CC BY
198
Интернет-журнал «Науковедение» ISSN 2223-5167 http ://naukovedenie. ru/ Том 7, №1 (2015) http://naukovedenie.ru/index.php?p=vol7-1 URL статьи: http://naukovedenie.ru/PDF/78TVN115.pdf DOI: 10.15862/78TVN115 (http://dx.doi.org/10.15862/78TVN115)
УДК 629.113.004.5: 621.89
Панов Александр Дмитриевич
Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана
Россия, Москва1 Кандидат технических наук Доцент
E-mail: Pad-4850@mail.ru
Панова Ирина Михайловна
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
Россия, Москва Кандидат технических наук Доцент
E-mail: Pim-07@mail.ru
Трибологические особенности конструкционных керамических материалов в подшипниках скольжения
1 105005 г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1
Аннотация. Представленная статья посвящена трибологическому поведению керамических материалов, таких как нитрид и карбид кремния, а также оксиды некоторых металлов при их использовании в качестве вкладышей в подшипниках скольжения. Особенности структуры указанных материалов обеспечивают им целый комплекс уникальных свойств. Однако, особенностям трибологического поведения уделяется недостаточно внимания. В статье проанализировано влияние на коэффициент трения в паре керамика -металл соотношения твердостей керамики и цапфы вала. Указывается, что положительную роль на ресурс подшипника играет , так называемый, перенесенный слой, образование которого связано с достижением определенного значения скорости скольжения. При этом, объем упомянутого перенесенного слоя пропорционален величине нагрузки и пути трения. Модуль нормальной упругости также влияет на коэффициент трения, но в меньшей степени, чем твердость, поскольку с твердостью связана возможность повышения класса чистоты обработки поверхности, что оказывает основное влияние на износостойкость.
Говоря о низких прочностных свойствах керамики, при проектировании подшипниковой опоры следует стремиться к таким конструктивным решениям, когда напряжения сжатия превышают напряжения растяжения, например, за счет натяга. Установлено, что основным критерием работоспособности является PV -фактор.
Ключевые слова: трибология; конструкционные керамические материалы; структура; подшипник скольжения; коэффициент трения; изнашивание; перенесенный слой; твердость; повышение ресурса; критерий работоспособности.
Ссылка для цитирования этой статьи:
Панов А.Д., Панова И.М. Трибологические особенности конструкционных керамических материалов в подшипниках скольжения // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, №1 (2015) http://naukovedenie.ru/PDF/78TVN115.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/78TVN115
Улучшение трибологических характеристик материалов способствует повышению долговечности и надежности узлов трения машин и механизмов. Эксплуатация подшипниковых узлов приводит, в осложненных условиях, к местному разогреву рабочей зоны до высоких температур и к появлению больших центробежных сил при высоких скоростях вращения вала. В этих случаях предпочтение часто отдают керамическим подшипникам скольжения и качения, или гибридным конструкциям, сочетающим стальные и керамические детали. Такая замена в десятки раз повышает ресурс подшипника и вдвое снижает массу подшипника. Современные керамические подшипниковые материалы могут эксплуатироваться в температурном интервале от -190 °С до 1200 °С, имеют PV фактор - 6080 МП- м/сек. Благодаря низкой химической активности они могут выдерживать воздействие агрессивной среды. Как преимущество следует также отметить низкое значение коэффициента температурного расширения керамики, что обеспечивает стабильность размеров подшипника, чему также способствует и высокий модуль упругости, присущий керамическим материалам. Благодаря высокой твердости материала удается повысить класс чистоты обработки поверхности и, тем самым, снизить коэффициент трения.
Вместе с тем, при выборе материала следует иметь в виду особенности поведения керамики в условиях трения и структуру затрат на производство изделий из керамики. Стоимость исходного сырья в изделии составляет всего лишь 11 % (для металлов 43 %), в то время как расходы на обработку составляют 38 % (для металлов 43 %), а самую большую часть составляют расходы на контроль 51 % (для металлов 14 %). Несмотря на большой интерес к применению керамических материалов в подшипниках сведения об их трибологическом поведении весьма ограничены. В данной статье предпринята попытка устранить этот недостаток и проанализированы основные особенности, влияющие на долговечность подшипников скольжения из керамических материалов.
Наиболее перспективными керамическими материалами являются нитрид кремния ^3^) и карбид кремния ^С), а также некоторые оксиды металлов. Высокопрочные карбид кремния и нитрид кремния являются ковалентными керамическими материалами со структурой, подобной кристаллической структуре алмаза и, поэтому, они могут использоваться в сильно нагруженных изделиях, например, в работающих при высокой температуре подшипниках, и в деталях двигателей. Микроструктура керамических материалов, рис.1, напоминает микроструктуру металлов, но при этом зерна представляют собой кристаллиты с иным принципом образования границ, чем у металлов из-за присущей им валентности.
1
2
Рис. 1. Схематическое изображение микроструктуры керамического материала
На рис.1изображена микроструктура керамического материала, которая включает следующие составляющие: 1-зерно, 2-микротрещины, образовавшиеся из пор в результате действия температурных и механических напряжений, 3- частицы второй фазы. Пористость керамических материалов достигает 20%, чем существенно снижается их прочность, при этом, некоторое снижение концентрации напряжений может быть достигнуто при форме пор близкой овальной. Внутренние трещины в материале также снижают его прочность, однако, избавиться от них практически невозможно вследствие различия в коэффициентах теплового расширения и модуля упругости отдельных зерен, [1].Современные технологии позволяют, в определенной мере, решать проблему повышения прочности и добиться большей стабильности свойств материалов.
Рис. 2. Поверхность разрушения образца из нитрида кремния
На рис.2 видно, что в материале, как описано в [2], присутствуют две кристаллические модификации нитрида кремния, альфа и бета, между которыми производители материала должны соблюдать определенное соотношение. Удлиненные, это кристаллы альфа фазы, обладают большей твердостью и меньшей стабильностью при нагреве, поэтому для повышения прочности предпочтение отдается более стабильной бета фазе.
Изготавливаются детали подшипников методами порошковой металлургии, например, горячим прессованием из мелкодисперсного порошкового сырья, [3].Примечательно, что в состав этих материалов могут быть дополнительно введены твердые смазки, уже на стадии приготовления порошковой смеси. Это приводит к значительному снижению коэффициента трения. Анализ особенностей микроструктуры керамических материалов и рельефа поверхности разрушения позволяет проанализировать их влияние на особенности трения и износа в подшипниках.
Подшипники из керамики могут эксплуатироваться в устройствах, подверженных абразивному, коррозионному воздействию, при высокой температуре и одновременном действии электрических и магнитных полей.
Подшипники скольжения, выпускаемые некоторыми фирмами, имеют размеры по диаметру от 2 до 400 мм. Внутренние и наружные гильзы и вкладыши могут сопрягаться с очень малым зазором порядка нескольких микрон. Обеспечение чистоты рабочих поверхностей соответствует шероховатости с индексом Ra < 0,8 микрон. Отметим, что при поверхностной обработке керамических материалов возникают определенные сложности; обычно используемое алмазное шлифование сопровождается хрупким разрушением поверхностного слоя и появлением такого рельефа на поверхности, который способствует повышению коэффициента трения.
Подшипник может быть также выполнен в виде металлокерамического изделия, в котором керамические втулки установлены с помощью горячей посадки с натягом в корпус подшипника, изготовленный из нержавеющей стали. При этом в изделии может быть выполнена канавка для смазки. Создание обоснованно выбранного, предварительно
рассчитанного, натяга обеспечивает преобладание в керамике напряжений сжатия над напряжениями растяжения, [3,4].
Для производства изделий из карбида кремния используется технология реакционного спекания, при этом заготовки из смеси карбида кремния и графита после спекания подлежат механической обработке. Подшипники из керамики на основе карбида кремния обладают очень высокой износостойкостью. Достаточно высокая теплопроводность существенно снижает градиент температуры в подшипнике, а благодаря низкому коэффициенту термического расширения обеспечивается стабильность геометрических размеров. За счет сочетания высокой теплопроводности и низкого коэффициента термического расширения обеспечивается также высокая термостойкость подшипников скольжения из карбида кремния. Достаточно низкий коэффициент трения материалов большинство исследователей [6], обычно связывают с повышением твердости.
1 2 Я И,/Пы
Рис. 3. Влияние твердости керамического материала на коэффициент трения
На Рис. 3 показано влияние твердости керамики на основе нитрида и карбида кремния, а также оксидной керамики - Н к на коэффициент трения по поверхности вала из нержавеющей стали, с твердостью Нм, (в виде их отношения). Такую зависимость можно также отнести к влиянию состояния поверхностного слоя керамического материала. Дело в том, что в ходе механической обработки образуются так называемые наведенные дефекты [7], а также поверхностные трещины от действия термических и остаточных напряжений. Влияние такого роды дефектов на коэффициент трения снижается с ростом твердости материала. Высокая твердость материалов снижает адгезионную составляющую силы трения. Поскольку стабильность кристаллической решетки влияет на коэффициент трения, а она связана с модулем нормальной упругости, то можно предположить и влияние модуля упругости на коэффициент трения. При этом мы знаем, что коэффициент трения зависит от температуры, поскольку при трении значительную роль играют теплофизические свойства материала, а модуль упругости практически не зависит от температуры. Вместе с тем, установлено, что коэффициент трения пропорционален отношению модуля упругости к величине контактного давления и отыскание такой зависимости для керамических материалов представляет несомненный интерес. Трение керамики по стали можно уподобить множеству микроскопических царапаний по поверхности вала, поэтому твердость обоих материалов играет ведущую роль в процессе изнашивания, [8]. В реальности износ зависит также от модуля упругости и вида деформации поверхностности. Действие касательных напряжений в рабочей зоне подшипника вызывает процессы микрорезания на поверхности цапфы вала, поэтому всегда целесообразно проводить упрочняющую обработку цапф вала.
Износ является основной причиной преждевременного выхода из строя подшипниковых опор. Несмотря на то, что для нас является привычным связывать трение и износ, природа этих явлений различна. По этой причине интенсивность износа пары металл -керамика может изменяться в зависимости от эксплуатационных параметров в более широких пределах, в то время как коэффициент трения этой пары трения имеет меньший интервал изменения. Это происходит потому, что на изнашивание оказывают сильное влияние теплофизические параметры. Такой выраженной независимости процессов трения и изнашивания в парах металлических материалов не наблюдается, поскольку причиной изнашивания чаще является пластическая деформация микроконтактов. В парах трения керамика-керамика может происходить катастрофический износ из-за хрупкого разрушения поверхностных слоев,[9,10]. В парах трения металл-керамика вследствие сильно отличающихся значений твердости преобладает абразивное изнашивание. Кроме того, учитывая циклический характер нагружения, отметим также наличие усталостного изнашивания. Износ материалов определяется оптимальным соотношением двух свойств -пластичности и прочности, а для керамики это соотношение твердости, трещиностойкости и модуля нормальной упругости.
Как установлено, для пары трения металл-керамика характерно образование слоя перенесенного металла, который играет роль защитного покрытия для керамики. Объем перенесенного металла обратно пропорционален твердости вала, и его можно определить по уравнению:
Коэффициент износа при абразивном изнашивании - kaбр лежит в диапазоне от 2-10"2 до 3-10"2, R-рaдиaльнaя сила в подшипнике, L-путь трения скольжения, Hм -твердость вала. Интересно отметить, что необходимое количество перенесенного объема достигается только при определенной скорости скольжения; таким образом, износостойкость подшипников скольжения из керамики зависит не только от нагрузки, но и от скорости скольжения; работает критерий PV. Зависимость износа от скорости скольжения для керамики на основе диоксида циркония [11], показывает отсутствие равномерного увеличения износа при возрастании скорости скольжения, при этом интенсивность изнашивания имеет наибольшее значение при определенной скорости скольжения.
V = kбА L,
0.05 -1
0-|---1 ■ --,-,-1
0 10 20 30 40 Скорость сюльжсиня. м/с
Рис.4. Зависимость износа от скорости скольжения
Представленная на рис.4 зависимость износа от скорости скольжения отражает присущую большинству керамических материалов особенность, заключающуюся в снижении износа за счет образования перенесенного слоя при достижении определенной скорости вращения вала.
В заключении следует отметить, что критерий PV является основным фактором, влияющим на трибологическое поведение керамических материалов в подшипниках скольжения, а износ обусловлен изменением коэффициента трения, который, в свою очередь, помимо перечисленных факторов, также зависит от удельной нагрузки и скорости скольжения.
В заключении отметим, что повышение ресурса достигается повышением прочностной надежности, улучшением качества обработки поверхности при высокой твердости керамического вкладыша.
ЛИТЕРАТУРА
1. М. Эшби, Д. Джонс. Конструкционные материалы. Полный курс. Издательский дом «Интеллект», перевод с английского. 2010.-672с.
2. Evolution - деловой и технический журнал фирмы SKF (WWW.SKF.COM).f
3. А.С.№961288 СССР, МКИ C04B35/58, B22F3/14. Способ изготовления керамических изделий/А. И. Целиков, Б. В. Розанов, В. И. Сноп, И.М. Кузнецова, ( И.М. Панова) и др. заявка №2881788/29-33 заявл.04.02.80; зарегистрировано 21.05.82.
4. Панова И.М. Проектирование деталей из керамики, «Научная перспектива» Технические науки. №9(43)/2013.
5. Панова И.М. Особенности конструирования изделий из керамических материалов. «Известия высших учебных заведений», Машиностроение №4/2013.
6. Доценко В.А. Изнашивание твердых тел. М.: 1990.-191с
7. В.В. Гусев, Л.П. Калофатова, А.Д. Молчанов. Использование технической керамики и ситаллов в узлах трения Донецк, ДонНТУ, 2004. (http://masters.donntu.edu.ua/2004/mech/komiyenko/library/article_6.htm.).
8. Попов В.Л. Механика контактного взаимодействия и физика трения. От нанотрибологии до динамики землетрясений - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2013.-352с.
9. Davidge R.W. Mechanical behavior of ceramics. - Cambridge; Cambridge University Press,1980.-248a
10. Govila R.K., Beardmore P., Kinsman K.R. Strength characterization and nature of crack propagation in ceramic materials. -ASTM STP 733/Ed. L.N. Gilbertsson, R.D /Zipp/ 1981, p.225-245
11. Н.Л. Савченко, К.М.Пятова, С.Н.Кульков. Особенности трибологического поведения керамики на основе диоксида циркония в условиях высокоскоростного трения. Известия Самарского научного центра РАН №01/2011.
Рецензент: Колесников Александр Григорьевич, профессор, доктор технических наук, МГТУ им. Баумана, E-mail: nukmt@bmstu.ru.
Panov Alexander Dmitrievich
Bauman Moscow State Technical University
Moscow, Russia E-mail: Pad-4850@mail.ru
Panova Irina Mikailovna
Bauman Moscow State Technical University
Moscow, Russia E-mail: Pim-07@mail.ru
Tribology characteristics of structural ceramic materials in
sliding bearings
Abstract. Ceramics and shaft. Indicates that a positive role on the resource bearing plays, the so called forward layer formation is associated with the achievement of a certain value, sliding velocity. The volume of a layer is proportional to the size of the load and road friction. Normal module of elasticity also affects the friction coefficient, but to a lesser degree than the hardness, as with hardness is the possibility of increasing the purity of surface treatment, which has a major effect on the wear resistance.
Speaking of low strength properties of ceramics, when designing the bearing support should be sought in such constructive solutions when the voltage exceeds voltage compression stretching, for example, due to interference. Found that the basic criterion of efficiency is the PV factor.
Keywords: tribology; structural ceramic materials; structure; bearing; coefficient of friction; wear; the transferred layer; hardness; increase resource efficiency criterion.
REFERENCES
1. M. Eshbi, D. Dzhons. Konstruktsionnye materialy. Polnyy kurs. Izdatel'skiy dom «Intellekt», perevod s angliyskogo. 2010.-672s.
2. Evolution - delovoy i tekhnicheskiy zhurnal firmy SKF (WWW.SKF.COM).f
3. A.S.№961288 SSSR, MKI C04B35/58, B22F3/14. Sposob izgotovleniya keramicheskikh izdeliy/A. I. Tselikov, B. V. Rozanov, V. I. Snop, I.M. Kuznetsova, ( I.M. Panova) i dr. zayavka №2881788/29-33 zayavl.04.02.80; zaregistrirovano 21.05.82.
4. Panova I.M. Proektirovanie detaley iz keramiki, «Nauchnaya perspektiva» Tekhnicheskie nauki. №9(43)/2013.
5. Panova I.M. Osobennosti konstruirovaniya izdeliy iz keramicheskikh materialov. «Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy», Mashinostroenie №4/2013.
6. Dotsenko V.A. Iznashivanie tverdykh tel. M.: 1990.-191s
7. V.V. Gusev, L.P. Kalofatova, A.D. Molchanov. Ispol'zovanie tekhnicheskoy keramiki i sitallov v uzlakh treniya Donetsk, DonNTU, 2004. (http://masters.donntu.edu.ua/2004/mech/korniyenko/library/article_6.htm.).
8. Popov V.L. Mekhanika kontaktnogo vzaimodeystviya i fizika treniya. Ot nanotribologii do dinamiki zemletryaseniy - M.: FIZMATLIT, 2013.-352s.
9. Davidge R.W. Mechanical behavior of ceramics. - Cambridge; Cambridge University Press,1980.-248s.
10. Govila R.K., Beardmore P., Kinsman K.R. Strength characterization and nature of crack propagation in ceramic materials. -ASTM STP 733/Ed. L.N. Gilbertsson, R.D /Zipp/ 1981, p.225-245
11. N.L. Savchenko, K.M.Pyatova, S.N.Kul'kov. Osobennosti tribologicheskogo povedeniya keramiki na osnove dioksida tsirkoniya v usloviyakh vysokoskorostnogo treniya. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra RAN №01/2011.
