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

Г л а в а III

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕНИЯ И ТВЕРДОСТИ ТУГОПЛАВКИХ ОКИСЛОВ

ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Исследования трения тугоплавких поликристаллических окислов при высоких температурах проводились в вакууме 10-4 -ч- 10~Б тор и на воздухе. Окислы испыты­ вались в одноименном сочетании, а также в паре с ме­ таллами и графитом. Исследования были посвящены главным образом определению температурных зависи­ мостей коэффициента трения и выявлению основных фак­ торов, определяющих процесс трения окислов в этих условиях.

1. Трение одноименных окислов в вакууме

При испытаниях одноименных окислов в вакууме оп­ ределяли весовой износ образцов при трении в режимах нагрева и охлаждения. Перед испытаниями образцы взвешивали на аналитических весах. Установленные на испытательном приборе образцы подвергали кратковре­ менному (5 мин) трению на воздухе. Затем вакуумную камеру откачивали, после чего производили нагрев не­ подвижных, не находящихся в контакте образцов до мак­ симальной температуры опыта (1500° С). После охлаж­ дения до комнатной температуры начинали испытания в вакууме. Без разгерметизации камеры образцы испыты­ вали в режимах нагрева и охлаждения 4—5 раз. Общую длительность испытаний регистрировали. После испыта­ ний образцы снова взвешивали и определяли суммарный (интегральный) износ каждого образца. Полученный ве­ совой износ был отнесен к единице пути (в км), что поз­ волило по интенсивности изнашивания (в г/км) судить о сравнительной износостойкости материалов.

Трение одноименных образцов чистой окиси алюминия (А120 3). Температурные зависимости коэффициента тре-

58

Рис. 18. Трение одноименных образцов А120 3 в вакууме при нагреве (а) и охлаждении (б)

1 — первое испытание; 2 — последующие испытания

ния образцов из чистой окиси алюминия, полученные в режимах нагрева и охлаждения, приведены на рис. 18, а, б. Результаты испытаний (начиная со второго) отличались стабильностью и достаточной воспроизводимостью, осо­ бенно в режиме нагрева. Температурная же зависимость, полученная при первом нагреве (см. рис. 18, а), сущест­ венно отличается от последующих. В интервале темпе­ ратур от комнатной до 800° С коэффициент трения при первом испытании в режиме нагрева не изменялся и имел невысокое для трения в вакууме значение (~ 0,4). Тре­ ние было стабильным, без колебаний. Дальнейшее повы­ шение температуры приводило к увеличению коэффици­ ента трения, значение которого при 1100° С достигало 0,8. Однако при температурах выше 1100 °С происходит быстрое снижение коэффициента трения и при 1500° С значения его уже не превышают ~ 0,4.

59

Последующие испытания (начиная с первого охлаж­ дения) показали совершенно другие результаты. При нагреве от комнатной температуры до 500° С трение соп­ ровождалось большими колебаниями, а значение сред­ него коэффициента трения (без учета амплитуды) прак­ тически не изменялось и составляло ~ 0,95. После 500° С повышение температуры приводило к снижению коэф­ фициента трения, вначале быстрому (в интервале тем­ ператур 600 900° С), а затем более медленному. При максимальной температуре опыта (1500° С) коэффициент трения имел значение ~ 0,4. Снияшние значений коэф­ фициента трения при повышении температуры сопро­ вождалось уменьшением амплитуды фрикционных коле­ баний.

Зависимость коэффициента трения от температуры, полученная при охлаждении (см. рис. 18, б), несколько отличается от показанной на рис. 18, а для испытаний в режиме нагрева. В процессе охлаждения коэффициент трения повышался, в результате температурная зависи­ мость имела приблизительно тот же характер, что и при нагреве, однако значения коэффициента трения были выше и стабилизации трения в интервале температур от 500° С до комнатной не происходило. Максимальные значения были получены при 200° С. Охлаждение до комнатной температуры приводило к некоторому снижению коэф­ фициента трения, что, по-видимому, связано с адсорб­ ционными процессами при медленном охлаждении в примеиявшемся нами вакууме (10-6 тор) или приработ­ кой. Впуск воздуха сопровождался незначительным сни­ жением трения. Коэффициент трения на воздухе при ком­ натной температуре имел значение ~ 0,85. (До испыта­ ний в вакууме коэффициент трения этой пары на воз­ духе составлял всего 0,2.)

После испытаний поверхности трения имели заметные повреждения. Дорожка трения была покрыта порошко­ образными продуктами износа. Интенсивность изнаши­ вания верхнего образца составляла 0,011 г/км, а ниж­ него — 0,02 г/км.

Трение одноименных образцов окиси алюминия, мо­ дифицированной окисью магния. Модифицирование ко­ рундовой керамики окисью магния производится, как известно, для повышения ее механических свойств, а также в технологических целях (несколько снижается

60

Рис. 19. Трение одноименных образцов Al20 3 с 0,6% MgO в вакууме

Обозначения те же, что и на рис. 18

температура спекания). Многочисленными исследования­ ми был установлен оптимальный диапазон концентраций вводимой добавки (MgO). Промышленная корундовая керамика микролит или ЦМ-332 и керамика КС-37 со­ держат 0,6% MgO. Введение в корунд больше 1% окиси магния не дает нужных результатов и даже снижает его прочностные свойства. В связи с этим представляло ин­ терес проследить влияние вводимого в корундовую кера­ мику модифицирующего компонента на ее поведение при

3,0 вес. %.

Проведенные испытания показали, что трение моди­ фицированных керамик почти не отличается от трения чистой окиси алюминия. Зависимости коэффициента тре­ ния от температуры для этих керамик как в режиме

61

нагрева, так и в режиме охлаждения (рис. 18—21) по характеру подобны зависимостям, полученным для чис­ той окиси алюминия.

Коэффициент трения исходных поверхностей образ­ цов всех испытанных керамик на воздухе при комнатной температуре был порядка 0,2. Результаты испытаний, полученные при первом нагреве (штриховые линии на всех рисунках), сильно отличаются от результатов по­ следующих испытаний. Температурные зависимости коэффициента трения, полученные при первом испытании в режиме нагрева для всех керамик, в том числе и чистой окиси алюминия, практически одинаковы. До темпера-

' f

Рис. 20. Трение одноименных образцов А120 3 с 1,0% MgO в вакууме

Обозначения те же, что и на рис. 18

62

Рис. 21. Трение одноименных образцов А120 3 с 3,0% MgO в вакууме

Обозначения те ж е, что и на рио. 18

туры ~ 800—900° С коэффициент трения остается пос­ тоянным (/ ^ 0,4), затем следует рост коэффициента тре­

ниях керамик с различным содержанием модифицирую­ щего компонента (MgO), отличаются между собой и от зависимостей для чистой окиси алюминия величиной коэффициента трения, особенно в интервале невысоких температур (от комнатной до 700°). Самые высокие зна­ чения коэффициента трения, полученные в этом интер­ вале температур при испытаниях в режимах нагрева и охлаждения, зафиксированы для окиси алюминия с 1% окиси магния (см. рис. 20, а, б). Для этой керамики при 300° были получены коэффициенты трения, превышаю­ щие 1,5. Максимальное значение коэффициента трения

63

для корундовой керамики с 3,096 окиси магния (см. рис. 21, а, б) составляло 1,3, а для керамики с 0,6 96 MgO (см. рис. 19, а, б) — 1,2, что существенно выше, чем было получено в этом же интервале температур для чистой окиси алюминия (максимальное значение коэффициента трения в процессе нагрева 1,0 и в процессе охлаждения 1,1). При высоких температурах зависимости коэффи­ циента трения всех модифицированных керамик почти совпадают. Исключение составляет керамика КС-37, у которой в интервале температур от 1200 до 1500° коэф­ фициенты трения несколько ниже, чем у остальных керамик, но выше, чем у чистой окиси алюминия.

Трение модифицированной окисыо магния корундовой керамики в отличие от чистой окиси алюминия зависит от условий испытаний, а именно: проводятся ли испыта­ ния непрерывно, следует ли за испытаниями в режиме на­ грева и охлаждения сразу же последующий нагрев или между двумя испытаниями имеется перерыв (выдержка в невысоком вакууме при выключенных откачных сред­ ствах). Так, коэффициенты трения в интервале темпера­ тур от комнатной до 700°, полученные при испытаниях после перерыва, ниже, чем при непрерывных испытаниях.

Кроме того, для модифицированных керамик даже при непрерывных испытаниях характерно повышение коэффициента трения в начале нагрева (до 200 -ч- 250°) и лишь затем его стабилизация. Это, по-видимому, свя­ зано с повышением адсорбционной активности поверх­ ностей корунда при введении в него окиси магния (при нагреве адсорбированные слои удаляются).

Температурные зависимости, полученные в режиме охлаждения (см. рис. 19, б; 20, б; 21, б), от 1500° до 900—800° практически совпадают с зависимостями для нагрева в том же интервале температур. В интервале тем­ ператур от 800° до комнатной наблюдается отличие зави­ симостей, полученных в различных по направлению изменения температуры режимах испытаний. Рост коэф­ фициента трения при охлаждении в этом интервале тем­ ператур происходит медленнее, чем его падение при на­ греве, и достигает максимума лишь при 200°.

При впуске воздуха после испытаний в вакууме в ре­ жиме охлаждения происходило для всех испытанных керамик снижение коэффициента трения до 0,7—0,8. Длительное трение на воздухе приводило к дальнейшему

64

снижению коэффициента трения (до ~ 0,4), однако пер­ воначальное значение, полученное при трении до испы­ таний в вакууме (0,2), не достигалось.

По наблюдавшемуся характеру трения интервал ис­ пытанных температур даже с большим основанием, чем для чистой окиси алгомийия, может быть разделен на два участка. При температурах до 700° трение нестабильное, амплитуда фрикционных автоколебаний значительна. При более высоких температурах колебания уменьшаются и трение носит более плавный характер. При охлаждении плавное скольжение сохранялось до 700 -f- 600°, после чего начинались сильные колебания момента трения и нагрузки.

Поверхности трения после завершения испытаний были повреждены, дорожки трения покрыты продуктами износа в виде мелкого норошка. Наибольший суммарный износ за пять циклов испытаний был у образцов из кера­ мики с 3% окиси магния — для верхнего образца 0,01 г!км,

вами. Хотя шпинель в качестве конструкционного мате­ риала применения пока не нашла, ее поведение при тре­ нии представляет интерес.

Исследование трения одноименных образцов шпинели

ввакууме начиналось, как и ранее испытанных материа­ лов, с определения коэффициента трения исходных по­ верхностей на воздухе при комнатной температуре. Зна­ чение его было равно ~ 0,11. После прокаливания в ва­ кууме при 1500° (без контактирования образцов) с по­ следующим охлаждением коэффициент трения шпинели при комнатной температуре в вакууме 10-5 тор составлял

вначале испытания 0,45. Однако уже после 3 мин испы­

тания величина коэффициента трения повысилась до ~ 0,8. Более длительное трение при этой температуре (20 мин)

кдальнейшему изменению коэффициента трения не привело.

Впроцессе испытаний в режиме нагрева коэффициент трения немного повышался, а затем оставался почти по-