автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Создание и комплексное исследование алмазосодержащих керамических трибоматериалов для узлов трения различного назначения

/

ТВЕРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

НОВИКОВ Владислав Викторович

СОЗДАНИЕ И КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АЯЙАЗОСОДЕРЖАЩИХ КЕРАМИЧЕСКИХ ТРИБОМАТЕРИАЛОВ ДЛЯ УЗЛОВ ТРЕНИЯ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ.

Специальность 05.02.04 - Трение и износ в машинах

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители -

д.т.н.»профессор БОЛОТОВ А.Н.,

заслуженный деятель

науки и техники РФ,

д.т.н.»профессор ДЕМКИН Н.Б.

Тверь 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ..................................................5

1. КЕРАМИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ТРИБОТЕХНИЧЕС-

КОГО НАЗНАЧЕНИЯ......................................8

1.1. Работоспособность трибосопряжений с композиционными керамическими материалами___________________. 8

1.2. Влияние способов получения керамических покрытий на их свойства. ЩО-покрытия.................16

1.3. Композиционные алмазосодержащие материалы........ 22

1.3.1. Триботехнические свойства композиционных алмазосодержащих материалов...................... 23

1.3.2. Технология получения композиционных алмазосодержащих материалов............................ 27

1.4. Перспективность применения технологии микродугового оксидирования и порошковой металлургии для создания композиционных алмазосодержащих материалов для узлов трения различного назначения............................................ 32

2. РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ И МЕТОДИК ИССЛЕДОВАНИЙ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КАМов....... 37

2.1. Установки для испытания композиционного алмазного материала на трение и износ.................37

2.1.1. Установка МТ-2 для определения характеристик абразивных материалов..........................37

2.1.2. Установка МТР для испытаний антифрикционных

материалов по схеме трения вал-втулка..........42

2.1.3. Установка МТП для испытаний антифрикционных

материалов по торцевой схеме трения............45

2.2. Оборудование, используемое для изготовления экспериментальных образцов.......................48

2.3. Методика определения физико-механических свойств композиционных алмазосодержащих материалов.. .51

2.4. Методика обработки опытных данных................57

3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОГО КОМПОЗИЦИОННОГО АЛМАЗОСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА..............60

3.1. Выбор исходных компонентов и их предварительная подготовка................................... 60

3.2. Отработка технологии формовки композиционного материала, спекания и термической обработки____..64

3.3. Изучение процесса формирования керамического слоя методом микродугового оксидирования.________ 68

3.4. Применение композиционных алмазных материалов

в узлах трения...................................81

4. ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩЕГО

КЕРАМИЧЕСКОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА...............87

4.1. Экспериментальное исследование трения и изна=

шивания композиционных алмазосодержащих материалов...........................................87

4.1.1. Триботехнические характеристики инструментальных КАМов..................................87

4.1.2. Формирование шероховатости образца из инструментального КАМа и контробразца в процессе испытаний...................................... 94

4.1.3. Триботехнические характеристики конструкционных

КАМов.......................................... .101

4.2. Анализ работоспособности трибосопряжений с керамическими алмазосодержащими материалами........112

4.2.1. Контактное взаимодействие композиционных алмазосодержащих материалов с керамической поверхностью......................................112

4.2.2. Несущая способность и коэффициент трения трибосопряжений с композиционными алмазосодержащими материалами..........................117

4.2.3. Износ поверхностей узла трения с KAM...........123

5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ...................................... 127

5.1. Обработка фасонных поверхностей деталей алмазным инструментом с различным составом связки..... 127

5.2. Разработка основ САПР для оптимизации свойств конструкционных КАМов............................130

5.3. Применение износостойких керамических алмазосодержащих материалов для изготовления деталей узлов трения фармацевтического оборудования и текстильных машин................................137

5.4. Использование КАМов для огранки алмазов в бриллианты....................................... 143

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ...............................148

ЛИТЕРАТУРА...............................................150

ПРИЛОЖЕНИЕ...............................................158

ВВЕДЕНИЕ

Надежность и долговечность машин и механизмов во многом определяется работоспособностью узлов трения, входящих в их конструкцию. Поэтому, одной из важнейших задач машиностроения является применение в трибосопряжениях современных износостойких материалов с антифрикционными и физико - механическими характеристиками, адекватными возрастающим требованиям к узлам трения скольжения. В то же время остро необходимы трибоматериалы для обрабатывающего инструмента, которые позволят значительно . увеличить его производительность и ресурс работы.

Широкое применение композиционных алмазосодержащих материалов (КАМов) является важным фактором повышения производительности труда и обеспечения высокого качества, надёжности, долговечности узлов трения машин и приборов. С целью повышения износостойкости КАМов предлагается использовать в качестве матрицы многофазную тугоплавкую керамику на основе оксида алюминия. Получение таких материалов известными способами технологически трудно реализуемо и экономически не целесообразно.

В работе также предложен принципиально новый способ создания КАМов, с использованием технологии микродугового оксидирования (МДО). В настоящее время эта технология достаточно глубоко разработана и находит все более широкие области применения. Однако, процесс получения с помощью нее триботехнических композиционных материалов и особенно алмазосодержащих, не исследован.

Таким образом в настоящее время отсутствуют научно обоснованные рекомендации для получения КАМов с заданными

фрикционными свойствами, обеспечивающими их нормальную работу и требуемую долговечность. Не изучены физико-механические и триботехнические свойства КАМов с тугоплавкой керамической матрицей. Кроме этого, до конца не отработаны методики экспериментального исследования фрикционных свойств узлов трения из материалов данного класса.

Все эти причины сдерживают практическое применение КАМов, поэтому исследование их физико-механических и триботехнических характеристик, а также разработка технологии создания износостойких алмазосодержащих материалов является актуальной задачей.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов по работе, списка использованных источников и приложения.

В первой главе представлен аналитический обзор работ, посвященных исследованию работоспособности трибосопряжений с ; композиционными керамическими и алмазосодержащими материалами. Рассмотрено влияние способов получения материалов на их физико-механические и триботехнические характеристики.

Во второй главе приведено описание разработанного экспериментального и технологического оборудования и методик исследования физико - механических и триботехнических свойств КАМов.

В третьей главе приведено описание разработанной технологии создания композиционных алмазосодержащих материалов с заданными фрикционными свойствами.

В четвёртой главе приведены результаты и анализ экспериментальных исследований триботехнических характеристик инструментальных и конструкционных композиционных

алмазосодержащих материалов в зависимости от режимов эксплуатации узла трения, состава и свойств КАМа.

Пятая глава посвящена практическому применению результатов работы.

ГЛАВА I. КЕРАМИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ТРШШЕХНИЧЕСКОГО

НАЗНАЧЕНИЯ

1.1. Работоспособность трибосопряжений с композиционными

керамическими материалами.

Развитие современного машино- и приборостроения связано с разработкой и внедрением новых материалов и прогрессивных технологических процессов их обработки. Керамические материалы, а также композиты на их основе, находят широкое применение в различных областях техники. Уникальные свойства керамики позволяют использовать ее в качестве режущего инструмента, узлов трения различно^ го оборудования, радиоэлектронной аппаратуры и т.д..

Керамика представляет собой поликристаллический материал на . основе соединений неметаллов III - VI групп периодической системы, элементов друг с другом, или с другими металлами С623 . К исходным соединениям для получения керамик относятся бориды, карбиды, нитриды, оксиды, силициды, фосфиды, халькогениды и сложные соединен ния на их основе как естественного, так и искусственного происхождения. Керамические материалы по признаку преобладающей кристаллической фазы можно классифицировать на следующие группы С1, 63:

- оксидная керамика (корундовая, цирконовая, бериллиевая, кальциевая и др.);

- силикатная керамика (магнезиальная, цирконовая, цельзиано-вая и др.);

- титаносодержащая керамика;

- шпинели (магнезиальные и феррошпинели);

- бескислородная керамика (карбиды, нитрвды, бориды и др.);

- отекдокристал-ттическая керамика (ситаллы и сиконды).

В табл. 1.1 представлены в обобщенном виде некоторые физико-механические свойства керамики по данной классификации. .

Особый класс материалов представляют керамические композиционные материалы, матрицей которых является керамика (оксидная или безоксидная), армирующими материалами могут быть волокна, или частицы металлов, соединений и сплавов (вольфрама, карбида кремния, молибдена и др.). Керамические композиционные материалы нашли наиболее широкое применение в промышленности, в частности для изготовления узлов трения и режущего инструмента.

Основные преимущества керамических материалов по сравнению с традиционными инструментальными и конструкционными материалами состоят в следующем [1, 6, 35, 48, 57 , 62, 783:

- применимы в экстремальных условиях эксплуатации: высокие температуры, агрессивные химические среды, радиация [34,483;

- обладают хорошими антифрикционными и противоизносными свойствами в тяжелых специфических условиях [783 ;

- во многих случаях увеличивают ресурс безотказной работы [40, 783.

Трибосопряжения с керамическими материалами делятся на следующие группы [35, 40, 783:

- режущая керамика: керамические покрытия рабочих поверхностей резцов, сверл, метчиков и т.д.;

- керамические абразивные шлифовальные круги;

- подшипники скольжения, направляющие;

- нитепроводящэя гарнитура текстильной промышленности, детали газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания и др.

Для всех групп существует ряд общих факторов, определяющих

Физико-механические свойства керамики

Таблица 1.1

Оксидная Силикитная Титановая Беогакзло-

Параметры керамика керамика керамика Шпинели: родная Ситаллы

керамика

1 2 3 4 5 6 7

Предел прочности, МПа;

при статическом изгибе 110-400 70-280 50-200 120-150 150 80-200

при растяжении 100-170 35-70 - 150 - -

при сжатии 1200-2100 200 200-400 2000 2250 -

Предел прочности при ударном из- 2,2-5 1,5-3,5 0,8-1,2 1-1,5 2-4 -

гибе, кПа-м

Модуль упругости Е,ГПа 170-400 70-110 80-180 250-280 200-350 70-150

Термический коэффициент линейного 5,5-13,8 0,5-9,5 3-12 5-10 2-5 3-10

расширения о£-106,1~б/°С

Термостойкость, °С 850-1500 150-1000 100-250 200-450 800-1600 100-300

Удельная теплопроводность с-103, 4-500 4-45 3-25 15-36 - 5-13

кал/(см-о-°С)

о

Продолжение таблицы 1,1

1 2 3 4 5 6 7

Огнеупорность, °С 2000-2400 1600 1500 2600 1700-3880 1000

Удельное объемное сопротивление, 1013 Ю^-Ю13 101О_1011 -1012 - 1012

Ом-м

Диэлектрическая проницаемость 6,5- 10 3,5- 8 12-50000 7,5- 8 - 10-1000

Температурный коэффициент диэлек- 70-130 100 300-3000 - - -

трической проницаемости, 10~6/°С

Тангенс угла потерь, 10~4 1 - 4,5 2-8 2-400 4-6 - 40-150

Пробивная прочность, МВ/м 50 30-40 2-20 10-20 - 50-200

Твердость по Моосу, баллы 8-9 4,5 - 6 5-8 4-7 9,2- 9,5 6

триботехнические характеристики узлов трения с керамическими материалами: твердость керамического материала, шероховатость [17, 23, 423 и пористость его поверхности СЮ, 17, 40, 733; условия эксплуатации: давление, скорость скольжения, температура [8, 17, • 203 ; удаление продуктов износа из зоны трения С813 и др. Рассмотрим эти факторы более подробно.

В процессе развития науки о трении и износе твердых тел основной тенденцией являлась увеличение твердости материалов трибо-технического назначения или их поверхностных слоев. Увеличение : твердости контактирующих поверхностей приводит к уменьшению пло-врди контакта трущихся материалов и снижению напряжений сопротивления относительному перемещению. Для керамических материалов, как правило, реализуется прямая пропорциональность между твердостью и износсютойкостью [64, 793.

Керамические материалы типа М2О3, СггОз и др. обладают большой термодинамической устойчивостью. Такие соединения способны сохранять высокую твердость при больших температурах [183. Это обстоятельство уменьшает вероятность адгезионного изнашивания ке- : рамических материалов, так как высокая твердость является косвенным, но надежным признаком уменьшения химической и адгезионной активности для материалов близких по типу структурного упорядочения и характеру межатомных взаимодействий [133. Усиление связей между атомами твердого тела затрудняет образование межатомных , связей при адгезионном взаимодействии.

Б то же время керамические материалы весьма чувствительны к . хрупкому микроразрушению при контактных напряжениях близких к 1,2 ГПа С171, и имеют невысокую прочность на изгиб. Поэтому изготавливать сплошные керамические детали трибосопряжений во многих

случаях нецелесообразно. В машиностроении и приборостроении широко применяются керамические износостойкие покрытия, нанесенные на рабочую поверхность конструкционного или инструментального материала.

Толщина покрытия оказывает двойственное влияние на работоспособность узла трения. С одной стороны, с ее ростом повышается износостойкость контактных площадок трущихся деталей, с другой стороны, это приводит к заметному увеличению числа дефектов в покрытии, снижению прочности сцепления с основным материалом* ухудшению способности покрытия сопротивляться хрупкому разрушению при упругом и пластическом деформировании рабочей поверхности узла трения [183. Кроме того, рост толщины покрытия приводит к росту критерия Био [23, что свидетельствует об увеличении термических напряжений в покрытии, особенно если оно недостаточно теплопроводно, а контактные площадки подвергаются "термическому удару" (высокое значение коэффициента теплообмена между средой и материалом).

В работах [18, 403 проведен анализ причин возникновения напряжений в композиции покрытие-материал и предложены способы уменьшения вероятности его разрушения:

- повышение жесткости и теплопроводности материала подложки с целью снижения ее склонности к упругопластическому деформированию и термопластическому разрушению;

- управление структурой покрытия с помощью создания многослойных гетерогенных структур или контролируемых дефектов (мшфо-пор, мягких включений и т.д.) для снижения величин модуля упругости и коэффициента Пуассона?

- оптимизация толщины покрытия для снижения вероятности

хрупкого отрыва и сдвига покрытия относительно подложки.

В работе С18Э показано, что работоспособность и долговечность покрытий зависит от материала на который оно нанесено. Керамическое покрытие в процессе эксплуатации подвергается термопластическому деформированию, в этих условиях в покрытии возникают дополнительные напряжения. Согласование свойств покрытия и подложки прежде всего сводится к максимальному снижению разности коэффициентов линейного расширения. К уменьшению напряжений в покрытии и на границе покрытие - основной материал приводит снижение величин модулей упругости и коэффициентов Пуассона материалов керамики и подложки. При этом увеличивается жесткость матрицы и ее способность лучше сопротивляться упругим и пластическим деформациям.

В покрытии важную роль играют поры. Они выступают во многих . случаях как концентраторы напряжений. В тоже время в них может . размещаться определенный объем смазочного материала, который поступает в последующем в зону трения [18]. Однако, большое содержание пор в покрытии вызывает резкий рост хрупкости поверхностного слоя и возникновение трещин, приводящих к его разрушению. Общее ! снижение прочности хрупкого покрытия можно оценить по формуле . С103:

бп - б0е~Ьп. (1.1)

Удаление продуктов износа из зоны трения оказывает существенное влияние на работоспособность трибосопряжений с керамическими материалами. Частицы износа, представляющие собой осколки твердой керамики, находящиеся в зазоре между взаимодействующими поверхностями увеличивают абразивный износ пары трения [13 . Для обеспечения заданной работоспособности необходимо выбрать опти-

мальный объем зазора [813, или своевременно удалять продукты износа с помощью смазочно- охлаждающей жидкости (СОЖ) [13.

В работе [403, при исследовании изнашивания инструмента, оснащенного режущими керамическими покрытиями показано, что при высоких скоростях резания п