книги из ГПНТБ / Кацура, А. А. Высокотемпературное трение окисных керамик на основе корунда

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-

а

Рпс. 22. Тренпе одноименных образцов шппеели MgALO-i в вакууме

а — нагрев; б — охлашдеппе

стоянныы до температуры порядка 700° (рис. 22, а). При более высоких температурах наблюдалось небольшое снижение коэффициента трения до ~ 0,75 при 1000° С. Дальнейший нагрев приводил к быстрому росту коэффи­ циента трения, который при 1100° был равен 0,95. Одна­ ко уже при 1200° коэффициент трения снова снижался и при 1500° его величина составляла ~ 0,55. При трении шпинели результаты первого испытания соответство­ вали последующим (в отличие от корундовых керамик). Все пять испытаний в режиме нагрева дали сопостави­ мые результаты.

Температурная зависимость коэффициента трения MgAl20 4, полученная в режиме охлаждения (рис. 22, б), весьма сильно отличается от зависимости для нагрева (см. рис. 22, а). При охлаждении до 1400° коэффициент тре­ ния не растет, а снижается, и величина его при этой температуре (0,48) значительно ниже, чем была получена

66

при испытаниях в режиме нагрева (0,67). Только после 1300° начинается быстрый рост коэффициента трения, достигающего максимального значения (~ 1,1) при 900°. Затем наблюдается незначительное снижение коэффи­ циента трения, а в интервале температур от 600 до 100° С его величина остается почти постоянной, равной ~ 0,92.

Трение шпинели поч'Ги во всем интервале температур при испытаниях как в режиме нагрева, так и охлаждения сопровождалось фрикционными автоколебаниями большой амплитуды.

После испытаний поверхности трения были покрыты не­ глубокими концентрическими канавками и продуктами из­ носа в виде белого мелкодисперсного порошка. Величина среднего за пять циклов испытаний износа в сравнеиии с износом корундовых керамик была большой. Интенсив­ ность изнашивания для верхнего образца составляла

0,025 г/км, а для ипжиего — 0,033 г/км.

Коэффициент трения иа воздухе после испытаний в вакууме не определялся, так как во время последнего охлаждения верхний образец был поврежден.

Трение одноименных образцов окиси магния (MgO). При исследовании трения одноименных образцов из оки­ си магния было проведено четыре испытания в режимах нагрева и охлаждения. Результаты испытаний в виде за­ висимостей коэффициента трения от температуры пока­ заны на рис. 23, а, б. После нагрева образцов (без кон­ тактирования) до 1500° G и охлаждения коэффициент трения при комнатной температуре вначале испытания был равен 0,42. Однако уже после трения в течение 5 мин величина его возросла до 0,7. Более продолжительное трение при комнатной температуре (1 ч) к дальнейшему изменению коэффициента трения не приводило. В про­ цессе нагрева коэффициент трения изменялся медленно. До температуры порядка 700° С трение оставалось почти постоянным. При более высоких температурах коэффи­ циент трения начинал снижаться, и при 1400° С его зна­ чение достигало минимума (0,4), Выше этой температуры коэффициент трения снова начинал расти.

Зависимость, полученная в режиме охлаждения (см. рис. 23, б), имеет более протяженный пологий участок с низкими значениями коэффициента трения. Величина 0,41—0,43 сохраняется в интервале температур от 1400 до 1000° С. Ниже 1000° коэффициент трения постепенно

Рис. 23. Трение одноименных образцов MgO в вакууме a — нагрев; б — охлаждение

ратурной зависимости для испытаний в режиме охлаждения располагается ниже аналогичной кривой для нагрева, т. е. в процессе охлаждения были получены более иизкпе значения среднего коэффициента трения. Кроме того, испытания в режиме охлаждения характеризуются боль­ шим по сравнению с испытаниями в режиме нагрева разбросом экспериментальных данных.

После всех испытаний поверхности трения были по­ крыты порошкообразными продуктами износа. Суммарный износ не определялся.

2. Тренпе одноименных окислов на воздухе

Исследование трения одноименных окислов на воздухе проводилось на образцах, которые уже были испытаны в вакууме, без дополнительной обработки поверхностей тре­ ния. В результате были получены температурные зависи­ мости, характерные для поврежденных в процессе тре­ ния шероховатых поверхностей. Поэтому при трении на воздухе в процессе первого испытания не были получены

68

зависимости, отличные от последующих, и результаты всех испытаний имели хорошую воспроизводимость. Из­ нос образцов при трении на воздухе не определялся.

Трение одноименных образцов чистой окиси алюминия (А120 3). Температурная зависимость коэффициента тре­ ния для чистой окиси алюминия па воздухе, полученная в режиме нагрева, показана на рис. 24, а. В процессе нагрева от комнатной температуры до 400—500° С коэф­ фициент трения повышается, его среднее значение изме­ няется от 0,23 до 0,75—0,78. Выше 500° С трение начинает падать, и при 1500° коэффициент трения равен ~ 0,16. Такая же по характеру зависимость была получена при испытаниях в режиме охлаждения (рис. 24, б), но в ин­ тервале температур 1300—600° С были получены более низкие значения коэффициента трения, а температура, соответствующая максимуму на кривой, смещена на 100° в область более низких температур. Номинальные зна­ чения коэффициентов трения при последовательных цик­ лических испытаниях изменялись с каждым новым испы-

Рис. 24. Трение одноименных образцов А1,Оа на воздухе

о — нагрев; б — охлаждение

69

танпем, а именно: в первом испытании во всем интервале температур были получены самые высокие, а в последнем (пятом) самые низкие значения коэффициента трения. В результате испытаний на воздухе шероховатость поверх­ ностей трепня уменьшилась, что свидетельствует об эф­ фекте приработки поверхностей при трении на воздухе.

Трение одноименных образцов окиси агаомнния, ле­ гированной окисью магния. Трение легированных окисыо магния корундовых керамик на воздухе, как и в вакууме, по характеру подобно трению чистой окиси алюминия.

Как и при трении чистой окиси алюминия, в процессе нагрева (рис. 25, а; 26, а; 27, а) происходит рост коэффициента трения, достигающего максимума при

рующего компонента (MgO) отличаются по величине коэф­ фициента трения, располагаясь в той же последовательно­

охлаждения (рис. 25, б; 26, б; 27, б), очень мало отличаются от полученных в режиме пагрева; наблюдается лишь не­ большое смещение кривых в сторону более низких тем­ ператур. Как и для чистой окиси алюминия, в результате испытаний на воздухе шероховатость поверхностей тре­ ния уменьшилась.

Трение одноименных образцов шпинели (MgAl20 4). Трение шпинели на воздухе существенно отличается от трения в вакууме. На рис. 28 показана температурная зависимость коэффициента трения, полученная в режиме нагрева. В интервале температур от комнатной до 300° С значения коэффициентов трения невысокие (—-^0,3) и почти не изменяются. При нагреве выше 300° происходит быстрый рост коэффициента трения, значения которого в интервале температур 400—600° даже несколько превы­ шают полученные в вакууме. Дальнейший нагрев приводит к некоторому снижению трения, и при 900—1000° С коэф­ фициент трения равен ~ 0,8. Выше 1000° происходит быст­ рый рост коэффициента трения, и при 1300° С значение его превысило'1,5. Трение при этом сопровождалось скачками

70