результате трибохимических процессов реакция взаимодействия углерода с окисыо алюминия может происходить при значительно более низких объем­ ных температурах. Активирующими химическое взаи­ модействие факторами являются температурные вспышки на поверхностях трения и механическая активация (нару­ шение химических связей в окисле и графите вследствие процессов деформирования и разрушения). Снижение коэффициента трения до очень низких значений при 600°С (в процессе длительных испытаний) свидетельствует о том, что химическое взаимодействие начинается в про­ цессе трения уже при столь низкой температуре.

Врезультате начавшегося химического взаимодействия

взоне контакта происходит выделение активного атомар­ ного кислорода, который, адсорбируясь поверхностью графита, должен снижать трение. Снижение трения при­ водит к уменьшению тепловыделения и, следовательно, температуры, а также снижает уровень механической активации поверхностных слоев. В результате скорость химического взаимодействия должна падать. Потеря кис­ лорода, уносимого вместе с частицами износа и «испаряю­ щегося» с поверхностей трения, приводит к повышению трения, что опять должно интенсифицировать химическое взаимодействие контактируемых материалов. Таким об­ разом, процесс «смазывания» поверхностей трения явля­ ется саморегулирующимся, поддерживающим треиие и скорость износа на достаточно низком уровне.

Для испытанного сочетания материалов низкое трение обеспечивается в температурном интервале 600—1500°С. Для получения необходимого эффекта целесообразно пер­ вый нагрев трущегося сопряжения произвести до темпера­ туры, превышающей 1000°. Однако, как показали прямые эксперименты, низкое трение достигается и_в процессе тре-