Триботехнические свойства керамики

Характеристики внешнего трения, смазки и износа непосредственно связаны с качеством трущихся поверхностей [63, 93]. Качество поверхности деталей машин определяется геометрией поверхностей, физико-химико-механическими свойствами поверхностных слоев и напряжением в них, которые определяют эксплуатационные, в частности антифрикционные, свойства и долговечность элементов трущихся деталей сопряжения. Основные исследования затрагивают в этой области изменение шероховатости пары трения в результате работы и влияние пористости керамического контртела на некоторые триботехнические показатели. Для керамики, как и для всех хрупких материалов, к показателям поверхностного слоя необходимо отнести дефектность

Так в работе [123] представлены результаты испытания горячепрессованных керамических материалов на основе неметаллических тугоплавких соединений Si₃N₄ , B₄C, SiC и AlN в паре со сталью 45 (HRC 42...45) без смазки. Исследования проводились с образцами керамики как с грубой (Rz = 10 мкм) после притирки алмазным кругом из алмазов зернистостью 150/125 мкм, так и с полированной поверхностью (Ra = 0,2 мкм) после притирки алмазными пастами зернистостью 40/28, 7/5, 3/2 и 1/0 мкм. Анализ профилограмм (рис.1.3), снятых с поверхности трения керамических образцов и стали, показал практически полную идентичность рельефа обеих сопряженных поверхностей. Причем для одних и тех же пар трения устанавливающийся рельеф зависит от режима нагружения. Увеличение скорости скольжения приводит к возрастанию шероховатости трущихся поверхностей. Это авторы связывают с интенсификацией разрушения керамики, сопровождающегося формированием более грубого рельефа. Следовательно, определяющим является рельеф поверхности керамического образца. Уменьшение шероховатости поверхности керамики приводило к снижению износа для всех керамических материалов в среднем в 2,5 раза. Авторы это связывают с уменьшением резания стали керамикой.

В работе [20] приведены результаты дальнейших исследований тех же пар трения при работе без смазки. Испытания проводились при скоростях скольжения 0,5, 3 и 6 м/с. Установлено, что изменение рельефа поверхности трения различных марок керамики протекает неодинаково. Так для нитрида алюминия (AlN) и карбида кремния (SiC) увеличение скорости скольжения ведет к уменьшению шероховатости. Для карбида бора (B₄C) и b-сиалона ТiN минимальная шероховатость была достигнута при скорости скольжения V = 3 м/с. При испытании нитрида кремния (Si₃N₄) минимальное значение шероховатости было при скоростях скольжения 0,5 и 3 м/с и возросло при скорости скольжения 6 м/с.

В работе японских исследователей [116] производится анализ трения и износа горячепрессованного нитрида кремния. Эти испытания проводили на установке типа палец – диск, при нагрузке 10 Н и различных скоростях скольжения (до 0,78 м/с). Как палец, так и диск были выполнены из нитрида кремния. Рабочие поверхности образцов доводили посредством алмазного полирования. При максимальной скорости скольжения (0,78 м/с) установившаяся шероховатость получается очень большой, в то время как для скорости 0,07 м/с поверхность пальца становится зеркальной. Это означает, что интенсивность изнашивания при малой скорости скольжения определяется пластическим течением, что в свою очередь ведет к образованию установившейся шероховатости с малым значением по высоте. При скольжении со скоростью выше переходной основным механизмом изнашивания является хрупкое разрушение и установившаяся шероховатость имеет больший размер по высоте.

Теоретические и экспериментальные исследования зависимости механизма изнашивания керамических материалов от топографии поверхности для нитрида кремния в паре с другими видами керамик, проведенные японским исследователем Хисакадо, показали следующее [124]. Интенсивность изнашивания пальцев и дисков из нитрида кремния возрастала с увеличением средней площади поперечного сечения канавок микрорельефа. На основании проведенных исследований автор делает вывод о том, что коэффициент трения зависит от наклона микронеровностей, образованных в процессе изнашивания, т.е. установившейся шероховатости. Для уменьшения коэффициента трения при взаимном скольжении керамических деталей следует уменьшать наклон микронеровностей на фактических площадках контакта.

Вторым показателем качества поверхности конструкционной керамики, который был исследован, является пористость. Этот показатель так же, как и шероховатость, задается на стадии формирования детали [87], но в отличие от нее пористость не претерпевает изменений в ходе работы и можно только рассматривать ее влияние на трибологические характеристики соединений. В работе [129] Шаривкер и Зозуля рассматривают влияние пористости призматических образцов из нитрида кремния на износостойкость и коэффициент трения в паре со стальным вал-роликом. При пористости 15-20% наблюдаются самые низкие показатели износа и коэффициента трения. Такой материал обладает наибольшими предельно допустимыми нагрузками на пару трения. Коэффициент трения, при данной пористости, составил 0,05 (фитильная смазка маслом Индустриальное 50). Авторы отмечают, что увеличение пористости в спеченном материале до 20% несколько снижает его прочностные характеристики, однако способствует проявлению эффекта самосмазывания, когда заполненные маслом поры начинают выделять в зону трения дополнительное количество масла, способствуя уменьшению коэффициента трения, износа и увеличению предельно допустимых нагрузок. В работе [28] исследовано влияние пористости алюмооксидной керамики на износостойкость. Испытания проводились по схеме диск – колодка. В качестве материала пары трения использовался глинозем ГЛМК (a- Al₂ O₃). Износостойкость пары трения оценивалась величиной энергетической интенсивности изнашивания. Установлено, что максимальное значение износостойкости соответствует 5...10% пористости алюмооксидной керамики. Износостойкость керамики была значительно выше, чем у термически обработанной стали ШХ15 и твердых сплавов ВК8 и Т15К6.

В последнее время были опубликованы результаты исследований, в которых рассматривается процесс трения керамики на основе оксида алюминия [132, 146] в зависимости от индекса хрупкости. Авторы предлагают использовать комплексный показатель, равный отношению твердости к коэффициенту трещиностойкости, в качестве варьируемого фактора при исследовании трения керамики. В результате проведения исследований было установлено, что для керамических материалов с индексом хрупкости В > 5 – 6 m m^-1/2 наиболее характерно эрозионное изнашивание. Для керамики с индексом хрупкости В < 5 – 6 m m^-1/2 (в том числе и для Al₂ O₃) преобладает абразивный износ.

Известны исследования [148], в которых износостойкость керамики на основе оксида алюминия связывают с зернистостью структуры материала, определяющей как механические, так и триботехнические свойства. Эксперименты, выполненные по схеме стержень – диск, показали, что зависимость обратной величины износа от зернистости (равно как и от твердости, и от прочности) подчиняется распределению Холла – Петча. Эта зависимость особенно очевидна для соединений из материалов с некубической кристаллической решеткой, каковым является Al ₂ O ₃. Беккер и Либш [139] считают, что износостойкость для керамических пар трения тем выше, чем больше вязкость разрушения керамики.

Таким образом, существующие исследования влияния физико-механических свойств керамики на ее триботехнические показатели соединений отражают не в полной мере этот вопрос. Всего, примерно, в 10% литературных источников по керамике триботехнического назначения, в той или иной форме упоминается о ее физико-механических свойствах. В основном, исследователи сосредоточили свое внимание на влиянии нагрузочных режимов (скорость скольжения, давление – нагрузка) на параметры процесса трения. Стоит отметить, что даже эти исследования проводились на универсальных стендах, которые адекватно могут лишь отразить антифрикционные характеристики материала, но оказываются практически бесполезными для оценки работоспособности реальных узлов трения. Следовательно, остается не решенным вопрос о влиянии таких свойств поверхностного слоя керамики как шероховатость и дефектность в узлах трения скольжения на триботехнические показатели.