автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Разработка триботехнических критериев оценки работоспособности инструментальной и конструкционной керамики

о ь 9 1

нвезлей инсглтут инлзнероз граг^жской ашацш

На правах рукописи

уд 620.178.16:663; 3 /. 7:621. 7с2.5

• КОВАЛЬЧЕНКО Андрей Михайлович

РАЗРАБОТКА ТНаБОТЕХШЧЕСНИХ КР/ЛЗйВЗ ОЦЗНКг РАБОТССПССОЕКОСШ МКСТРУ!£НТАЛЬНОй I!

конструкщонной кг?а;.ж:

Спецнальность 05.02.04 - Трение и износ з ;лаил:нах

АВТОРЕФЕРАТ

дпссертсгал ка соискание ученей степени кандидата технических нг.ук"

Киев

- I 9 9 2

»

Работа выполнена з Институте проблем ¡,:атерпалозеде:-:::я АН Украины

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Заболотный Л.В.

Официальные. оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шезеля В.В.

член-корреспондент АН Украины доктор технических наук, профессор Гнесин Г.Г.

Ведущее предприятие - Белорусское Республиканское

нзучно-пропзводстзенное объединение пороговой иеталлургии

Запита состоится "/," 1932 г. в /^часо-

на заседании спецпалнанрозанного совета К 072.04.03 2 Киевском институте инженеров гражданской авиации по адресу: 252058, Киев, пр. Космонавта Комарова^.

С диссертацией можно- ознакомиться з библиотеке ИС-1ГА

Автореферат разослан

" / " ^¿¿А 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук,

доцент О Лабунец 3.9.

I •,>*.« | I- ОЩАЯ ХАРЖГЕШСТЖА РАБОТЫ х,-лацийа I• Актуальность работ

Научно-технический.прогресс предопределяет необходимость создания новых материалов, т.к. в большинстве-случаев значительное позыпенне надежности и долговечности узлоз трения машин н агрегатов маяно достичь лишь путем применения новых материалов. Одними из наиболее перспективных триботехнических материалоз являются керамические тугоплавкие соединения. Это сзязано с комплексом уникальных свойств, присущих керамике -высокой прочности при малом удельном весе, химической инертности, отсутствием сродства с подавляющим большинством металлов и др. Однако керамике присущ ряд недостатков, затрудняющих ее использование в узлах трения,.основными из которых является хрупкость, малая теплопроводность, слабая стойкость при воздействии ударных нагрузок в др. В связи с этим знание закономерностей разрушения керамики на фрикционном контакте является одним из.условий рационального применения керамических материалов -в-узлах-тренпя.-------------------------------------------------------

Наиболее интенсивное изучение триботехнических характеристик керамики наблюдается в последнее десятилетие, что свя-. зано со значительным прогрессом в технологии получения керамики. Традиционно внимание исследователей привлекает высокотемпературное трение и трение в вакууме, т.е. в условиях, где Другие материалы непригодны или обладают ограниченной работоспособностью. Однако огромные потенциальные возможности керамики не используются в других условиях трения из-за .слабой их изученности. Таковыми являются трение''з контакте с металлом и абразивное изнашивание. Поэтому во -икает необходимость разработки критериев работоспособности в этих условиях.

В настоящее время наиболее широко керамика применяется з качестве металлообрабатывающего инструментального материала. Причем наблюдается постоянное повышение служебных характеристик вновь создаваемых инструментальных керамик. При оптимизации составов режущих пластин значительный обьем работы зрнходится на испытания резанием, но так как при этом расходуется 'значительное количество металла и полученные данные

■ I г

• 1 '

■ ■ i

: I

характеризуются большим разбросом значений, актуальной является разработка достоверных методик оценки износостойкости инструментальной керамики.

Настоящая работа выполнена з соответствии с темами И1Ы АН Украины: 0.13.07.03.Ш (с), 5.1, 1СП, 79-П.

1.2. Цел ь_2£ боты _и_ос ноз ные_за Д§чп_ис £ £§32М. §

Целью настоящей работы является разработка критериев определения работоспособности и методик ускоренной оценки износостойкости керамики на оснозанпи систематического комплекс-, ного изучения разрушения бескислородных керамических материалов при трении по стали и при абразивном изнашивании.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задач;!:

1. Изучить трпботехнический характеристики бескислородных керамических соединений (,/'СиалОН-77//, ///У/, ВАС,

З/С j при трении по стали как з воздушной среде, так и при наличии смазки.

2. Устанозить зависимость между трпботехнпческнми характеристика:.« керамических материалов и особенностями образующихся при трении вторичных структур.

3. Определить связь между трнботехническимп и физико-механическими характеристиками керамики, а также степенью взаимодействия керамики со сталью и кислородом воздуха.

4. Изучить абразизное изнашивание бескислородных кера-ч мических соединений в различных условиях.

5. Установить связь между асариззной износостойкостью и фнзико-механпч&скнмп характеристиками керамик::.

5. На основании результатов исследований разработать ускоренные методики оценки износостойкости керамических ма-териглоз.

1.3. Нз^чная_нозизна_оабсты

I. Прозедено систематические исследование трибохарак-терпстпк горячепрессозанных бескислородных керамических

материалов в контакте со сталью в широком нагрузочно-скорост-ном диапазоне.

2. Установлены механизм изнашивания бескислородных керамических материалов при трении по стали без смазки з зависимости от скорости скольжения, при этом прослежена трансформация вида разрушения с изменением контактной температуры трения.

3. Показана принципиальная возможность прогнозирования работоспособности инструментальной керамики на основании данных трибоиспытаний.

4. Обоснована возможность и целесообразность использования результатов испытания керамики на абразивный износ по закрепленным алмазным, зернам в качестве экспресс-метода оценки комплекса физико-механических характеристик керамики.

5. Изучено формирование равновесной шероховатости работах поверхностей пар трения керамика-металл и ее влияние на грибохарактеристикн.

1.4. П2§кгаН§£кая_ценность_и_Ееажзация_Е§зультатов _работы_

1. Разработанная автором комплексная методика оценки кз-госостойкости инструментальной керамики широко используется

практике создания инструментальной и конструкционной кера-екя в ЖТК "Порошковая металлургия" АН Украины. Использова-:ие методики обусловило возможность оптимизации состава, па-аметров технологического режима получения керамики, а так- * е целенаправленный выбор состава керамики для обработки кон-ретного металла или сплава.

2. Комплекс проведенных работ* позволил разработать ' рактические рекомендации по отбраковке серийно выпускаемых еперетачизаемых реющих пластин марок Силинит-Р и Сплинит-Р1.

3. На основании результатов трибоиспытаний рекомендованы онкретные составы керамики для металлообрабатывающих фильер.

Совместно с И.И.Осипов ой и В.А.Г^'ТНИком

За счет сокращения объема изготовления натурных деталей и уменьшения количества стендовых испытаний получен экономический эффект в сумме 117 тыс.рублей.

4. Полученные экспериментальные данные могут быть использованы для обоснования выбора материалов керамика для узлов трения машин в зависимости от эксплуатационных условий работы.

1.5. Апробация работы

• Основные результаты работы и отдельные ее положения до-

ложены и обсуждены на: Школе-семинаре "Новые порошковые материалы и технологии в машиностроении" /Одесса, 1987 г./, Всесоюзной конференции "Триботехника и надежность инструментальных и конструкционных материалов" /Киев, I9S8 г./, Конференции "Физическое материаловедение и физико-химические основы создания новых материалов" /Львов, 1989 г./, выездном заседании Межведомственного Научного Совета по трибологии при АН СССР "Научные и прикладные проблемы теории трения и изнашивания" Ларьков, 1989 г./, конференции "Современные проблемы пс рошковой металлургии, керамики и композиционных материалов" /Киев, 1990 г./, Всесоюзной концеренцзи "Структурная самоорганизация и оптимизация триботехнических характеристик конструкционных и инструментальных материалов" /Тернополь, 1990 Всесоюзной конференции "Конструкции и технологии получения, изделий из неметаллических материалов" /Обнинск, 1990 г./, Школе-семинаре "Трибохехнические и пористые спеченные материалы" /Киев, 1990 г./, Всесоюзной конференции "Износостойкость машин" /Брянск, 199I г./, Конференции "Актуальные вопросы материаловедения" /Льзоз, 1991 г./, Се'минаре "Механика и физика разрушения хрупких и малопластичных материалов" /Pitra, 1991 г./.

1.6. Положения диссертации, выносимые на защиту

I. Экспериментальное обоснование необходимости дифференцированного подхода к оценке износостойкости инструменталь-' ной керамики, заключающегося в получении данных по износу при

- а -

треки по закрепленным алмазным зернам, т.е. дри абразизном изнашивании, и при трнбоззаимодействил с обрабатываемы металлом. В перзом'случае оценивается стойкость керамик:: при механическом разрушении, а во втором - при изнашивании вследствие механического и фпзико-хижческого взаимодейстзия с обрабатываемым металлом и окружающей средой.

2. Установленные закономерности изнашивания бескислородных керамических материалов при трении по стали без смазки в связи со зторичным структурообразованием, фи-знко-механически-ми характеристиками керамики, а таюке склонностью к физико-химическому взаимодействию керамики со сталью и предрасположенностью её к окислению.

3. Полученные зависимости между относительной абразивной износостойкостью при трении по закрепленным алмазным зернам

и физико-механическими характеристиками керамики. Обоснование положения, согласно которому абразивная износостойкость является самостоятельной структурно-чувствительной характеристикой, отражающей комплекс физико-механических характеристик керамики. -

4. Критерии оценки работоспособности керамики при граничном трении по стаж в занисимости от эксплуатационных услозий внешнего трения.

1.7. Публикации

По материалам работы опубликозано 13 печатных работ.

1.8. СтЕукту2§_и_обьем_,диссе2тауки .

Диссертация состоит из введения, шести глав, основных результатов и выводов, приложений -и содержит II таблиц, 33 графика, 98 рисункоз, 113 фотографий, библиографический список из 184 наименований. Содержание работы изложено на Ц6 страницах машинописного текста, общий обьем работы-181 страница.

- б -

2. СОДЗШШЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, составившей предает исследований, кратко изложены содержание я структура работы. Сформулированы положения, выносимые на защиту и научная новизна диссертационной работы.

2.1. В_пе¡зв ой_главе проанализированы данные о возможностях и применению керамических деталей в узлах трения машин, затронуты возникающие при этом проблемы.

Систематически рассмотрены сведения по трибологии .керамик в конкретных условиях трения.

Высокотемпер атур кым трением керамики занимались А.П.Семен оз, Ю.Г.Ткаченко, M.C-.Gee

Л др.

Трением керамико-металлическнх пар занимались Ph. fiapsa, J.F. V/ot, К. -И.Zum Gant,

Y~ß.Cheng-, ß.TtaSefai, P. Stuart и др.

Абразивному изнашиванию керамических материалов посвящены работы Г. А.Бозкун, M.A.Moore, ES.Kiny, А. G. Evans, D.D. Aja^i II ДР-

Изнашиванием инструментальной керамики занимались Т.М. Лоладзе, В.С.Фадеев, Ю.Г.Кабалдон, В.Ф.Бердаков, E.D.Whitrtey, S T.Bufyan, Sf.Wayne. pf.fukuhcna и многие другие.

Исследования:,! трлботехнических характеристик оксидных керамик уделено в научной литературе наибольшее внимание, ,в то время как трение многих бескислородных керамических материалов с уникальными свойствами изучено недостаточно полно. Наиболее изученными являются и 3iC , имеются отрывочные сведения по износу сиалонов и только е.диничные работы посвящены трению АШ tl Вг,С .

В ряде работ подчеркивается, что ввиду высокой стоимости изготовления керамических деталей, особенно малых партий, большое внимание должно уделяться разработке высокоэффективных ускоренных методик оценки износостойкости керамических материалов, полученных в лабораторных условиях, для прогнозирования работоспособности в натурных условиях трения.

На основании проведенного анализа сформулпрозана цель л основные задачи данной' работы.

2.2.Глава 2 посзящёна описанию объектов'и средств исследований.

В качестве изучаемого объекта были выбраны следукхие горячепрессозанные-керамические материалы^*: нитрид кремния, нитрид алюминия, керамика системы j3 _ сиалон -77/1/,кар-

биды бора и кремния. Приводятся данные по химическому и фазовому составу, значения физико-механических характеристик ке-■рамики. Отдельные исследования проводили .с керамическими образца:.« системы -77/V с различным содержанием и зернистостью JljV , а также керамикой этой же системы и си-алоноз, изготозлашую из.ультрадпсперсных порошков.

Триботехнпческне испытания был:! проведены на модернизированной машине трения ¿122-М, высокоскоростном стенде конструкции ПГШ АН Украины," установках для испытаний при абразивном изнашивании Ai-I-I и АИ-2, а также на разработанной автором установке для оценки износа, керамики при трении по закреплен.-: ным синтетическим алмазным зернам. Приводится технология подготовки образцов к испытания.

Для изучения образующихся при трении вторичных структур была использована комплексная методика исследований включающая оптическую микроскопию /.ЧИ.М-8, Afeophot -21 /, профи-лометрпрозанпе /профилограф-профилометр модели 201 зазода "Ка--либр"/, растрозую электронную микроскопию2* / JSM'T'20 /, рентгеноразсвый анализ^* /ДРОН-2,0,¿ди Со излуче-

ние/, микроректгеноспектралькый_анализ4* /SupetpioSe - 723/ и Оже-электронную спектроскопию35*-/ J AMP 'WS /.

Ik Образцы керамики :i значения их физико-механических характеристик предоставлены Ю.Г.Гогоци, З.П.Яросенко, К.П.Оси-позой, Л.Л.Сартпнской 2~ Совместно О.'З.лващенко

2 к ?5>А выполнялся Ю.Г.Гогоци, Н. И. Перепелице Г;, Л. Д. Горбачевой,

З.Я.Собалдырем ■ 4н Совместно с З.З.Козьгляевым

5к Совместно с И.А.Косско

Статистическая обработка данных экперпментоэ выполни-, лась согласно рекомендациям ГОСТ 8.011-72, ГОСТ 6.207.76 и ГОСТ 8.281-84. При определении коэффициента Стьюдента уровень значимости принимался равным 0,05.

2.3. В_главе_3 приведены результаты исследования трения ' и износа бескислородных керамических соединений в паре со сталью.

Изучение характеристик трения керамики по стали,проведенные с использованием схемы контактирования вал-вкладыш и три образца-даск в шроком диапазоне скоростей скольжения, изучение вторичного структурообразования- на поверхностях трения и продуктов износа, позволило вскрыть особенности процесса изнашивания бескислородных керамик.

Анализ изменений приповерхностного рабочего слоя керамп-кп позволяет разбить изученные керамическ'.е материалы на 2 группы - в первой в поверхностных слоях изменений состава керамики не обнаружено ( спалон ~71А/ ,АЕА/,3;С ). , а во второй происходит трансформация прппозерхностного слоя. Ко второй группе относится ¿¡^А/г, и В/, С . Ка поверхности Х^/Ц; после трения в широком диапазоне скоростей присутствует З/Ог , а на поверхности Вг,С присутствуют разнообразные соединения бора с кислородом и железом. Карбид бора и нитрид кремния отличаются наименьшей температурой начала окисления на воздухе ( /~600 и 800°с) и более активным физико-химически взаимодействием с железом. Т.е. существует связь между зторнчным структурообразозанием и хшическими свойствами керамики.

При трении Вг,С по стали на сопряженных поверхностях фор

мируются близкие по химическому- составу соединения, эключап-

п п п ¿» уйеличение

щие р , и , и , г В и, в результате этого, наблюдается^оэз-

фициента трения из-за возрастания адгезионных явлений. Соединение бора с железом и кислородом воздуха приводит к сосредоточению остающегося углерода /графита/ в приповерхностно:» слое, что снижает коэффициент трения. При повышенных скоростя? на поверхности В4С обнаруживаются застывшие жидкие оксиды бора. Т.е. процесс трения Вг,С по стали в воздушной

среде носят неустойчивый я неоднозначный характер. Ввиду активного взаимодействия В/,С со сталью и кислородом воздуха разрушение стального контртела у этой керамики из-за микрорезания значительно меньше, чем у остальных.

Все изученные керамические соединения отличаются довольно большими коэффициентами трения (J = 0,2 - 0,б) , при этом обнаружена качественная корреляция ме;хду значениями коэффициентов трения с величиной статического адгезионного взаимодействия менду керамикой и железом, определяемой работой адгезии, расплавленного железа на поверхности керамики. Минимальным коэффициентом трения характеризуется (/=0,2 - 0,4 ) , практически не смачиваемый расплавленным железом, а максимальным 5¿,C (/=0,3-0,6 хорошо смачиваемый расплавленным железом. Относительные значения коэффициентов трения у разных керамических материалов сохраняются в широком диапазоне скоростей, только с ростом скорости наблюдается их падение.

Однако испытаниям, осуществляемым по схемам контактирования вал-зкладыш и три образца-диск, применительно к исследованиям металлокерамических пар трения, присущ ряд следующих недостатков:

- невозможно избавиться от интенсивного микрорезания керамикой стали; - невозможно произзести качественные испытания с мягкими, нетермообработаннымп сталями; - указанные схемы контакта язляются нечувствительные при оценке износа близких по составу керамик; - высокая-трудоемкость подготовки образцов к испытаниям.

Для устранения Сказанных недостатков исследование трения и износа керамики по стали было проведено с использованием схемы контакта вал-плоскость (схема вытирания канавки]. [1ричем при изменении скорости скольжения путь трения остазал-зя постоянным. Данный подход позволил эффективно влиять на контактную температуру трения и, соответственно, на характер х интенсивность протекающих физико-химических процессов. Ори-знтировочно, в зависимости от скорости скольжения (0,5 - б м/с) эхзатызался диапазон контактных температур от 100 до Ю00°С.

3 результате рассмотрения в совокупности данных по износу различных керамик в зависимости от контактных температур трения и данных анализа вторичных структур и продуктов износа были определены механизмы изнашивания бескислородных керамических соединений при трении по стали.

Нитриду алюминия и карбиду кремния присуще механическое изнашивание в широком диапазоне контактных температур. У нитрида кремния происходит трансформация вида-изнашивания от окислительного до изнашивания вследствие одновременно происходящих конкурирующих процессов окисления, диффузионного зза-' имодействия и выкрашивания зерен керамики вследствие размягчения межзеренной аморфизнрованной фазы. Керамике. системы

Р~ сиалон - 7/'/У при малых скоростях присуще механическо изнашивание, а при увеличении скорости возрастает окислительное изнашивание. При контактных температурах более 800°С происходит перенос металлоподобного Т/// на стальное контртело (схватывание II рода) . У карбида бора при малых скоростях преобладает окислительное и механическое изнашивание", к которым с ростом скорости скольжения добавляется .молекулярно-механическое изнашивание.

При использовании более мягких нормализованных стальных контртел износ керамики ввиду механического разрушения уменьшается- из-за уменьшения контактного давления. Поэтому существование отличий в износе керамики при испытаниях по контртелом из одинаковых марок сталей, но разной твердости, в большинстве случаев означает наличие механической компоненты в суммарном износе. Однако эта закономерность проявляется тольк в случае сохранения на поверхности керамики промежуточного оксидного слоя, сникающего касательные нагрузки.

При использовании изложенной выше методики трибоиспыта-ний, для многих групп керамик, обнаружена корреляция между данными по износу, полученными при трении и при резании (рис. I). Причем испытания при трении отличаются большей чувствительностью к изменению состаза керамики. Корреляция существует в диапазоне примерного разенстза контактных температур трения и резания.

"3 пм

3 /

«о

ОА

0.2

//

дУс/тт мм*

а

¿¡.7 1

5-с

5>

■о

й

0,2

0.1

20

АО

60 80 Шпас. %

Рис Л. Зеличина износа задней грани { Ьз) при резании и изношенный объем керамики при трении ( кЧст) в зависимости от содержания

ЪЛ/ в керамике системы ^/уЛ^ ~Т;А/ на основе ультрадисперсных порошков'. Параметры резания: 2Л = 300 м/мин,

t = I мм, £ =0,11 мм/об, € = 15 МИН. Параметры трения: 2Г = 3 .м/с, Р = 100 К, _£= 15 шш. Обрабатываемой материал и контртела - сталь 45 (НЙС 42...45).

2.4. 3_глазе_4_ изложены результаты исследований абразивного изнашивания бескислородных кераулческих материалов.

Определенная часть испытаний при абразивном изнашивании керамики осуществлялась по методикам и на установках, применяемым для оценки износа металлов-и твердых сг.лазоз.

Испытания при трении керамики по абразивной шкурке (устанозка .4И-1) не зыявили четкой зависимости между физико-механическими характеристиками керамики и абразивной износостойкостью. Кроме того, такие испытания отличаются повышенной тру-

0

емкостыо, происходят частые разрывы абразивной шкурки и наблюдается различная степень её повреждаемости при истирании разных керамик. На этом основании данные испытания не могут быть рекомендованы для оценки износостойкости керамических материалов.

Испытания при трении в свободно насыпанном электрокорунде на установке АИ-22 выявили корреляцию между относительной абразивной износостойкостью и твердостью керамики /рис.2 /. Наивысшую износостойкость проявляет наиболее твердый З4С .

С 1

0,8

0.6

№

0.2

р-сиалон-Лл/ аЛС

Рис.2. Зависимость относительной абразивной износос-. . тойкостл (£) бескислородных керамических материалов от твердости при трении в свободном 'электрокорунде.

/2 /6 20 2Ь 28 Н\/,ГПа.

Извесно, что разрушающая способность абразива зависит от соотношения его твердости л твердости испытуемого материала. 3 этой связи были проведены испытания на абразивное изнашивание керамики не по электрокорунду 19 ГЛа/, а по закрепленным алмазным зернам / НУ ~ 90 ГЛа/, твердость которых значительно превышает твердость керамики. Испытания проводили на специально разработанной устанозке /рис.3/, представляющей собой, продольно-перемещаемое нагружающее устройство, прижимающее ^керамический образец к вращающемуся алмазосодержащему валу. Были изготовлены алмазные валы с дзумя зернистос-тямя алмазов - 150/125 и 100/60, что поззолило вскрыть некоторые особенности абразивного разрушения керамики. Для исключения химического взаимодействия керамики с алмазными зерна:,"! и материалом связки перед каждым испытанием зал смачивался водой, что, также, легко поззоляло удалять проекты износа после испытаний.

Ьт / Провальное гертсшсиие

тг

1

Рис.3. Установка для испытаний на абразивное пзкак:-ванне: Г - керамический образец; 2 - притирочная часть алмазосодержащего зала; 3 -рабочая часть алмазосодержащего вала; 4 - продольно-перемещаемое нагружающее устройство." " ...

Испытания по данной установке имели ряд преимуществ методического плана по сразненпю с испытаниями при трении по абразивной шкурке и абразивной прослойке: - . ■ .

- не требуется расходовать абразивный материал, что позволяет значительно увеличить обьем проводимых исследований;

- испытания отличаются малой трудоемкостью, т.к. не приходится производить замену абразиза после каждого испытания;, ■

- легко производить сбор продуктов износа для последующих исследований , т.к. они присутствуют на алмазном залу после испытаний в чистом виде;

- прочность алмазных.кругов позволяет производить испытания в широком нагрузочном диапазоне;

' - для проведения испытаний не-требуется специальная ма-спна трения. , .

Относительная гбразизная износостойкость при треки по закрепленным алмазньы зернам прежде всего зависит от прочности керамики /рис.4/.

Изнашивание керамики имеет некоторые отличия от изнашивания металлов. При воздействии алмазными зернам: на керамику наблюдается дза типа разрушения - перзый, схожий с разрушением металлоз, когда зона разрушения соответствует траектории прохождения алмазных зерен, и на поверхности остаются характерные борозды, п второй - когда разрушение происходит вследствие распространения трещин вглубь материала. Это связано с

P:ic.4. Зависимость относитель- ■ ной абразивной износостойкости /£/ бескислородных керамических соединений от прочности при трении по закрепленным алмазным зернам

300 т 500 600 700 бап.МПа

малой пластичностью керамики. В результате сколоз на поверхности образуются характерные ракози:;ы. Второй тип разрушения характерен для карбидной керамики, отличающийся низкой тре-1диностойкостью. Для нитридной керамики характерна комбинация обоих видов разрушения.

Фазовый и химический состав продуктоз износа практически не отличается от состава исходной керамики, что свидетельствует о чисто механическом разрушении.

Анализ результатов исследования абразизного разрушения керамики системы J/j/l^~7//V позволяет рассматривать относительную абразивную износостойкость керамики при трении по закрепленным алмазным зернам как интегральную характеристику, отражаю-Чую комплекс физико-механических характеристик керамики. Величина относительной абразивной износостойкости весьма чувствительна как к изменению .состава керамики, так и к значениям физико-механических характеристик /рис.5/. Кроме того наблюдается зависимость износостойкости от пористости, технологии получения керамики, состояния исходных порошков и т.д.

На примере керамик на основе ультрадюперсных порошков показана зависимость износа от зернистости керамики. С увеличением среднего размера зерна керамики износ увеличивается.

Приведенные факты позволяют рассматривать абразивную износостойкость по закрепленным алмазным зернам как структурно-чувствительную характеристику.

£ /

0.8

О,В

Q4

Q2

Зернистость а/гпазоб 160/125 J/j/14

д Р-шалон-TiA/

а

í

0.9 03 0.7 0.6

бшд

МПа 900

800

700

600

Зернисткть Ti А/ dcp-0,83мкм

НМ.

Г Па 18

17

1С

¡5

/4

/3

12

X',

МПа мЬ

э

1 2 3 4 S №п/п Ю го JO 40 SO TWw%

^ I бил. Зернистость T¡A/ dep. =2,4 дммм

МПа ■900

■S00

0.7 ■ 700

0.S ■ 600

HV. ГПа /3 ■

17

/6 -1S

к ■ 13 /2

К'с

МПа цЬ 9

6 7 3 3 /0 Л" в/п

ю го зо 40 so Ttл/пас % Ríe.о. Концентрационные зависимости абразивной относительной износостойкости J £ /, прочности /(Уизг /, твердости / HV / и трещиностойкости / Итс / керамики системы' J/5/I4 ~TiA/ с зернистостью Т/Л/ 0,63 мкм /а/ и 2,43 мкм /б/. Нагрузка 4МПа, зернистость алмазоз 100/60.

д

7

6

- 16 -

2.5. Глава 5 посвящена разработке и практическому применению комплексной методики оценки износостойкости инструментальной керамики.

Изнашивание режущего керамического инструмента имеет очен; сложный характер и представляет собой совокупность абразивной, адгезионной, химической и диффузионной составляющих процесса, т.е. суммарное изнашивание керамики можно разбить на механическое разрушение и разрушение вследствие физико-химического взаимодействия с обрабатываемым металлом и окружающей средой.

Наиболее широко используемым методом оценки износостойкости керамических режущих пластин служат непосредственные испытания резанием. Однако это связано с больным расходом металла и длительностью опытов, получаемые данные отличаются большим разбросом значений и ограничены возможности установить основной механизм разрушения керамических режущих пластин.

Основываясь на полученных закономерностях резрушення керамики при трении по стал:! и при абразивном изнашивании по алмазным валам автором предложен дифференцированный подход к оценке износостойкости инструментальной керамики.

Оценка стойкости режущей керамики производится в два этапа. На первом этапе оценивается абразивная износостойкость при трении по алмазным валам, которая характеризует комплекс физико-механических характеристик керамики. А на зтором -оценивпется износостойкость керамики при трпбоконтактироза-нчп с обрабатываемым металлом. Режим трения подбирается из • условий примерного равенства контактных температур трения и резания для обеспечения идентичности физико-химических процессов, приводящих к изнашиванию керамики.

Применение дифференцированного подхода к оценке износостойкости позволяет получить дополнительную информацию об износе керамики, недоступную при проведении испытаний резанием. Предложенная методика испытаний отличается высокой чувствительностью, малой трудоемкостью проведения работ по сравнению с испытаниями резанием, позволяет экономить значительное количество' металла и испытания можно проводить как с лабораторным:! образца:«, так и с .режущими пластина-ми стандартных размеров.

3 качестве примера использования разработанной методики на практике в диссертации приведена работа по оценке износостойкости серийно выпускаемых неперетачнзаемых режущих пластин марок Силинит-Р и Силинит-Р1.разной плотности, образующейся в результате особенностей технологического режима получения керамики.

2.6. Глаза 6_ посзящена изучению трибохарактеристик бескислородных керамических материалов при граничном трении по стали.

При стационарной площади контактирования были проведены исследования зависимости первоначальной обработки поверхности на формирование разнозесной шероховатости рабочих поверхностей и её влияние на трибохарактеристик;!. При этом установлено, что наиболее интенсивно изнашивание керамики происходит в период приработки, что связано с разрушением образовывающегося в процессе алмазной обработки поверхностного дефектного слоя. Определяющим в формировании равновесной шероховатости является рельеф, формирующийся на керамике,который, в свою очередь, зависит от однородности структуры керамики и равномерности разрушения керамики по обьему. Процесс разрушения керамики носит механический характер и связан с накоплением дефектов структуры в процессе трения.

При формировании очень гладкой /с высотой неровностей до нескольких микрон/ и равномерной по рабочей площади поверхности керамики наблюдаются аномально низкие значения коэффициентов трения / = 0,01 - 0,03 /, при этом температура трибо-контакта не превышает 40°С. Это связано с наличием микрополостей между контактирующими телами, обусловивающпх возникновение микрогидродинамического эффекта. Доказательством существования гидродинамической масляной прослойки служит увеличение переходного электросопротивления трибоконтакта в случае фиксирования низких значений коэффициента трения. При этом нагрузочный диапазон проявления этого эффекта возрастает с увеличением контактирующей площади.

Оценка износа разных керамик при трении по различным маркам сталей и разной их твердости была произведена с пспользо-

- ie -

ванием схемы вытирания канавки. Как правило, наивысшую износостойкость проявляют керамики с более высокими физико-механическими характеристиками. Однако относительная износостойкость разных керамик при трении по различным сталям изменяется. Это ограничивает возможность прогнозирования износа керам ки на основании значений физико-механических характеристик, создание расчетных моделей износа и подчеркивает важность проведения экспериментальных исследований.

На основании полученных закономерностей трения и износа при граничном трении керамики по стали подобраны и реализованы рациональные метода испытаний для целенаправленного выбора состава керамики для металлообрабатывающих фильер.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основании всестороннего изучения разрушения бескислородных керамических соеданений при трении по стали и при абразивном изнашивании разработана комплексная методика оценки износостойкости инструментальной керамики. Методика включает оценку стойкости керамики при механическом, хрупком разрушении при трении по закрепленным алмазным зернам и оценку износостойкости керамики при трибовзаимодействип с металлом. Исследования многочисленных групп керамических материалов свидетельствуют о ее высокой эффективности.

2. Основываясь на закономерностях разрушения бескислородных керамических соединений при граничном трении по стали предложены рациональные метода испытаний материалов в зависимости от натурных эксплуатационных условий трения.

3. Установлена качественная корреляция значений коэффициентов трения керамики по стали без наличия смазки с величиной статического адгезионного взаимодействия расплавленного железа с керамикой. Минимальны.-.! коэффициентом трети характеризуется АШ(0,2 - 0,4) , а максимальньш Зг,С (,0,3-0,8).

4. Керамические соединения, не склонные к фпзико-химп-ческому взаимодействию с железом и отличающиеся §ысокой стойкость» к окислению (Af/V, JiC ) , при трибоззапмодейстзил со сталью в широком диапазоне контактных температур, пзнашиза-

ются вследствие механического разрушения.

У соединений, отличающихся меньшей стойкостью к склс-лению и склонны к Физико-химическому взаимодействию с желе-

грения происходит трансформация оснозного вида изнашивания -окислительного до изнашивания вследствие протекания разнообразных физико-химических процессов взаимодействия керамики со сталью и кислородом зоздуха.

5. Определяющим з формировании разнозесной шерохозатос-ти пар трения кэра::г.:хг-металл является рельеф, формирующийся на кера:.::ке. При трении без смазки формирование рельефа определяется характером протекающих физико-химических процессоз,

г при граничном трении - однородностью структуры керамики.

6. Величина относительной износостойкости керамики при трении в сзсоодном абразиве зазнснт прежде зсего стгзердссти. Решающее значение при этом имеет соотношение чоличпн твердости керамики и тзердости абразива.

7. Износостойкость керамики при трении по закрепленным алмазным зернам является структурно-чувствительным показателем, отражающем комплекс физико-механических характерист:::-: керамики. Величина износостойкости при этом, з первую очередь, зазиспт с? прочности керам::-^:.

6. Изнашивание бескислородных керамических соединений при граничном трении по стал;! носит'механический характер, а величина коэффициента трения при этом зависит от формирующегося рельефа поверхности. ^

9. При. незначительной зеличлне неровностей рабочей позер-юности керамики при трении со смазкой з парах трения :-:?ра:с:— ка-стгль проявляется эффект гидродинамического трения, приводящий к значительному снижению коэффициента трения (/= 0,210,03) и температуры з зоне контакта.

10. В результате использования разработанных методик испытаний при выполнении научно-исследовательских и опытно-кон-отрукторсмн.": работ достигнута следующая эконс.мия средств:

- при оптимизации составов и структуры инструментальной керамики за счет уменьшения количества испытаний резанием,, экономия металла, уменьшения объема изготовления неперета-чнэаемых режущих пластин получен экономический эффект з размере 94 тыс.рублей;

- при проведении комплекса работ по выбору л оптимизации составов керамических материалов для металлообрабатывающих фильер за счет сокращения объема изготовления натурных деталей и уменьшения количества стендовых испытаний получен экономический эффект з размере 117 тыс.рублей.

Основные положения диссертационной работы изложены в следующих публикациях

I. Фрикционные свойства материалов на основе карбида бора / A.M. Ковальченко, В.З.Ковальчук, А.Б.Жидков и да.// Новые порошковые материалы и технологии в машиностроении. - Киев: ИЛИ АН--УССР, КЕБ. - C. I42-I46.------------------

Взаимодействие керамики со сталью при трении /Ю.Г.Го-гоци, В.З.Ковальчук, 3.В.Заметайло и др.//Трение и износ. -I9S9. - Т.10, Я 2. - С.295-301.

3. Ковальченко A.M., Косско И.А., Foroipi Ю.Г. Исследование взаимодействия бескислородной керамики со сталью при тре нии //Физическое материаловедение и физико-химические основы создания новых материалов. - Клез: ММ АН УССР, I9t9. - C.I0S-113. ,

4. Фрикционное взаимодействие керамики на основе неметаллических тугоплавких соеданений со сталью /Ю.Г.Гогоци, A.M. Ковальченко, й.А.Косско и др.// Трение и износ. - 1990. - Т.II М. - С. 660-667.

5. Ковальченко A.M.Комплексная методика оценки износостойкости инструментальной керамики //Современные проблемы порош-козой металлургии, керамики и композиционных материалов. - Киев: ИПМ'АН Украины, 1990. - С.£7-90.

6. Высокоскоростное трение керамики по сталл ДЗ.Г.Гогоцз,' А.М.Козальченкб, И.А.Косско и др. //Современные проблемы он - '

зичэского матэриалозедэкия. - Киев: 11ЛМ АН УССР, I9SÜ. - G. I0I-I06.

7. Трение по стал:: и абразизный ::знсс бескислородной керамики '/З.Ц.Ярошенко, Ю.Г.Гогоцн, I'.A.Koccko и др.// Тезисы доклгдоз конференции "Конструкция*:: технология поучения изделий из неметаллических материалоз", Жаропрочные керамические материалы. Часть I. - .',!., 1990. - С.£9.

Ъ.Тпе wean. о/ noncxid сегт:сз ¿¿/ding against ¿¿ее?/ ■ Уи. £ Ccgctii, Qj/.Gtipusv, A.M.Kovaichenko et a f. // TIZ interna, bona? powder waqazin. -/383. -/33, А/9. ~P. 70/-702.

9. Козальчэкко A.M., Гогоцн Ю.Г., Косско Vi.А. Кзнсс бескислородных керамических соединений при трении по стали и абразизном изнашивании //Износостойкость машин. Тезисы докладов Зсесо:эзноЛ научно-технической конференции. Часть I. - Брянск, 199I. -С.142-143.

10. Козальченко A.M., Орловская H.A. Дифреренцирозанный подход з оценке износостойкости керамики систем! ~

Щ(%0з)// Трение и износ. - 1992. - Т. 13, !,'■ 2. - C.32i-3S2.

11. Износостойкость керамики-систем 3/3 /1^ ~ 77/V при трении по алмазно.'.у абразизу/ Ю.Г.Гогоци, A.M.Козальченко, 1.П.0сипова и др.// Сзерхтзердые материалы. - 1992. - '¿3.

:.20-25.

12. Осипоза'И.И., Козальченко A.M., Сартинская Л.Л. )лтпм::зацня состава интрумэнтальной нитрида ой керамики посредством триботехнических испытаний// Пороокозая металлургия. - 1992.-№ 4. - С.46-51..

13. A.C. СССР J.' I57I036. Способ получения керампческо-'о антифрикционного элемента для скользящей детали /З.В.Ко-1альчук, Ю.Г.Гогоци, В.З.Заметайло и др.

.....