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

(при скольжении металла по сапфиру) были испытаны

Ni, Re, Со, Be, Си.

Испытания проводили в вакууме. 10-10 тор. Коэффи­ циенты трения для всех этих металлов были почти одина­ ковы и составляли ~ 0.2. При этом наблюдался срез по окислу с выкалыванием кусочков сапфира. Бакли объяс­ няет это образованием прочных химических связей через «кислородные мостики», что приводит к деформированию

Рис. 3. Коэффициенты трения монокрпсталлпческой п полпкрнсталлической окиси алюми­ ния с металлами в вакууме [28] А — сапфировый диск <0001>; Б— поликрпсталлическпй диск АЬОл 1 —«кубические» металлы, 2 —«гек­

сагональные» металлы

кристаллической решетки окиси алюминия и возпнкповеншо больших напряжений, облегчающих скол по сапфи­ ру. Для металлов, ие образующих окислы (Ап, Ag), коэф­ фициенты трепня получены меньшие (~ 0,1) и разру­ шения сапфира пе наблюдалось. Более высокие значения коэффициентов трения для Аи и Ag, приведенные в работе Коффипа [42], получены при обратном расположении тру­ щихся образцов — трепни сапфира по металлу. Бакли по­ казал, что при трении сапфира по монокристаллу меди коэффициент трения значительно выше ( / « 1,5), чем при

окиси алюминия коэффициенты трепия были значшгелыю выше, чем при трении по монокристаллу сапфира (рис. 3). Для «кубических» металлов (1) наблюдались более высокие значения, чем для «гексагональных» (2). Во всех случаях был замечен перенос металла ыа поверхность А120 3.

Исследования трения окислов в сочетании с металлами связаны чаще всего с использованием керамики в качест­ ве инструментального материала. В последнее время полу-

19

чпл широкое распространение керампческпй инструмент иа основе окиси алюминия: в СССР — корундовый микро­ лит, нлп модифицированный корунд (ЦМ-332), за рубе­ жом — «зннтеркорупд», «цементированный оксид» и дру­ гие разновидности материала с различными фирменными названиями. Корундовый микролит, применяемый в ка­ честве металлорежущего инструментального материала, отличается высокой износостойкостью, что многократно отмечалось на основании испытаний микролита при реза­ нии металлов 143—46J. Так, например, по данным работы [45] износостойкость микролита превышает износостой­ кость волъфрамотптапокобальтового твердого сплава в 3— 15 раз.

Определение коэффициента трения поликристаллнческой окиси алюминия (мниералокерамикп ЦМ-332) в паре с различными металлами проводили в Челябинском ин­ ституте механизации и электрификации сельского хозяй­ ства Н. Ф. Кунин, В. II. Меламед и 10. Г. Кудрявцев [47, 48]. Испытывались образцы мпиералокерамикп в па­ ре с серым чугуном, углеродистой сталыо (закаленной и сырой), сталыо ШХ15 и алюминием. Испытания проводи­ ли иа воздухе при комнатной температуре при сухом тре­ нии и со смазкой. Вращающийся диск из испытуемого ме­ талла перемещался относительно неподвижного керами­ ческого образца, нагруженного силой Р. Скольжение керамического образца по диску проходило по спирали от периферии к центру, так что трение происходило все время по свежей поверхности диска. Это позволило устра­ нить влияние частиц износа и повреждений поверхности металлического образца на характер скольжения и вели­ чину коэффициента трения. Как при сухом трении, так и при трении со смазкой наименьший коэффициент трения получен при работе мниералокерамикп в паре с чугуном (/ = 0,163 без смазки и / = 0,15 со смазкой), а наиболь­ ший — при работе без смазки в паре с алюминием (/ = = 0,565). Низкое значение коэффициента трения минералокерамики по чугуну связывается с износом последнего и смазывающим действием графита. При трении минералокерамики ЦМ-332 в одноименном сочетании без смазки коэффициент трения имел значение ~ 0,23.

Серия экспериментов, посвященная исследованию тре­ ния сочетаний металл — мииералокерамика ЦМ-332, была проведена С. И. Мишкиндом [49]. Опыты осуществлялись

20

на машине трения типа Амслора по схеме: вращающийся металлический ролик в контакте с плоским образцом из окиси алюминия. Исследовались минералокерамические образцы в исходном состоянии в паре с роликами из меди Ml и отожженной стали при удельной нагрузке 30— 70 кГ/мм2 и скорости скольжения 0,5 м/сек. Сухое трепне стали и меди Ml по ЦМ-332 характеризовалось в этих усло­ виях значениями коэффициента трения порядка 0,4 н- 0,5. При использовании для уменьшения трения различных смазок было установлено, что лучшей смазкой является глицерин, снижающий коэффициент трения мниералокерамики по меди до 0,01—0,05 и по стали до 0,05—0,06. В значительной мере уменьшению трения способствует предварительное нанесение на минералокерампку покры­ тий, особенно окиси меди и серебра. Топкое шлифование

иполирование керамики также снижают трение, что Мишкпнд объясняет уменьшением интенсивности схваты­ вания.

Сравнительные исследования изнашивания различ­ ных видов спеченного корунда при трении его о металлы

иабразивные материалы проводились Н. М. Павлушки­ ным [50], который показал, что корунд, модифицирован­ ный окисыо магния, имеет в 3 раза меньший износ, чем чистый корунд. При этом наибольший износ наблюдался при трении корунда по алюминию.

Трение окисной керамики по металлам при высоких температурах исследовали Петерсон и Ли [51]. Испытания

проводились на воздухе до' ~ 900° С. Было ноказано, что в процессе трения происходит перенос более мягкого металла на сопряженную керамическую поверхность, пос­ ле чего трение пары металл-керамика, если нет химичес­ кого взаимодействия трущихся материалов, определяется природой перенесенного металла.

Трение закаленной стали по Al20 3, MgO и Zr02 было аналогично трепню одноименных стальных образцов. На рис. 4 показана зависимость коэффициента трения от температуры при трении закаленной инструментальной стали по А130 3. Д ля пары никель-хромовый сплав (73%Ni— 15% Сг) — А120 3 при высоких температурах наблюдается зависимость коэффициента трения от времени, хотя для одноименных образцов NiCr трение от времени не зависит. Кроме того, износ пары металл-керамика значительно выше. Такое явление авторы связывают с окислением пе-

21

ренесеппого металла. Образовавшаяся окисйая плеийа начинает царапать металлическую поверхность, способ­ ствуя дальнейшему переносу металла на сопряженную поверхность. Однако это происходят не всегда. Если обра­ зующиеся на поверхности перенесенного металла окислы мягкие, как, например, при трении Ni — Мо сплава по А120 3, то увеличения трения и износа не наблюдается.

Рис. 4. Зависимость коэф­ фициента тройня окиси алю­ миния по закаленной ин­ струментальной стали от температуры на воздухе [51]

1 — охлаждение; г — нагрев

Таким образом, при треиин тугоплавких окислов по металлам, как показали рассмотренные выше исследова­ ния, почти во всех случаях происходит перенос металла на поверхность окисла. В результате трение такой нары определяется свойствами металла.

При трений па воздухе (особенно при нагреве) метал­ лические поверхности основного металла и перенесенного окисляются п дальнейшее взаимодействие поверхностей характеризуется свойствами образовавшихся окисных пле­ нок.

Взаимодействие окисла с металлом при трении в зна­ чительной мере зависит от способности металла образовы­ вать окислы. При треппп благородных металлов, не обра­ зующих устойчивых окислов, получены более низкие значения коэффициентов трения. Трение поликристалличеекпх окислов по металлам выше, че^я монокристаллических.

2. Твердость окислов при высоких температурах

Механические свойства материала, как известно, яв­ ляются одним из основных факторов, определяющих его поведение при трении. Чтобы объяснить или предсказать характер трения материала при высоких температурах, необходимо знать его механические свойства в этих усло­ виях. Среди многочисленных методов определения проч-

22

вакууме до 1300° С. В качестве нндентора использовалась алмазная пирамида. Нагрев осуществлялся пропусканием тока через металлическую пластину, в которой был зачекаиен испытуемый образец. Индентор не нагревался. Применялись нагрузки 50—300 Г. Полученные значения горячей твердости (в кГ/млС1) приведены ниже:

Приведенные значения несколько завышены из-за местного «подслуживання» материала холодным индентором (теплопроводность алмаза очень велика). Если по этим данным построить зависимость Н = f (Т), то она не будет прямолинейной — при 1100° С намечается перегиб.

А. И. Бетапелн [66] исследовал горячую твердость полпкристаллической окиси алюминия (мипералокерамическпх пластин ЦМ-332). Испытания проводились на возду­ хе, в качестве нндентора был применен наконечник из ЦМ-332, нагретый до меньшей температуры, чем испытуе­ мый образец. Нагрузка составляла 250 кГ. В интервале температур 400 -ы 1100° С А. И. Бетапелн получил пря­ молинейную зависимость твердостп. Экстраполяцией по­ лучены значения твердости ~ 1400 кГ/мм2 при комнатной температуре н ~ 650 кГ/мм2 при 1200°. При испытаниях была отмечена крайне низкая стойкость керамических нидеиторов.

Н. Ф. Казаков [67] измерял твердость керами ЦМ-332 в вакууме на приборе М. Г. Лозинского [68] алмаз­ ными ииденторами. Испытанный керамический материал обладал следующими свойствами: удельный вес 3,93— 3,98 г/см3, предел прочности на изгиб до 40 кГ/см2, пре­ дел прочности на сжатие — 500 кГ/мм2. Твердость изме­ рялась от комнатной температуры до 1000° С. С повыше­ нием температуры первоначальная твердость (2050 кГ/мм2) снижалась до 720 кГ/мм2 при 1000° С.

Исследованием горячей твердости ряда окислов зани­ мался Вестбрук [69]. Измерения проводили в вакууме при медленном непрерывном изменении температуры (без

24