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

и пару конических шестерен 6. Изменяя передаточное отношение цепи, можно в широких пределах варьировать скорость скольжения испытуемых образцов.

В вакуумной камере, образованной водоохлаждаемымп металлическим колпаком 2 и корпусом прибора 1 (с ре­ зиновым уплотнением 3), нагреватель 13 устанавливается на водоохлаждаемых латунных токовводах 15, к клеммам которых через регулирующий автотрансформатор РНО-250-10 и понижающий трансформатор 220/6,4е мощ­ ностью 12,5 кет подводится напряжение от сети. Нагрева­ тель закрыт системой замкнутых экранов 14, изготовлен­ ных из молибденовой жести. Внутренние, расположенные вблизи нагревателя экраны, нагревающиеся до макси­ мальной температуры, изготовлепы из тантала. Темпера­ тура образцов контролируется при помощи платина-пла- тииородиевой термопары и потенциометра ЭПД-120 (кл. 0,5). Спай термопары устанавливается на расстоянии 1,0—1,5 мм от поверхности трения в глухом отверстии диа­ метром 2 мм, расположенном на торце верхнего образца.

Вакуум в рабочей камере установки обеспечивается форвакуумиым и диффузионным насосами и водяной ло­ вушкой. В верхней части колпака 2 имеется смотровое окно 16, позволяющее через отверстия в экранах визу­ ально наблюдать испытуемые образцы, а также измерять температуру при помощи пирометра. Все уплотнения неподвижных вводов в камеру выполнены из вакуумной резины. Для передачи вращения использовано вильсонов­ ское уплотнение с шайбами из силиконовой резины. Оста­ точное давление в камере при комнатной температуре составляет 10-5 тор, а при максимальной температуре опыта 1500° С — 10"4 тор, что при выбранной схеме испы­ тания и исследовании химически малоактивных материа­ лов, таких, как тугоплавкие окислы, является доста­ точным.

Нагружение испытуемой пары осуществляется через верхний образец, который, как уже указывалось, посред­ ством стержня связан с нагрузочно-измерительным узлом (рис. 10). Основной частью нагрузочно-измерительного узла является динамометр 6, при помощи которого могут быть измерены осевая нагрузка и момент трения. Динамо­ метр представляет собой выполненную в одной детали комбинацию двух систем плоских пружин, расположен­ ных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Внешний

вид заготовки после термообработки и предварительной механической обработки показан на рис. 11. Верхние трп пружины динамометра, расположенные радиально в про­ ходящих через вертикальную ось динамометра и стержня плоскостях, реагируют на крутящий момент. Они прак­ тически нечувствительны к осевым усилиям из-за их боль­ шой относительной ширины, а следовательно, и высокой жесткости в этом направлении. Нижняя же система пру­ жин (в количестве 6), расположенных в перпендикуляр­ ных оси динамометрического узла плоскостях, реагирует лишь на усилие, действующее вдоль оси стержня, оста­ ваясь нечувствительной к крутящему моменту. Наруж­ ные вертикальные стойки динамометра в верхней своей части соединены через пружины, реагирующие на крутя­ щий момент, с верхней центральной бобышкой (предна­ значенной для крепления стержня с верхним образцом). Нижние части этих стоек соединены системой пружин, ре­ агирующих на осевое усилие, с нижней центральной бобышкой динамометра, с помощью которой осуществле­ на через вспомогательные пружины привязка динамо­ метра к корпусу прибора.

При фиксированном положении нижней бобышки ди­ намометра приложение к закрепленному в верхней бобыш­ ке стержню 3 (см. рис. 10) осевого усилия или момента вызовет изгиб соответствующей системы пружин. Вели­ чины действующих усилий и моментов измеряются с по­ мощью высокотемпературных тензодатчиков сопротив­ ления 1 (образующих полумосты), наклеенных на пружи­ ны. Электрические сигналы от датчиков, возникающие при изгибе пружин, подаются на усилитель ТА-5 и запи­ сываются на шлейфовом осциллографе Н-700-

В корпусе прибора (на стойке 1) динамометр 6 подве­ шен на двух расположенных крест-накрест вспомогатель­ ных тонких пружинах 4 и 7 (см. рис. 10), связанных с ниж­ ней бобышкой. Перемещение динамометра вдоль его оси возможно благодаря упругости этих пружин и осущест­ вляется с помощью специального валика с эксцентри­ ком 5, проходящего через окно в нижней бобышке дина­ мометра. При повороте эксцентрика нижняя бобышка деремещается, что приводит к перемещению всего дпна-

1 Высокотемпературные датчики были изготовлены и наклеены в лаборатории тензометрии ИМАШ.

мометра п стержня с верхним образцом, а при фиксиро­ ванном положении верхнего конца стержня и соответст­ венно верхнего образца (при вступлении в контакт с ниж­ ним) — к изгибу шести расположенных в горизонталь­ ных плоскостях пружин динамометра и, следовательно, приложению к испытуемым образцам усилия, направлен­ ного вдоль оси стержня и динамометра.

С помощью описанного выше устройства осуществляет­ ся приведение образцов в контакт, приложение к ним заданной сжимающей нагрузки, снятие этой нагрузки и

вслучае соединения образцов в результате их контакти­ рования приложение растягивающего усилия, необходи­ мого для разделения образцов. Величина изгиба и жест­ кость пружин определяют величину усилия в контакте между верхним и нижним образцом.

Описанное нагрузочно-измерительное устройство поз­ воляет прикладывать, регулировать или снимать нагрузку

влюбой момент испытаний при вращающемся или непод­ вижном иижием образце простым поворотом находящего­ ся вне вакуумной камеры шкива. Поскольку в этом уст­ ройстве совершенно нет мест, в которых может возникать паразитное трение, величины действующей нагрузки и момента трения регистрируются без каких-либо искаже­ ний. Тарировка устройства производится непосредствен­ ным приложением к верхнему концу стержня известных усилий и моментов, направленных вдоль оси стержня.

Вустановках для испытаний при высоких температу­ рах наиболее распространены два способа нагрева — ра­ диационный и контактный. При нагреве радиационным способом возможно использование токов высокой частоты [30, 76] (которыми нагревается промежуточный трубча­ тый нагреватель). Применение такого нагрева позволяет вынести из рабочей камеры токопроводящие контакты, могущие быть источником испарения материалов из-за ис­ крения в контактах или образования дуги. К недостаткам нагрева токами высокой частоты относится прежде всего громоздкость и сложность электрического оборудования

итрудности, связанные с регулированием температуры.

Внашем случае применялся радиационный нагрев от нагревателя сопротивления. В зависимости от рабочей

среды и температуры нагреватели могут изготавливаться из молибдена, вольфрама, тантала, графита, никель-хро- мовых сплавов, дисилицида молибдена и других туго-

36

диффузионных процессов при высоких температурах. При этих испытаниях образцы при заданной температуре при­ водятся в контакт и к ним прикладывается нагрузка (пово­ ротом эксцентрика). После выдержки в контакте образцы при этой же температуре разъединяются с регистрацией необходимого для этого усилия. Прибор может быть ис­ пользован и для механических испытаний при высоких температурах (иа растяжение, сжатие, кручение, изгиб, твердость). Нагрузка при этом прикладывается тем же способом, т. е. поворотом эксцентрика.

3. Установка для испытаний на воздухе

Испытания на воздухе не требуют сложной системы откачки и герметизации камеры, поэтому установка для этих испытаний в отличие от вакуумной имеет более про­ стую конструкцию. Однако необходимость получения температуры порядка 1500—1600° С вызывает затрудне­ ния при выборе нагревательного устройства. Обычно при­ меняемые для работы в атмосфере воздуха нихромовые нагреватели позволяют получить температуру не более 1000—1100° С, а нагреватели из платины труднодоступны и дороги. Нагреватели из дисилицида молибдена, хотя и могут обеспечить температуру до 1600° С, сложны в изго­ товлении и пока не очень надежны в эксплуатации.

В связи с этим для испытаний на воздухе в качестве основы установки нами была выбрана трубчатая крипто­ новая печь. Эта печь проста по конструкции и надежна в эксплуатации. Основными деталями печи являются жа­ ровая труба (с внутренним диаметром 65 мм) и жаровое кольцо из корунда и футеровочные кольца. Между жаро­ вой трубой и кольцом засыпается токопроводящий мате­ риал криптол (специальным образом обработанная графи­ товая крошка). В верхней и нижней части печи распола­ гаются металлические электроды. Электрическое пита­ ние печи осуществляется от сети ~ 220 в через регулиру­ ющий автотрансформатор типа АОСК-25/0,5. Макси­ мальная рабочая температура в печи 1800° С. Мощность печи ~ 10 кет. К недостаткам печи относятся необходи­ мость создания нейтральной атмосферы в рабочем про­ странстве, предохраняющей криптол от выгорания, а так­ же необходимость в частом пересыпании и просеивании криптола (при многократном использовании криптол из-

38

мельчается, в результате чего изменяется его сопротивле­ ние, замедляется разогрев печи и возрастает опасность ошлаковаипя ее частей). Скорость подъема температуры до 1500° С выдерживается в пределах 10—15° в минуту.

Для проведения испытаний на трение печь оборудо­ вана прибором, схематично изображенным на рис. 13, конструкция которого подобна описанному выше прибору для вакуумной установки. Корпус прибора устанавливают на подвижном столике, при помощи которого осущест­ вляется вертикальное перемещение испытуемого узла тре­ ния в жаровой трубе печи. Для облегчения подъема и опускания прибора использована система уравновешиваю­ щих противовесов. При испытаниях на воздухе исполь­ зуется та же контрольно-измерительная аппаратура, что и при испытаниях в вакууме. Измерение температуры осу­ ществляется платина-платинородиевой термопарой. Ис­ пользование для испытаний на трение в вакууме и на воз­ духе одинаковых приборов и контрольно-измерительной аппаратуры позволяет проследить изменение характери­ стик трения в зависимости только от окружающей среды, без искажающего влияния факторов методического ха­ рактера.

4. Основные свойства испытанных материалов, технология их изготовления

и подготовка поверхностей трения

Керамические материалы. Для испытаний в одноимен­ ном и разноименном сочетаниях (с металлами и графитом) были выбраны окисиые керамики на основе окиси алю­ миния, легированной окисью магния (0,6, 1,0 и 3%), а так­ же чистые окись алюминия, окись магния и шпинель

(MgAl20 4).

Окись алюминия (А120 3) и керамики на ее основе. Окись алюминия, или глинозем, наряду с двуокисью кремния является главнейшей составной частью земной коры. Гли­ нозем чаще всего получают из бокситов [78], которые пред­ ставляют собой породу, содержащую различные гидраты глинозема. Окись алюминия известна главным образом в двух модификациях у-и а-А120 3. Окись алюминия, об­ разующаяся при получении технического глинозема,: яв­ ляется гамма-модификацией. Гамма-модификация обра­ зуется в виде мелких кристаллов кубической системы

40

Рис. 14. Кристаллическая структура корунда

(а = 7,9 А) с удельным весом 3,47 г/см3, который изме­ няется с увеличением температуры прокаливания. Гаммаглинозем характеризуется высокой адсорбционной способ­ ностью и сравнительно легко растворяется в кислотах. При нагревании до 1200—1240° С у-А120 3 превращается в сс-А120 3, и л и корунд. Обратный переход не происходит, и корунд является устойчивым при всех температурах. Корунд имеет ромбоэдрическую форму кристаллов тригональной системы. Решетку корунда, изображенную па рис. 14, можно представить, как состоящую из слоев ки­ слородных ионов, образующих гексагональную упаков­ ку, с размещенными между слоями ионами А1+3. Плотная упаковка ионов обусловливает прочность структуры и свя­ занные с этим высокие механические и термические свойст­ ва корунда. Температура плавления корунда 2050° С, точка кипения 2900° С, теплота плавления 26 ккал/молъ, теплота испарения 116 ккал/молъ. Твердость корунда по минералогической шкале равна 9 и уступает лишь твер­

41

дости алмаза и некоторых карбидов. Микротвердость мо­ нокристалла корунда по данным Н. 10. Икорниковой [55] равна 3000 кГ/мм2. Величина удельного веса корунда по литературным данным колеблется от 3,95 до 4,01 г/см3.

В настоящее время все более важную роль в технике начинает играть спеченный поликристаллический корунд. Из него можно изготовить изделия самых различных форм и размеров. Свойства спеченного корунда не только не уступают свойствам монокристаллического, но в ряде случаев значительно их превосходят. Так, спеченный корунд имеет, например более высокое сопротивление сжатию и меньшую хрупкость. Вместе с тем свойства спе­ ченного корунда связаны с условиями и степенью спека­ ния, а также с характером модифицирования и в зависимо­ сти от этого могут сильно колебаться. Поэтому данные по свойствам монокристаллов нельзя механически перено­ сить на поликристаллический корунд.

Имеющиеся данные по механическим характеристи­ кам спеченного корунда, несмотря на свою разноречи­ вость, связанную, как уже указывалось, с множеством факторов, влияющих на результаты прочностных испыта­ ний окисных материалов (температура, скорость нагруже­ ния, окружающая среда, состав, пористость, микрострук­ тура), свидетельствуют о высоких механических свойст­ вах корундовой керамики. В данное время прочность на сжатие чистых корундовых изделий массового производ­ ства с удельным весом 3,75—3,80 г/см3составляет 10 000— 15 000 кГ/см2. По некоторым данным она еще выше. С ростом температуры прочность снижается. Прочность на сжатие при разных температурах, по данным Рышкевича [79], приведена ниже:

Из этих данных следует, что, несмотря на снижение прочности с повышением температуры, она остается до­ статочно высокой вплоть до 1600° С.

Предел прочности на растяжение при комнатной тем­ пературе колеблется от 1390 до 2650 кГ/см2; предел прод-

42