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

изотермических выдержек). В качестве ппдептора исполь­ зовали алмазную пирамиду. Нагрузка иа пндентор была от 50 до 100 Г. Вестбрук исследовал изменение твердости при нагреве до 900° С многих простых и сложных окислов, в том числе окислов алюминия и магния, шпинели (MgAl20 4) и циркона (ZrSi04). Температурные зависимо­ сти твердости почти всех испытанных окислов, представ­ ленные в полулогарифмической системе координат, имели

Рис. 5. Температурная зависимость-твердости полпкрпсталлнческпх окислов [69]

Рис. 6. Температурная зависимость твердости монокристалла окиси магния [63]

перегибы. Для окиси алюминия такой перегиб наблюдал­ ся при 500° С, для окиси магния — при 900° С, а для шпи­ нели (MgAl204) в интервале температур испытания четкого перегиба обнаружено не было.

Температурные зависимости твердости, построенные по данным Вестбрука для А120 3, MgO и MgAl20 4, приведены н а . рис. 5. Твердость окиси алюминия изменяется от ~ 2000 кГ/мм2при комнатной температуре до ~ 600 кГ/мм2 при 900° С. Большое снижение значений твердости с на­ гревом характерно и для окиси магния. Температурная зависимость твердости для шпинели, как и для других сложных окислов, имеет более пологий характер. Твер­ дость ее изменяется от ~ 1300 кГ/мм2 при комнатной тем­ пературе до ~ 950 кГ/мм2 при 900° С. Наличие перегибов

25

на температурных зависимостях твердости Вестбрук свйзывает с изменением характера взаимодействия дисло­ каций с примесями и другими дефектами в кристалле. Вестбрук по учитывает в л и я н и я границ зерен, так как считает, что при малых нагрузках (50 Г) даже при высо­ ких температурах отпечаток меньше размера зерна и все измерения относятся к области монокристалла.

Аткинс и Тейбор 162, 63J исследовали горячую твер­ дость монокристаллов окиси магния в интервале темпе­ ратур 600° -ь 1700° С методом сдавливания перекрещи­ вающихся призм. Нагрузка составляла ~ 26 кГ, ско­ рость нагружения — 1,4 кГ/сек. Полученная в результате температурная зависимость твердости (рис. 6) имеет пере­ гиб в интервале температур 800—900° С. При этом отмеча­ лось, что до температуры перегиба сдавливание сопровож­ далось растрескиванием материала, а при более высоких температурах трещины не образовывались.

3. Задачи исследования

Анализируя имеющиеся в литературе сведения о тре­ пни тугоплавких окислов, можно сделать следующие вы­ воды. Трение и износ тугоплавких окислов, перспектив­ ных конструкционных материалов для работы при высоких температурах и в условиях агрессивных сред, исследова­ ны недостаточно. При этом наиболее полно изучены харак­ теристики трения мопокристаллпческпх окислов. Иссле­ дованы вопросы, связанные с анизотропией трения моно­ кристаллов по различным кристаллографическим плоско­ стям и направлениям п влиянием поверхностных пленок на трение (испытания на воздухе и в вакууме). Ряд работ посвящен исследованию трения и износа сапфира в сопря­ жении со сталыо. Однако очень мало проведено исследо­ ваний при высоких температурах. Максимальная темпе­ ратура испытапий не превышала 1300° С.

В связи с высокой стоимостью п сложностью получе­ ния монокристаллов окислов достаточной величины, их нельзя рассматривать как конструкционный материал широкого применения. Более перспективными являются керамики на основе тугоплавких окислов — спеченные полпкристаллические материалы. Зернистая структура полнкристаллического материала существенно влияет на

26

его физико-механические, а следовательно, п фрикцион­ ные свойства.

Всвязи с использованием мппералокерамикп (А12Оя)

вкачестве режущего инструмента, немало работ посвя­ щено трению керамики в сочетании с обрабатываемыми металлами. Однако имеющиеся данные по треишо полп-

кристаллическнх окислов относятся главным образом к невысоким температурам. Из исследовании при высо­ ких температурах можно назвать лишь работу Коффина [42], посвященную влиянию па трение и изиос взаимной растворимости в твердом состоянии трущихся материа­ лов и их химического взаимодействия. Им испытывалось трение окислов па воздухе до 1200° С. Не исследовано трение поликристаллических окислов в вакууме выше 500° С. Не определено влияние нагрузки и качества по­ верхностей трения при различных температурах. Нет дан­ ных по износостойкости керамических материалов па ос­ нове тугоплавких окислов при высоких температурах, а также по влиянию технологии изготовления и способа подготовки поверхностей на характеристики треппя п из­ носа. Отсутствуют практические рекомендации, направ­ ленные на снижение трения и износа, особенно при высо­ ких температурах.

Задачей проведенных нами исследований было опре­ деление температурных зависимостей коэффициента тре­ ния окисных керамик при температурах до 1500° С в ва­ кууме и на воздухе. В качестве объекта исследования были выбраны окись алюминия (А12Оа), окись алюминия

бранные окислы обладают различным кристаллическим строением (у А120 3 — гексагональная кристаллическая ре­ шетка, у MgO и MgAl20 4 — кубическая), что дает воз­ можность определить влияние его па треппе при высоких температурах. Исследование температурных зависимо­ стей трения корундовых керамик с различпым содержа­ нием MgO позволяет получить сведения о влиянии леги­ рования на трение и износ корундовых материалов. Со­ стояние поверхностей трепия (способ подготовки, качество поверхности) оказывает существенное влияние на трение материалов. В связи с этим предполагалось провести ис­ пытание керамических образцов с различной подготовкой

27

Г лава IT

КОНСТРУКЦИИ УСТАНОВОК И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ТРЕНИЯ

ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Исследование трения при высоких температурах ()> 1000° С) — технически трудная задача, требующая до­ статочно сложного лабораторного оборудования. Одним из основных вопросов, который необходимо решить при разработке методики и проектировании установки, явля­ ется выбор схемы испытания (узла трения). Принятая схема испытания может оказывать заметное влияние на результаты исследования. Конструкция испытуемого узла трения может быть различной. Наиболее распростра­ ненными являются узлы тренпя «пальчиковые» (коэффи­ циент взаимного перекрытия близок 0) и торцовые (коэф­ фициент взаимного перекрытия равен 1).

1. Схема узла трения

Весьма существенное значение, особенно при испыта­ ниях в вакууме, имеет величина взаимного перекрытия трущихся образцов. Известно, что взаимодействие между трущимися материалами решающим образом зависит от покрывающих их поверхностных пленок [70, 71]. Напри­ мер, исследования Боудена по трению алмаза в вакууме [72] показали, что, если поверхность трения покрыта хотя бы моиослоем газовых молекул, поведение материала при трении существенно меняется. Уменьшения скорости ад­ сорбционных процессов, а следовательно, и влияния ад­ сорбированных пленок можно добиться взаимным пере­ крытием поверхностей трепня [73]. Очевидно, что у узлов трения с малым коэффициентом взаимного перекрытия времени для образования монослоя на поверхности потре­ буется меньше, чем в узлах с коэффициентом перекрытия, равным 1. Следовательно, при коэффициенте взаимного перекрытия, равном 1, влияния поверхностных адсорби-

29

Рнс. 7. Зависимость коэффи­ циента тренпя дисульфида мо­ либдена по стали 2X13 от дав­ ления при различных коэф­ фициентах взаимного перекры­ тия [74]

П ри Кв з = 1 — 1; 2 — 0,5; 3 — 0,05

Рис. 8. Схема узла тренпя — ►

ровапных пленок можно избежать при проведении испыта­ ний в более низком вакууме. Это, в частности, подтвер­ ждается приведенными на рис. 7 результатами испытаний В. В. Гриба [74], оценивавшего влияние коэффициента взаимного перекрытия на трение дисульфида молибдена при различном разрежении в рабочей камере. При коэффи­ циенте перекрытия, равном 1, увеличение разрежения в камере выше 10_3 тор практически не влияет на измене­ ние величины коэффициента трения.

Принятая нами схема испытаний показана на рис. 8. Трубчатые образцы, расположенные вертикально, сопри­ касаются торцами при коэффициенте взаимного перекры­ тия, равном 1. Верхний образец неподвижный, а ниж­ ний — может быть приведен во вращение. Соприкасаю­ щиеся торцы образцов выполнены по сфере большого ра­ диуса (R 25 мм). Торец верхнего образца выпуклый, нижнего — вогнутый. Такая форма поверхностей трения позволяет осуществить некоторую самоустаиовку образ­ цов, что компенсирует петочпости изготовления и сборки деталей' прибора н обеспечивает более равномерное на­ гружение. Кроме того, контактирование образцов по сфе­ ре еще в большей степени затрудняет проникновение ато­ мов и молекул остаточной атмосферы в зону тренпя. Криволинейный зазор играет роль своеобразного лаби­ ринтного уплотнения.

30

2. Установка для испытаний в вакууме

Исследование материалов в вакууме при высоких тем­ пературах предъявляет целый ряд специфических требо­ ваний к применяемому оборудованию. К таким требова­ ниям относятся: создание равномерного температурного поля, сведение к минимуму влияния высокой температуры на механизм передачи движения и нагрузочно-измери­ тельный узел, предотвращение нежелательных явлений (испарение, химическое взаимодействие, деструкция, ад­ гезия), связанных с нагревом в вакууме используемых

вустановке конструкционных материалов, компактность

идругие.

Применявшаяся в данном исследовании установка была создана на базе тигельной вакуумной печи ТГВ-1М. Печь была оснащена специальным прибором, принципиальная схема которого представлена на рис. 9. Основные компо­ ненты прибора: испытуемые образцы, нагрузочно-измери­ тельное устройство, корпус прибора с необходимыми вводами в вакуумную камеру н система уплотнений. Водоохлаждаемый корпус 1 изготовлен из нержавеющей стали 1Х18Ы9Т. Узел трения (образцы) при помощи вспо­ могательных деталей (стержня и трубы) достаточной дли­ ны вынесен далеко вверх нз корпуса. Такое расположение нагреваемых образцов позволяет уменьшить влияние вы­ соких температур на механизм привода во вращение и нагрузочно-измерительное устройство. Верхний образец 8 крепится на конце стержня 9, концептрпчио располо­ женного внутри трубы 5, на которой крепится нижнпй образец 4. Второй конец стержня 9 через переходную втулку 10 соединен с нагрузочно-измерительным узлом 11, а труба 5 через переходную деталь из пирофиллита и кони­ ческую шестершо привода 6 устанавливается в корпусе па упорном подшипнике качения 12. Стержень п верхняя часть трубы изготавливаются из окиси алюминия, облада­ ющей высокой огнеупорностью и низкой теплопровод­ ностью, что таюке способствует уменьшению теплового потока к нагрузочно-измерительному узлу и деталям, передающим вращение нижнему образцу. Труба приводит­ ся во вращение от расположенного вне вакуумной камеры двигателя СД-09 через многоступенчатый шестеренчатый редуктор, клиноремепную передачу, валик 7, введенный в вакуумную камеру через вильсоновское уплотнение,

31