Використання технічної кераміки та ситалів у вузлах тертя
В.В. Гусєв, Л.П. Калофатова, А.Д. Молчанів, Дон НТУ
В даний час у світі спостерігається тенденція виробництва виробів з неметалевих та композиційних матеріалів, які все ширше замінюють метали у багатьох галузях промисловості. Наприкінці попереднього тисячоліття виробництво неметалів перевищило за обсягом виробництво чорних металів. Ця тенденція пов'язана зі зниженням собівартості продукції при одночасному підвищенні їхнього терміну служби, надійності та екологічної чистоти. Особливе місце серед неметалевих матеріалів посідає кераміка. Роботи з керамічних матеріалів у всьому світі різко інтенсифікуються, розширюються сфери застосування цих матеріалів та зростання капіталовкладень у розробку матеріалів, технологію їх виробництва та виготовлення. Більшість розвинених країн (Японія, США, Німеччина, Швеція, Україна та ін.) здійснюють національні програми з кераміки. Лідируюче місце на світовому ринку кераміки займають Японія та США. Фактичне виробництво кераміки неухильно зростає, що п'ять років її виробництво подвоюється.
Фізико-механічні властивості конструкційної кераміки (КК) в порівнянні з усіма видами металів, які в даний час застосовуються як основні матеріали для виготовлення деталей машин, мають такі відмінні характеристики, як високу температуру плавлення, твердість, легкість і т.д. Її застосовують для виготовлення деталей, до яких висуваються підвищені вимоги щодо жаростійкості, зносостійкості, корозійної стійкості, стійкості до впливу хімікатів тощо. Сьогодні багато інститутів України та Донецької області працюють над проблемами виготовлення та застосування виробів із КК у промисловості. Можна відзначити такіпровідні організації як Інститут проблем матеріалознавства та Інститут надтвердих матеріалів у м. Києві, Фізико-технічний інститут та ТОВ “Кераміка” у м. Донецьку. Вони мають технологію виготовлення матеріалів і готові її постачати в багато галузей промисловості.
Особливе місце серед областей застосування КК займають вузли тертя. За кордоном КК використовується для виготовлення зносостійких деталей насосів нафтових свердловин, арматури в нафтохімічній та газовій промисловості, а також фільєр, сопел піскоструминних апаратів, газових пальників і т.д. Інтерес, що виник до триботехнічної кераміки в 60-ті роки, не послабшав до теперішнього часу. Якщо в 80-х роках обсяг виробництва керамічних підшипників оцінювався в 2, 5 млрд. доларів США, то до кінця попереднього тисячоліття очікувалося зростання їхнього випуску у вартісному вираженні до 6 млрд. доларів. Високі робочі температури та зносостійкість керамічних матеріалів дозволяють підвищити швидкохідність обертання роторів, знизити вимоги до змащення та охолодження. Важливими факторами їх використання є немагнітність та електроізоляційні властивості керамічних матеріалів. Висока вартість таких підшипників компенсується вищою довговічністю (3. 10 разів) та вищою зносостійкістю (
10 разів за високих температур).
Основним матеріалом зі створення керамічних підшипників кочення є гарячепресований нітрид кремнію (Si 3 N4 ), хоча зберігається інтерес і до таких матеріалів як оксид алюмінію та карбід кремнію (Al 2 O3 , SiC ). При звичайних температурах експлуатації спечені кераміки поступаються підшипниковою сталі за довговічністю, проте з іншого боку, сталі втрачають працездатність при 870. 10700К, а керамічні матеріали нормально працюють у цих умовах. Сьогодні з нітриду кремніювиготовляють кульки та ролики підшипників, а іноді і цілісні підшипники. Якщо раніше основними споживачами цих підшипників були авіація, космічна техніка та приладобудування, то сьогодні, з початком їхнього серійного випуску на ринок збуту, розширюється і сфера їх використання.
Особливо привабливим є той факт, що вже на стадії отримання матеріалу можливе введення в нього твердих мастил, які значно покращують працездатність вузлів тертя. Як підшипники ковзання використовують спечені SiC, Si 3N 4. На основі Al 2O 3 створюють композити, що містять MoO 3 або WO 3 і мають поверхневу сульфідну плівку, з яких можна виготовляти прецизійні підшипники з низьким (0, 13) коефіцієнтом тертя. У матеріалах на основі Si 3N 4 як тверде мастило використовують графіт і BN . Низка фірм Німеччини, Японії, США вже сьогодні випускають керамічні підшипники кочення. Однак є особливості їх монтажу, що пов'язано з різними значеннями коефіцієнта лінійного розширення КК і металу.
Інтенсифікація робіт у галузі триботехнічної кераміки пов'язана, перш за все, з постановкою модельних дослідів, що імітують за схемою та геометрією контакту умови роботи реальних вузлів тертя, з метою оцінки застосування тих чи інших матеріалів та конструктивних особливостей для конкретних умов роботи. У ДонНТУ отримано низку патентів України, накопичено певний досвід у розробці перспективних комбінованих вузлів тертя та проведенні досліджень роботи керамічних підшипників на стендах кафедри “Металорізальні верстати та інструменти”. Для вугільної промисловості розроблено: плунжера та кільця для водних та масляних шахтних насосів, торцеві ущільнення роликів вугільних комбайнів та прохідницьких машин. Використання керамічних плунжерів дозволяєпідвищити тривалість експлуатації шахтних насосів у 4. 5 разів, а розроблені в ДонНТУ конструкції торцевих ущільнень роликів - у 2. 4 рази за рахунок герметизації підшипникового вузла та забезпечення високої зносостійкості у жорстких умовах довкілля (вологи, вугільного пилу).
Застосування КК потребує нових принципів конструювання. Доводиться відхилятися від виробів, визнаних для металів оптимальними. Необхідно проводити проектування з урахуванням особливостей кераміки та способів її виготовлення. Для застосування кераміки в машинобудування це має велике значення. Принципи проектування виробів із КК, здавалося б, здаються простими. Необхідно, щоб рівень напруги в процесі експлуатації був нижчим за міцність матеріалу при заданому рівні ймовірності руйнування. Необхідність використання ймовірнісного, а не детерміністичного підходу викликають проблеми екстраполяції міцності на низький рівень ймовірності руйнування з урахуванням напруженого обсягу. Це досягається з використанням функції статистичного розподілу Вейбулла.
Крихке руйнування кераміки ініціюється внаслідок розвитку тріщини з одиничного дефекту чи злиття груп малих дефектів. Дефекти поділяються на внутрішні (власні типи пір і включень) і наведені поверхневі тріщини на поверхні, що утворюються в результаті механічної обробки, термічного або механічного удару, впливу залишкових напруг. Імовірність руйнування від пори може бути оцінена на основі статистичного підходу, що враховує можливість поширення мікротріщини, розташованої в полі напруги. Граничні розміри наведених тріщин визначаються співвідношенням твердості, тріщиностійкості та пружності модуля матеріалу. Істотний вплив на міцність кераміки маєта орієнтація наведених мікротріщин по відношенню до напрямку дії зовнішнього навантаження, з різкою зміною орієнтації площини руйнування. При проектуванні виробів з кераміки рекомендується уникати значних концентрацій напруги та використовувати більш ніж чотириразові запаси міцності порівняно з міцністю при згинанні. Інтенсивні дослідження в галузі забезпечення високої експлуатаційної надійності та довговічності КК дозволяють сподіватися на її успішне застосування у промисловості.
При отриманні виробів із КК кожна стадія виготовлення впливає експлуатаційні характеристики. Необхідно приділяти увагу всім стадіям виготовлення кераміки: одержання порошків, формування, попередньої механічної обробки, випалу і після випалювальної обробки, яка поряд з механічною обробкою може включати зміцнення поверхні, металізацію або з'єднання кераміки з іншими матеріалами.
При використанні КК деталях з точними розмірами без остаточної механічної обробки обійтися неможливо. Головною перешкодою є висока твердість та крихкість КК. Навіть при обробці пластичної маси та попередньо обпаленого матеріалу твердість самих зерен кераміки призводить до абразивного зношування інструменту. В даний час, незважаючи на застосування великої кількості таких високоточних способів обробки КК як ультразвукова, лазерна та ін, найбільш використовуваним та продуктивним методом при механічній обробці є алмазне шліфування.
Механічну обробку обпаленої КК проводять алмазними абразивними матеріалами. Навіть м'які режими обробки призводять до утворення мікротріщин на поверхні кераміки, які зменшують її механічну міцність. На мікрорельєф поверхневого шару, поряд з пористістю та розмірамикристалів, впливає характеристика алмазних кіл та режими обробки. Вибирати інструмент, його характеристики та режими обробки слід у суворій залежності від необхідної якості виробу та характеристик заготівлі.
Механізм формування поверхневого шару кераміки відрізняється від процесів, що відбуваються при алмазному шліфуванні металів. При шліфуванні крихких неметалевих матеріалів мають місце: пружнопластична деформація без руйнування, диспергування припуску при пластичній деформації та крихке руйнування зі сколюванням частинок. Імовірність тих чи інших механізмів руйнування припуску визначається як фізико-механічними властивостями матеріалу, і навантаженням на зерна (режимами обробки). Процеси, що відбуваються при руйнуванні припуску, впливають на експлуатаційні характеристики виробу.