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

наливание при выбранных режимах позволяет полностью очистить поверхности трения от следов абразива (алмаза).

Необходимость очистки поверхностей трения образцов от остатков абразива была вызвана тем, что, как показали наши опыты, наличие частиц абразива, внедрившихся в по­ верхности, существенно влияет на характеристики трения и износа окисной керамики. Не только твердость, но и химическая природа абразива также оказывает влияние на результаты испытаний на трение, что связано с взаимо­ действием при высоких температурах внедрившихся час­ тиц абразива с материалом образца и внешней средой. Так, при использовании для притирки рабочих поверхно­ стей корундовой керамики карбида бора температурные зависимости треиия, особенно при испытаниях на воздухе, сильно отличались от зависимостей, полученных при ис­ пользовании в качестве абразива порошка окиси алюми­ ния. Это происходит, в частности, вследствие того, что кар­ бид бора, окисляясь, образует легкоплавкую окись бора (температура плавления В20 3 ~ 450° С [82]), присутствие которой на поверхности трения изменяет характер фрик­ ционного взаимодействия трущихся материалов. Полное же удаление внедрившегося карбида бора практически невозможно. Таким образом, алмаз был выбран для обра­ ботки поверхностей не только как наиболее эффектив­ ный, но и наиболее легко и полно удаляемый с поверхно­ стей трения абразивный материал.

Непосредственно перед испытаниями в вакууме образцы после достижения разрежения 10~5 тор прокаливали еще раз при 1500° С, что соответствует максимальной темпе­ ратуре экспериментов. Этим достигалось удаление поверх­ ностных адсорбированных пленок и загрязнений.

Металлы, испытанные на трение с окисью алюминия. Выбор металлов основывался на стремлении оценить влия­ ние кристаллической структуры металла на трение по окиси алюминия, а также химической активности металла (способности вступать во взаимодействие с кислородом). Последнее может играть существенную роль в образовании в процессе трения соединений металла с окислом через кислородные мостики.

Влияние кристаллической структуры исследовалось на металлах шестого периода периодической системы элементов Д. И. Менделеева: вольфраме (объемноцентрированная кубическая решетка), рении (гексагональная

49

плотноупакованыая решетка), платине (гранецентрированиая кубическая решетка). Для иллюстрации влияния кристаллической структуры на примере одного металла был выбран кобальт, для которого характерно полиморфное превращение из ГП в ГЦК структуру приблизительно при

400° С.

Оценка влияния способности металла к окислению производилась при испытании этих же металлов (все они кроме платины легко окисляются), а также серебра.

Вольфрам, представитель VIA группы периодической системы элементов, имеет объемноцеитрированную куби­ ческую решетку вплоть до температуры плавления (3380°С). Температура начала рекристаллизации сильно зависит от степени предварительной деформации, присутствия при­ месей и длительности нагрева. Наименьшая температура, при которой наблюдается рекристаллизация сильно де­ формированного вольфрама, равна ~ 1000° С [90]. Воль­ фрам изготовляется главным образом методами порошко­ вой металлургии. Спеченный штабик вольфрама имеет прочность ~ 16 кГ/мм2 [91]. Твердость по Бринеллго слабопрокованного вольфрама составляет350 кГ/мм2. В ре­ зультате деформирования твердость увеличивается незна­ чительно, отжиг также мало изменяет твердость. При по­ вышении температуры до 200° С происходит сравнительно быстрое падение твердости, при более высоких темпера­ турах — более медленное. Вольфрам в обычных условиях химически устойчивый металл. На воздухе он начинает окисляться при температуре порядка 400—500° С. При этом образуется W 03, сублимирующий при 923° С. При более высоких температурах в вакууме окисные пленки с поверхности металлического вольфрама удаляются [92].

Для исследования трения сочетания окисел — металл был использован образец (верхний) вольфрама, изготов­ ленного металлокерамическим способом, который в более ранних исследованиях испытывался на трение в вакууме до 1200° С в одноименном сочетании [93].

Рений, металл VIIA группы периодической системы элементов, обладающий гексагональной структурой вплоть до температуры плавления, мало исследован с точ­ ки зрения поведения при трении. По температуре плавле­ ния рений уступает лишь вольфраму и является одним из самых прочных металлов, по величине модуля упругости уступая лишь осмию и иридию [94—96]. Высокие механи­

50

ческие свойства рения сохраняются и при высоких темпе­ ратурах. Твердость литого рения при 20° С равна 275 кГ/мм2 а при 1150° С—134 кГ/мм2 [94]. Рений—пластичный металл и его деформация (ковка, прокатка, волочение и т. д.) в отличие от вольфрама производится вхолодную. Рений, обладающий большим сопротивлением деформированию, сильно наклепывается. Твердость п прочность при этом возрастает в несколько раз, а пластичность резко падает. Температура начала рекристаллизации рения, изменяю­ щаяся в зависимости от, степени деформации, составляет: 1750° С — после деформации 5%; 1550° С — после дефор­ мации 10% и 1200° С — после обжатия 60% [97]. Рений обладает высокой коррозионной стойкостью во влажной и агрессивных средах. На воздухе начало окисления на­ блюдается при температурах выше 300° С [98]. До недав­ него времени рений из-за его высокой стоимости исполь­ зовался мало, главным образом в качестве легирующего компонента жаропрочных сплавов. В последнее время освоено нанесение рениевых покрытий, успешно исполь­ зующихся в качестве защитных при высоких температурах

199].

Образцы были изготовлены из рения, переплавленного

ввакууме. Необходимая форма придавалась обработкой на электроискровом копировальном станке. Сферические поверхности трения вначале притирались с абразивом на специальных притирах, а окончательное соответствие по­ верхностей достигалось совместной притиркой испытуе­ мых образцов (рения и корундовой керамики).

Платина благодаря своим замечательным свойствам (способность не окисляться при самых высоких темпера­ турах, чрезвычайная пластичность, высокая электропро­ водность и т. д.) находит все более широкое применение

всовременной технике. Температура плавления платины

1773° С. Кристаллическая структура — гранецентриро-

.ванная кубическая. Обработка давлением значительно по­ вышает механические свойства платины. Интенсивной холодной обработкой давлением твердость ее можно повы­ сить с 50 до 120—125 кГ/мм2 [100]. Температура рекри­ сталлизации наклепанной платины понижается с повы­ шением степени деформации от 765° С для металла, дефор­ мированного на 19%, до 425° С для металла, деформиро­ ванного на 89,5% [77]. Платина на воздухе не окисляет­ ся.

31

Образец для испытания йа Трейпе был изготовлен из листовой платины. Необходимая форма поверхности тре­ ния (сфера, R = 25,4 мм) была получена штамповкой. Дополнительная обработка поверхности трения не произ­ водилась в связи с высоким качеством поверхности, полу­ чаемым при штамповке (в качестве пуансона применялся шар от крупногабаритного подшипника качения).

Кобальт принадлежит к числу металлов, имеющих большое значение для практики. Значительный интерес представляет его поведение при трении [101]. Кобальт существует в двух кристаллических модификациях, из которых одна (а-Со) имеет гексагональную структуру с плотной упаковкой (ГПУ), а вторая ((1-Со) гранецентри­ рованную кубическую (ГЦК). Превращение а-кобальта в р-кобальт при нагреваиии протекает медленно. На тем­ пературу превращения очень сильно влияют примеси. По последним данным наиболее достоверной температурой начала полиморфного превращения чистого кобальта яв­ ляется 417° С [102]. При охлаждении было отмечено сильное запаздывание обратного превращения P-модификации в «-модификацию.

Температура плавления кобальта 1495° С.

Кобальт обладает высокими механическими свойства­ ми. Твердость его при комнатной температуре ~ 230— 250 кГ/мм2. При нагреве твердость кобальта снижается и при 900° С составляет всего 20 кГ/мм2 (особенно резкое снижение твердости происходит после полиморфного пре­ вращения). В химическом отношении кобальт — малоак­ тивный металл. Металлический кобальт на воздухе не окисляется и лишь при нагревании до 300° начинает по­ крываться тонкой пленкой окисла. Первым низшим про­ дуктом окпсления кобальта является окисел СоО, кото­ рый с А120 3 дает химическое соединение [103]. В некоторых условиях кобальт может адсорбировать и растворять газы (водород, кислород), которые выделяются при нагре­ вании в вакууме. Растворимость кислорода в твердом кобальте снижается при переходе а-Со в |3-Со [77].

Для исследования трения сочетания окисел — кобальт был использован полученный спеканием в вакууме из порошка (довосстаповлениого в водороде) образец, ко­ торый ранее испытывался на трение в вакууме в одноимен­ ном сочетании до 600° С [93]. Поверхность трения допол­ нительно не обрабатывалась.

52

Чистое серебро и его сплавы широко применяются в технике. Серебро обладает высокими антифрикционны­ ми свойствами.| В частности, его используют для подшип­ ников скольжения и для металлизации шарикоподшипни­ ков авиационных двигателей и оборудования, работающих в тяжелых условиях, от которых требуется длительный срок службы [104]. Как и платина, серебро обладает высо­ кой пластичностью, высокой электро- и теплопроводно­ стью, сопротивлением коррозии. Однако серебро, хотя и принадлежит к группе благородных металлов, начинает окисляться на воздухе уже при 200°. Кислородные соеди­ нения серебра очень неустойчивы и при дальнейшем на­ греве разлагаются.

Образец для испытаний на трение был изготовлен из листового серебра (99,9%) толщиной 1 мм тем же спосо­ бом (штамповкой), что и платиновый образец.

Графитовый антифрикционный материал АГ-1500. В контакте с корундовой керамикой испытывался графи­ товый антифрикционный материал АГ-1500 (антифрик­ ционный графитированный, давление прессования 1500). Удельный вес 1,7—1,8 г/см3. По данным [105] при ком­ натной температуре предел прочности при сжатии на цилиндрах диаметром 8 мм и длиной 8 мм — 800—1000 кГ/см2, на кубиках со стороной 20 мм — 600 кГ/см2, а при

иагреве в вакууме и инертных газовых средах). Так, при 2500° С прочность приблизительно вдвое выше, чем при

20° С.

Все графитовые материалы при работе в воздухе и других газовых средах, содержащих кислород, начинают

(в том числе и в вакууме) графитированные материалы ра­ ботоспособны до температуры начала сублимации.

Теплопроводность материала АГ-1500 составляет 160 ккал/м • ч • град;термический коэффициент линейного рас­ ширения равен 2,7-10-15 см/см-град. Благодаря высо­ кой теплопроводности и низкому коэффициенту термическо­ го расширения материал этот очень стоек по отношению к термическому удару.

53

5. Методика исследования трения

Исследования трения в вакууме и на воздухе произво­ дились при непрерывном скольжении образцов и ступен­ чатом изменении температуры с регистрацией нагрузки и силы трения через каждые 100° С (в некоторых случаях через 50° С) в интервале температур от комнатной до 1500° С. Испытания проводились в режимах нагрева и охлаждения. Каждая пара образцов испытывалась не ме­ нее 4—5 раз без разгерметизации вакуумной камеры (при испытаниях в вакууме) и изменения условий эксперимен­ та. Нагрев осуществлялся со скоростью ~ 10° в минуту. При охлаждении скорость изменения температуры была неравномерной (в области высоких температур охлажде­ ние происходило быстрее, чем при температурах менее 500° С). Выдержка при каждой температуре составляла 3 мин. Экспериментально было установлено, что при испытаниях в условиях непрерывного трения при цикли­ чески изменяющихся температурах (многократные испы­ тания в режимах нагрева и охлаждения) такая выдержка при температуре опыта достаточна (исключением является лишь первый нагрев). Длительные испытания (более 2 ч) в изотермических условиях при 20, 700, 800, 1200° С не показали заметного изменения во времени коэффициента трения.

Осевая нагрузка Рос на образцы (в основной серии экспериментов) составляла ~ 5 кГ. В свете современных представлений о трении фактические давления и про­ цессы, происходящие на отдельных пятнах касания, не зависят от приложенной нагрузки (если исключено влия­ ние поверхностных пленок). С увеличением нагрузки увеличивается лишь суммарная фактическая площадь касания, а истинное удельное давление на участках кон­ такта не изменяется и при пластическом контакте срав­ нимо с твердостью испытуемого материала [106, 107]. Из­ менением площади контакта можно в достаточно широких пределах изменять удельную нагрузку.

Скорость скольжения при испытаниях была~0,5 м/мин. Низкая скорость скольжения выбрана для того, чтобы избежать дополнительного нагрева поверхностей в ре­ зультате самого процесса трения и обеспечить равномер­ ный объемный нагрев от внешнего источника.

При каждой температуре опыта на осциллографе Н-700 производилась запись приложенной нагрузки и

54

момента трения Мтр. На рис. 16, а и б показаны в каче­ стве примера участки осциллограммы. Полученные ос­ циллограммы расшифровывались по тарировочным кри­ вым нагрузочно-измерительного устройства. Тарировка осуществлялась путем приложения с помощью несложно­ го устройства к стержню, на котором при испытаниях крепится верхний образец, известных усилий и моментов и регистрации на осциллографе соответствующих им от­ клонений световых «зайчиков». Тарировочное устройство представляет собой вертикальную стойку и закреплен­ ную на ней поперечную балку с системой шкивов (рис. 17, я, б). Для уменьшения паразитного трения шкивы установлены на шариковых подшипниках. Необходимые усилия, создаваемые подвешенными грузами, передаются гибкой капроновой нитыо. Тарировка производилась при ступенчатом изменении нагрузки от 0,2 до 10 кг как в ре­ жиме нагружения, так и разгружения. Тарировочные кривые проводились по средним значениям измерений при нагружении и разгружении, что позволило практи­ чески исключить ошибку, связанную с влиянием пара­ зитного трения в опорах тарировочного устройства, так как при нагружении паразитное трение вычиталось из приложенной нагрузки, а при разгружении действовало в том же направлении. В ходе испытаний тарировка пе­ риодически повторялась.

Расчет коэффициента трения производился по формуле

/ = F R ^k/P 0C,

где F — условная сила трения, регистрируемая в про­ цессе испытания, определенная по тарировочным кривым; 7?аф — отношение радиуса приложения момента при та­ рировке к среднему радиусу трения; Рос — осевая на­ грузка, регистрируемая в процессе трения; к — коэффи­ циент-, учитывающий форму поверхностей трения. Для принятых размеров образцов с поверхностью трения в виде сферы i? = 25 мм, к = 0,95 *.

Графически результаты испытаний представлены в виде зависимостей коэффициента трения от температуры. Каждая точка на графиках соответствует средней ариф­ метической величине из 4—5 значений, полученных в

* При вычислении значений коэффициента трения коэффициент к

принимался равным 1, что приводило к завышению / иа~5%).

55