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

йидептора ие обнаруживали. Следовательно, для того чтобы анизотропия коэффициента трения проявила себя, необходимо превысить некоторую критическую степень деформации подповерхностных слоев. Анизотропия, та­ ким образом, связана с усилием, необходимым для пропа­ хивания канавки, пластического деформирования и обра­ зования трещин в поверхностных слоях кристалла.

В работах 114, 15, 19, 20], посвященных исследованию трения монокристаллов окислов, также показано, что анизотропия трения определяется главным образом дефор­ мацией, а не адгезией. Давелл, исследовавший износ сап­ фира [21 —24], рутила и шпинели 125] при скольжении по стали, установил, что величина и скорость износа моно­ кристаллов окислов зависят от ориентации и направления скольжения кристалла, а сам износ — результат пластиче­ ского деформирования, хрупкого разрушения и химиче­ ского взаимодействия поверхностей трения. Последнее происходит вследствие окисления поверхности стального образца, покрывающегося пленкой окисла железа. Этот окисел, взаимодействуя с сапфиром, дает легкоплавкую, легко удаляемую эвтектику. Скорость износа повышается, а влияние ориентации уменьшается. Химический меха­ низм износа сапфира показан также в работе 126]. Соотно­ шение между различными механизмами разрушения, кро­ ме ориентации и направления скольжения, зависит от величины нагрузки, скорости скольжения, смазки и сочета­ ния материалов.

Боуден и Хеивелл [27] исследовали характеристики трения монокристаллов окиси магния и окиси алюминия (сапфира) в условиях высокого вакуума. Полусфериче­ ский образец с большим радиусом закругления при воз- вратио-поступательном движении скользил по плоской горизонтальной поверхности. Нагрузка составляла 70 Г. Изменение вакуума от 0,2 атм до 5-10_я тор приводило к росту коэффициента трения от 0,2 до 0,8 для окиси магния и от 0,15 до 0,7 для сапфира. В проведенных экспериментах направление скольжения относительно кристаллографиче­ ских осей не имело большого значения, что объясняется использованием ползуна с большим радиусом закругле­ ния, когда трение определялось главным образом адгези­ ей между скользящими поверхностями. А отсутствие пластической деформации, которая обусловливает анизо­ тропию трения, приводит к тому, что основное влияние

11

па характеристики третшя оказывают адсорбированные пленки. Отлпчпе величины коэффициента трения сапфира при скольжении в вакууме, полученной в этих эксперимен­ тах (0,7), от результатов, приведенных в более ранней работе Боудена [11]. в которой / — 0,8—0,0, авторы объяс­ няют различием в величине нагрузки.

Зависимость коэффициента трепня от нагрузки при трении в вакууме 10~10 тор наблюдал в своих исследова­ ниях и Бакли [28]. Трение осуществляли по «пальчико­ вой» схеме — неподвижный полусферический образец (с ра­ диусом 2,4 мм) скользил по нижней поверхности вращаю­ щегося диска диаметром 63,5 мм. Скорость скольжения была 0,013 см/сек, пагрузка до 1500 Г. Исследовали образ­ цы сапфира двух ориентаций (плоскость базиса и плос­ кость призмы). Характеристики трения отличались боль­ шой анизотропией, что Бакли связывает с пластическим деформированием кристаллов прп скольжении (наличие пластической деформации определялось травлением). Сравнительно небольшие сдвиговые усилия необходимы для того, чтобы вызвать скольжение по плоскости базиса, тогда как для скольжения по плоскости призмы оии долж­ ны быть максимальны [29]. Следовательно, низкий коэф­ фициент трения, полученный для плоскости базиса кри­ сталла сапфира, по мнению Бакли, вполне объясним, если учитывать разный характер деформирования. В результа­ те Бакли делает вывод, что характеристики трепня сапфи­ ра подобны характеристикам гексагональных металлов и зависят от систем скольжения, которые действуют в про­ цессе пластической деформации.

Риз и Вебер [30, 31] исследовали трение и износ сапфи­ ра в вакууме 10_0 тор от 25 до 1550° С, а также на воздухе до 920°. Сапфировая сфера диаметром 3,2 мм скользила по гладкой сапфировой плоскости со скоростью 0,053 см/сек под нагрузкой от 22 до 230 Г. Плоские образцы были трех разных ориентаций. Получепные температурные за­ висимости коэффициента трения приведены на рис. 1. Р1аиболее высокий коэффициент трения был получен при комнатной температуре, особенно когда скольжение про­ исходило по плоскости призмы ( / « 2,0). Влияние ориен­ тации наблюдалось до 1300° С. Авторы считают, что для чистых поверхностей процесс трения при комнатной тем­ пературе сильно отличается от треиия при повышенных температурах. Значительная адгезия в контакте обуслов­

12

ливает высокий коэффициент треыия. Йз.менепие ориен­ тации плоскости, по которой происходит треппе, влияет на величину коэффициента трения. 13 диапазоне темпера­ тур от комнатной до 600° С величина / уменьшается для всех испытанных вариантов ориентаций.

Аналогичную по характеру зависимость получил Бакли [28] при трении сапфира в вакууме до 550° С. Дальней­ шее повышение температуры влияет на треппе различно

Рис. 1. Зависимость коэф­ фициента трения мопокристаллов сапфира (в вакууме) от температуры и различ­ ной ориентации (А, В, С) образцов [31]

Результаты исследования, по мнению Риза и Вебера, позволяют и к трению сапфира применить, с некоторыми дополнениями, адгезионную теорию Боудена и Тейбора [32]. Дополнение заключается в том, что для чистых по­ верхностей возможно образование соединений двух типов. При низких температурах (нпже 0,3 7’пл) адгезионные силы имеют молекулярную природу. При более высоких температурах повышение «активности систем плоскостей скольжения» приводит к объемной пластической дефор­ мации и образованию сварных соединений (в общеприня­ том смысле этого слова). Механизм трения сапфира опре­ деляет характер разрушения поверхностей. При комнат­ ной температуре образование соединений чистых поверх­ ностей приводит к увеличению трення. Роль хрупкого раз­ рушения этих соединений велика. Если пластическое деформирование неровностей и имеет место, то оно происхо­ дит в микрообъемах. Дислокации, выходящие на поверх­ ности трения, способствуют увеличению адгезии. При

13

высоких температурах происходит заметная пластическая деформация, о чем свидетельствует, в частпости, увеличе­ ние плотности дислокаций на поверхностях трения. В этом случае трение связано с плотностью дислокации и их дви­ жением (Рпз и Вебер наблюдали корреляцию между значением / и концентрацией ямок травления на поверх­ ности трения), а повреждение поверхностей происходит в результате объемной деформации, которая очень мало

о,fз

О,г

зависит от ориентации кристалла. В области промежуточ­ ных температур (600—900° С) происходят как низкотем­ пературные адгезионные процессы, так и высокотемпера­ турные процессы деформирования.

Процесс трения на воздухе при комнатной температуре определяют поверхностные пленки. С увеличением темпе­ ратуры до 600° С влияние пленок почти полностью исче­ зает. В области температур от 600 до 900° С трение, обус­ ловленное адгезией, уменьшается. На рис. 2 показано, по результатам Риза и Вебера, изменение коэффициента трения в зависимости от температуры образцов сапфира на воздухе.

Влияние температуры на трение монокристаллов окис­ лов титана (TiO и Ti20 3) исследовали Брукис и Аткинс [33]. Испытания проводили в вакууме 5-10~5 тор до 1400° С. Применялась «пальчиковая» схема трения. По­ лученная в результате температурная зависимость трения характерна для трения металлов. При повышении темпе­ ратуры до 500—600° С коэффициент трения несколько снижается, а затем начинает быстро расти. Рассматривая причины, вызывающие рост коэффициента трения с темпера­ турой, Брукис и Аткинс высказывают предположение, что увеличение адгезии и трения этих окислов связаио с дости­

14

те химического взаимодействия трущихся при высоких температурах материалов могут образовываться также легкоплавкие эвтектики, которые, размягчаясь, будут сносооствовать снижению трения подобно внесенной извне /кидкой смазке. Однако при охлаждении и затвердевании

этих соединений может начинаться интенсивное изнаши­ вание.

Авторы на основании исследования износа и характера повреждений трущихся поверхностей окисных керамик считают, что основная причина хрупкого разрушения по­ верхностных слоев керамических материалов — низкое значение отношения прочности к твердости.

Трение спеченной поликрпсталлической окиси алюми­ ния иа воздухе исследовали Болдвни и Роу [35]. В их испы­ таниях (схема узла треиия в работе не приводится) коэф­ фициент трения окиси алюминия при комнатной температу­

гладкими, без заметных повреждений. По данным Тейлора [36], коэффициент трения горячепрессованпой окиси алю­ миния (99 /о А120 3 с примесью MgO, Si02 и окислов железа) па воздухе при 800° С также имел значение ~ 0,8 (при большом разбросе экспериментальных данных). В работе Петерсона и Муррея [37] показано, что трепне поликристаллической окиси алюминия на воздухе при комнатной температуре существенно зависит от присутствия влаги иа поверхности; выше 250° С, когда испаряется влага, происходит быстрый рост коэффициента трения. На основании исследования характера повреждений поверхно­ стей при трении спеченной поликристаллической окиси алюминия Петерсон и Муррей считают, что износ керамики связан с ее зернистой структурой и пористостью. Частицы материала по краям легко откалываются и царапают глад­ кие поверхности, порождая новые абразивные частицы.

Трение одноименных образцов поликристаллической окиси алюминия в высоком вакууме исследовал Бакли [28] по той же методике, что и при исследовании треиия монокристаллов (см. стр. 12). Средний коэффициент тре­ ния для 25 С составлял ~ 0,75, что, по мнению Бакли, является приблизительно средней величиной значений / для различных ориентаций монокристалла.

16

Сопротивление износу окиспой керамики зависит от ее твердости и пористости [31,37,38]. Роу [39] изучал возможно­ сти улучшения противоизносных характеристик спеченной поликристаллической окиси алюминия применительно к ис­ пользованию в газовых подшипниках. Были исследованы следующие методы улучшения материала: а) термообра­ ботка поликристаллической окиси алюминия; б) обра­ ботка нейтронным облучением; в) покрытие золотом; г) хи­ мическое осаждение окиси алюминия из газовой фазы. Исходя из того, что прочность моно- и полнкристаллпческой окиси алюминия, как показано в работе [40], в ре­ зультате полировки и последующего отжига повышается и понижается тенденция к образованию трещин па грани­ цах зерен, было сделано предположение, что термообра­ ботка должна повышать износостойкость окпсной керами­ ки. Однако опыты Роу показали, что хотя термообработка и привела к повышению твердости образцов, увеличения времени до^появления первых следов износа по сравнению с нетермоооработанными образцами не наблюдалось. По­ крытие золотом также положительных результатов не дало. Нейтронное облучение и получение покрытия хими­ ческим осаждением из газовой фазы окнсп алюминия по­ высили износостойкость. Методом осаждения из газовой фазы было получено покрытие толщиной в несколько де­ сятых долей миллиметра, на котором отсутствовали по­ верхностные дефекты типа пустот н трещин и которое вос­ производило структуру зерен материала подложки (эпи­ таксиальный рост). Осажденные из газовой фазы кристал­ лы отличались высокой степенью совершенства, чистотой

ив них практически отсутствовала пористость. На образце

спокрытием, осажденным из газовой фазы, получены высокая чистота обработки поверхности и износостой­ кость при трении, свидетельствующие о том, что всякий процесс, повышающий совершенство поверхностного слоя, приводит к улучшению противоизносных характеристик'

При использовании окиси алюминия в качестве покры тия одной из деталей подшипника важно, где это покры­ тие нанесено (на подшипнике или вале) [41]. Установлено, что наилучшими сочетаниями покрытий, обладающими вы­ сокой износостойкостью, являются покрытия из А1,03 на подшипнике и из стеллита-6 на шейке вала, а также по­ крытия из А120 3 на подшипнике и из карбида хрома со связ­ кой (сплав Ni — Сг) на шейке вала.

17